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문제 정의
- 본 연구에서는 현무암 섬유를 이용한 차량용 CNG 복합재 압력용기에 대해 라이너와 복합재층을 함께 고려한 복합모델에 대한 이론적 해석 및 FEA를 통하여 라이너와 복합재층 각각에 대한 최적설계를 수행하였다. 또한 복합재 압력용기의 피로수명 향상을 위한 자긴공정 해석을 통하여 최적의 자긴압력을 결정하였다.
가설 설정
- 25MPa)이 작용할 때, 기존 유리섬유를 이용한 CNG 복합재 압력 용기의 사양인 라이너 두께 8mm, 유리섬유 복합재 두께 10mm를 기준으로 복합재층 두께를 줄여 가며 응력해석을 수행하여 Table 4와 같이 파손여부를 판단하였다. 복합재 압력용기의 파손여부 판단의 경우, 라이너는 Von-Mises 최대 유효응력과 항복응력 (840MPa)을 비교하여 파손여부를 판단하며, 와인딩된 복합재층의 경우에는, 현장 경험을 토대로 재료 항복강도의 약 12% 수준의 응력 상태에서 섬유 사이의 가스 누출이 발생하여 파열된다고 가정하였다. 이에, 복합재층의 경우 파열이 일어나는 Tsai-Hill 값 1의 12% 수준인 0.
- N개의 층으로 이루어진 적층 구조이며, 실린더 내부 반경은 RI, 외부 반경은 RO이다. 복합재층은 직교이방성 물질로, 층과 층의 접촉 조건은 완전 접착(Perfect bonding)으로 가정하였다.4,7
제안 방법
- (1) 기존 유리섬유를 이용한 압력용기의 라이너의 두께가 과도하게 설계된 문제점을 분석하고, 친환경적이며 우수한 기계적 성질을 가진 현무암 섬유를 이용한 복합재 압력용기에 대하여 라이너와 복합재층 각각에 대한 최적설계를 수행하였다.
- 3.1장의 복합모델에 대한 이론적 응력해석기법의 식(1) ~ 식(9)를 이용하여 현재 차량용으로 사용되고 있는 유리섬유(E-glass/epoxy)를 이용한 CNG 복합재 압력용기에 대한 응력해석을 수행하였으며, 라이너(34CrMo4)와 유리섬유에 대한 물성치는 Table 2 및 Table 3에 나타내었다.
- 금속 라이너와 현무암 섬유로 보강된 복합재층에 대한 통합적 최적설계를 통하여 금속 라이너와 복합재층 두 부분에 대해 각각의 최적 두께를 결정하였으며, 피로수명 향상을 위한 복합재 압력용기의 자긴가공에 대한 해석을 수행하여 최적의 자긴압력을 결정하였다. 이를 위하여 등방성 물질(Isotropic material)과 직교이방성 물질 (Orthotropic material)로 각각 가정한 라이너와 복합재층으로 이루어진 다층 구조의 복합모델4에 대한 이론적 해석 및 FEA를 이용하였으며, 해석결과를 토대로 현무암 섬유를 이용한 차량용 CNG 복합재 압력용기에 대한 경량화 및 구조적 안전성을 검증하였다.
- 등방성 물질인 내부 금속 라이너 (34CrMo4)층과 직교이방성물질인 섬유강화 복합재층으로 이루어진 차량용 CNG 복합재 압력용기의 응력해석을 위하여 Fig. 3과 같이 적층 구조의 원형 실린더 형태의 복합모델을 사용하였다.4,7 하중 조건은 오직 실린더의 내부에 축 대칭의 일정한 내압 (PI) 만이 작용하며 온도 변화는 고려하지 않았다.
- 136270의 값을 나타내므로 파열압력에서 복합재 층의 파손이 나타날 것으로 사료된다. 따라서 현무암 섬유를 이용한 차량용 CNG 복합재 압력용기의 최적설계는 라이너 두께 6mm, 복합재층 두께 5.2mm로 결정하였다.
- 본 연구에서는 현무암 섬유를 이용한 차량용 CNG 복합재 압력용기에 대해 라이너와 복합재층을 함께 고려한 복합모델에 대한 이론적 해석 및 FEA를 통하여 라이너와 복합재층 각각에 대한 최적설계를 수행하였다. 또한 복합재 압력용기의 피로수명 향상을 위한 자긴공정 해석을 통하여 최적의 자긴압력을 결정하였다.
- 물성치는 Table 1과 Table 2의 현무암 섬유 복합재 (Basalt fiber)및 라이너(34CrMo4)의 물성치를 적용하였으며 경계조건은 실제 작동조건 및 안전규정과 동일하게 라이너와 복합재 부에 Bonded 조건을 부여하고 해석 중 모델의 탈락을 방지하기 위하여 cylindrical 조건을 부여하여 축방향과 원주방향을 구속하였다. 라이너 내부 표면에 압력용기에 관한 안전기준(KGS AC412)에 근거 균일한 내압 31.25MPa을 적용하였으며, FEA 해석결과를 Fig. 8 ~ Fig. 11에 나타내었다.
- 라이너의 두께가 5mm와 6mm일 경우에 대하여 복합재 두께를 변화시켜가며 응력해석을 수행하였으며, Table 6의 해석결과를 토대로 복합재의 최적 두께를 결정하였다.
- 2mm를 2D 모델링 하였으며 Y축 Axisymmetric 조건을 부여하여 최적설계된 압력용기를 모델링 하였다. 물성치는 Table 1과 Table 2의 현무암 섬유 복합재 (Basalt fiber)및 라이너(34CrMo4)의 물성치를 적용하였으며 경계조건은 실제 작동조건 및 안전규정과 동일하게 라이너와 복합재 부에 Bonded 조건을 부여하고 해석 중 모델의 탈락을 방지하기 위하여 cylindrical 조건을 부여하여 축방향과 원주방향을 구속하였다. 라이너 내부 표면에 압력용기에 관한 안전기준(KGS AC412)에 근거 균일한 내압 31.
- 상용압력의 1.25배(31.25MPa)에서의 응력해석 결과를 통해 라이너의 응력이 항복강도와 가장 근접한 것으로 판단되는 두 모델 (라이너두께 6mm, 복합재두께 5.2mm와 라이너두께 5mm, 복합재두께 9.3mm)에 대하여 파열압력을 가하였을 때, 복합재 부 손상여부를 판단하기 위하여 압력용기에 관한 안전기준(KGS AC412)에 근거하여 상용압력의 2.5배인 파열압 (62.5MPa)에서 복합재층의 파손여부 판단을 수행하였으며 해석결과를 Table 7에 나타내었다.4-7
- 압력용기에 관한 안전기준(KGS AC412)에 근거하여 상용압력의 1.25배의 내압(31.25MPa)이 작용할 때, 기존 유리섬유를 이용한 CNG 복합재 압력 용기의 사양인 라이너 두께 8mm, 유리섬유 복합재 두께 10mm를 기준으로 복합재층 두께를 줄여 가며 응력해석을 수행하여 Table 4와 같이 파손여부를 판단하였다. 복합재 압력용기의 파손여부 판단의 경우, 라이너는 Von-Mises 최대 유효응력과 항복응력 (840MPa)을 비교하여 파손여부를 판단하며, 와인딩된 복합재층의 경우에는, 현장 경험을 토대로 재료 항복강도의 약 12% 수준의 응력 상태에서 섬유 사이의 가스 누출이 발생하여 파열된다고 가정하였다.
- 금속 라이너와 현무암 섬유로 보강된 복합재층에 대한 통합적 최적설계를 통하여 금속 라이너와 복합재층 두 부분에 대해 각각의 최적 두께를 결정하였으며, 피로수명 향상을 위한 복합재 압력용기의 자긴가공에 대한 해석을 수행하여 최적의 자긴압력을 결정하였다. 이를 위하여 등방성 물질(Isotropic material)과 직교이방성 물질 (Orthotropic material)로 각각 가정한 라이너와 복합재층으로 이루어진 다층 구조의 복합모델4에 대한 이론적 해석 및 FEA를 이용하였으며, 해석결과를 토대로 현무암 섬유를 이용한 차량용 CNG 복합재 압력용기에 대한 경량화 및 구조적 안전성을 검증하였다.
- 2 및 Table 1에서와 같이 우수한 기계적 물성치를 가지고 있으며 친환경적이고 재활용이 가능하기 때문에 최근 새로운 친환경 복합재료로써 각광받고 있다. 이에 기존 유리섬유를 이용한 복합재 압력용기의 외경 및 라이너(8mm)와 복합재층의 두께(10mm)를 기준으로 현무암 섬유를 이용한 복합재 압력용기의 라이너와 복합재층의 두께변화에 따른 응력해석을 한 후, 그 해석결과를 바탕으로 최적설계를 수행하였다.
- 25MPa의 내압이 작용할 경우 라이너에서 항복강도를 넘은 최대 유효응력이 나타났다. 이에, 구조 안전성 및 경량화를 고려하여 라이너 두께가 5mm와 6mm일 경우에 대해 최적의 현무암 섬유 복합재층의 두께를 결정하였다.
- 복합재 압력용기의 파손여부 판단의 경우, 라이너는 Von-Mises 최대 유효응력과 항복응력 (840MPa)을 비교하여 파손여부를 판단하며, 와인딩된 복합재층의 경우에는, 현장 경험을 토대로 재료 항복강도의 약 12% 수준의 응력 상태에서 섬유 사이의 가스 누출이 발생하여 파열된다고 가정하였다. 이에, 복합재층의 경우 파열이 일어나는 Tsai-Hill 값 1의 12% 수준인 0.12를 파열이 일어나는 값으로 정하였다.4
- 1MPa 이후(자긴도 100% 이상)에서는 자긴압의 증가에 따라 라이너의 외부에 압축응력이 더욱 증가하여 최대유효응력이 증가하였다. 자긴압력 44.3MPa 이상에서는 라이너 인장강도(1000MPa) 이상의 최대유효응력을 나타내므로 허용자긴압력의 범위를 43.1MPa 이하로 결정하였다.
- 최적설계된 현무암 섬유를 이용한 복합재 압력 용기의 피로수명 향상을 위해 유한요소 해석을 이용한 자긴 공정 설계를 수행하였다. 자긴압력에 의한 압력용기의 압축 잔류응력을 고려한 응력해석을 수행하였으며, 자긴압력에 따른 자긴공정 중 발생하는 최대 유효응력을 Table 10에 나타내었다.
- 이에 본 연구에서는, 기존에 복합재 압력용기에 사용되던 유리섬유와 비교하여 높은 인장강도를 가지고 있고 화학적 안정성이 좋다. 특히, 산성 환경에서 더 뛰어나며 -200℃ ~ +600℃의 넓은 사용온도를 가지고 있으며 우수한 충격흡수에너지와 충격강도를 보이는 친환경적이고 재활용이 가능한 현무암 섬유(Basalt fiber)를 이용하여 최초로 차량용 CNG 복합재 압력용기의 최적설계를 수행하였다.8
- 7과 같이 유한요소 해석을 수행하였다. 해석 모델은 라이너 두께 6mm, 복합재층 두께 5.2mm를 2D 모델링 하였으며 Y축 Axisymmetric 조건을 부여하여 최적설계된 압력용기를 모델링 하였다. 물성치는 Table 1과 Table 2의 현무암 섬유 복합재 (Basalt fiber)및 라이너(34CrMo4)의 물성치를 적용하였으며 경계조건은 실제 작동조건 및 안전규정과 동일하게 라이너와 복합재 부에 Bonded 조건을 부여하고 해석 중 모델의 탈락을 방지하기 위하여 cylindrical 조건을 부여하여 축방향과 원주방향을 구속하였다.
- 현무암 섬유를 이용한 복합재 압력용기의 내부 라이너에 대한 최적 두께 결정을 위하여 기존 압력용기의 복합재층 두께(10mm)와 동일하게 고정시킨 후 라이너 두께를 변화시켜가며 응력해석을 수행하였으며 해석결과를 Table 5에 나타내었다.
대상 데이터
- 4,7 하중 조건은 오직 실린더의 내부에 축 대칭의 일정한 내압 (PI) 만이 작용하며 온도 변화는 고려하지 않았다. N개의 층으로 이루어진 적층 구조이며, 실린더 내부 반경은 RI, 외부 반경은 RO이다. 복합재층은 직교이방성 물질로, 층과 층의 접촉 조건은 완전 접착(Perfect bonding)으로 가정하였다.
- 1에서와 같이 1260L급 차량용 CNG 저장 및 수송용기로 사용되고 있다. 라이너 외경은 406.4mm, 라이너 두께는 8mm, 복합재층의 두께는 10mm로 되어있으며, 라이너의 재질은 34CrMo4, 복합재층의 재질은 E-glass/epoxy이다.
데이터처리
- 이론적 해석을 통해 결정된 라이너와 복합재층의 최적설계(라이너 두께 6mm, 복합재층 두께 5.2mm)에 대하여 ANSYS Workbench ver.14를 사용하여 Fig. 7과 같이 유한요소 해석을 수행하였다. 해석 모델은 라이너 두께 6mm, 복합재층 두께 5.
성능/효과
- (2) 이론적 해석 및 FEA를 통하여 구조적 안전성 및 경량화를 위한 최적의 두께는 라이너 6mm, 복합재 5.2mm로 각각 결정하였다.
- (3) 최적 설계된 현무암섬유 압력용기의 경우 기존 유리섬유 압력용기에 비해 무게가 약 349.5kg(26%)의 경량화를 나타내었다.
- (4) 자긴공정 해석결과에 의하면 자긴압력43.1MPa로 자긴공정을 수행한 후, 작동압력(25MPa)을 적용시켰을 때 최대의 자긴효과(94.52MPa, 약 14%)를 얻을 수 있었다.
- 최적설계 된 현무암 섬유를 이용한 복합재 압력용기와 기존에 사용되고 있는 유리섬유 압력용기의 무게를 비교하여 Table 9에 나타내었다. Table 9의 계산결과를 토대로, 기존 유리섬유를 이용한 압력용기의 무게(1300kg)에 비해 비교하여 최적설계된 현무암 섬유를 이용한 압력용기의 무게(950.5kg)는 349.5kg (26%) 경량화(라이너 부분은 252.5kg 감소, 복합재층은 97kg 감소)를 나타내었다. 경량화된 압력용기로 통하여 CNG 차량의 연비를 개선할 수 있으며 소재 절감의 효과를 가져올 것으로 사료된다.
- 라이너두께 6mm, 복합재두께 5.2mm일 경우와 라이너두께 5mm, 복합재두께 9.3mm일 경우에 라이너와 복합재층 모두가 최소의 두께를 가지면서 구조적으로 안전한 응력 수준을 나타내었다.
- 상용압력의 2.5배인 파열압 (62.5MPa)에서 라이너와 복합재 파손여부를 확인한 결과, 라이너 부분의 유효응력은 두 모델 모두 항복응력보다 큰 1672.2MPa ~ 1876.7MPa의 응력분포는 나타내었으나, 복합재층 부분에서는 라이너 6mm, 복합재 5.2mm 모델의 경우 복합재 파손 기준인 0.12를 넘지 않아 복합재층에서의 파열은 일어나지 않는 것으로 판단된다. 그러나 라이너 5mm, 복합재 9.
- 이에 본 연구에서는, 기존에 복합재 압력용기에 사용되던 유리섬유와 비교하여 높은 인장강도를 가지고 있고 화학적 안정성이 좋다. 특히, 산성 환경에서 더 뛰어나며 -200℃ ~ +600℃의 넓은 사용온도를 가지고 있으며 우수한 충격흡수에너지와 충격강도를 보이는 친환경적이고 재활용이 가능한 현무암 섬유(Basalt fiber)를 이용하여 최초로 차량용 CNG 복합재 압력용기의 최적설계를 수행하였다.
- 최적설계에 대한 이론적 해석 결과 및 유한요소해석 결과를 Table 8에 나타내었다. 최적설계에 대한 이론적 해석결과 및 유한요소해석결과 모두 구조적으로 안전한 응력수준을 나타내었으며, 이론적 해석결과값과 유한요소해석 결과값을 비교하여 라이너부에서 약 1.5%, 복합재층에서 약 5.7%의 오차범위 내에서 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있었다.
- 해석 결과를 토대로, 복합재층의 두께만 변화시켜가며 내압(31.25MPa)을 작용하였을 때 복합재 층의 보강없이 (Composite thickness: 0mm) 라이너 두께(8mm)만으로 되어 있는 모델에 대한 최대 유효응력(795.46MPa)이 재료의 항복강도(840MPa)보다 낮은 응력수준을 나타내므로 파손이 일어나지 않는다고 판단된다. 또한, 이 결과를 통해 기존 모델의 라이너 두께가 과도하게 설계된 것을 확인할 수 있으며, 현무암 섬유를 이용한 복합재 압력용기의 설계 시 구조적 안전성 및 경량화를 위하여 라이너와 복합재층 각각의 두께에 대한 최적설계가 필요하다는 것을 알 수 있다.
- 자긴압력에 의한 압력용기의 압축 잔류응력을 고려한 응력해석을 수행하였으며, 자긴압력에 따른 자긴공정 중 발생하는 최대 유효응력을 Table 10에 나타내었다. 해석결과 자긴압력의 값이 33.65 ~ 35.1MPa일 때(자긴도가 100%가 되기 전) 자긴압에 따른 최대 유효응력의 변화가 거의 없지만 35.1MPa 이후(자긴도 100% 이상)에서는 자긴압의 증가에 따라 라이너의 외부에 압축응력이 더욱 증가하여 최대유효응력이 증가하였다. 자긴압력 44.
- 11에 나타내었다. 해석결과, 축 방향 응력은 -1.84MPa ~ 0.0033MPa, 원주 방향 응력은 232.9MPa ~ 239.49MPa, 반경 방향 응력은 -4.49MPa ~ 0.0013MPa을 각각 나타내었다.
후속연구
- 5kg 감소, 복합재층은 97kg 감소)를 나타내었다. 경량화된 압력용기로 통하여 CNG 차량의 연비를 개선할 수 있으며 소재 절감의 효과를 가져올 것으로 사료된다.
- 46MPa)이 재료의 항복강도(840MPa)보다 낮은 응력수준을 나타내므로 파손이 일어나지 않는다고 판단된다. 또한, 이 결과를 통해 기존 모델의 라이너 두께가 과도하게 설계된 것을 확인할 수 있으며, 현무암 섬유를 이용한 복합재 압력용기의 설계 시 구조적 안전성 및 경량화를 위하여 라이너와 복합재층 각각의 두께에 대한 최적설계가 필요하다는 것을 알 수 있다.
- 본 논문에서 제시한 현무암 섬유를 이용한 복합재 압력용기 설계기법은 다양한 작동조건 및 목적을 가지는 복합재 압력용기의 연구에 널리 적용될 수 있을 것으로 사료된다.
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