선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서 수행하는 유한요소해석의 목적은 실험에 앞서 국제 규격에서 제공하는 하중 조건 해석을 통해 FBG 센서를 삽입할 수소 압력용기의 취약점을 선정하는 것이다. 각 규격의 하중 조건을 부여하여 해석을 수행하기 위해 EIHPII[9]와 ISO 15869[10] 같은 연료전지 차량용 국제 규격을 참고하여 하중을 부여한 후 Type IV 수소 압력용기의 취약점을 선정하였다.
- FBG 센서의 경우 섬유방향을 따라 삽입하는 것이 일반적인 사용법이지만 압력용기와 같이 복잡한 패턴을 갖는 복합재료 구조물의 경우 섬유방향을 따라 삽입할 시 주변 플라이에 의해 왜란이 발생하여 센서의 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있다. 본 논문에서는 Kuang 등[11]의 선행 연구를 참고하여 FBG 센서의 비직교(Off-Axis)방향 삽입이 유효함을 확인하였으며, 실험적으로 유효성을 판단하고자 임의의 각도를 가지는 대칭적층판 인장 시편에 비직교 방향으로 FBG 센서 삽입 및 변형률 센서(Straingauge), 신장계(Extensometer)를 부착한 후 결과값을 비교하여 센서의 신뢰성을 확인하였다.
- 본 논문에서는 Type IV 수소 압력용기 시제품에 FBG 센서를 삽입하여 충격하중에 대한 용기의 구조 건전성 변화를 분석하였다. FBG 센서를 삽입할 위치를 선정하기 위하여 플라이 모델링 기법과 국부 좌표계 적용을 통하여 복합재료의 이방성 물성을 정확하게 구현한 해석을 수행하였다.
- 본 논문에서는 Type IV 수소 압력용기 시제품을 활용하여 실시간 모니터링을 수행하고자 FBG 센서를 삽입하여 해석적 및 실험적 연구를 수행하였다. 유한요소해석을 통하여 센서를 삽입할 특정 포인트를 선정하였으며, 해석과 실험 결과 비교를 통하여 교차 검증을 하는 등 실험과 해석의 신뢰성을 확보하여 이를 통해 구조물의 실시간 모니터링 방식을 제안하였다.
- 이 후 라이너는 복합재료의 와인딩된 섬유의 장력으로 결속된 상대 운동을 하는 상태이기 때문에 선행연구자들이 사용한 완전 접착상태와는 차이가 있다. 본 논문에서는 라이너의 외면과 복합재료의 내면에 상대 거동을 모사할 수 있도록 접촉 조건을 부여하여 해석을 수행하였다. 해석 시간의 단축을 얻고자 전체 용기의 절반만 모델링을 수행하였으며, 전체 용기해석과 동일한 해석 결과를 얻고자 면대칭 경계조건을 부여하여 해석을 수행하였다
제안 방법
- 본 논문에서는 Type IV 수소 압력용기 시제품에 FBG 센서를 삽입하여 충격하중에 대한 용기의 구조 건전성 변화를 분석하였다. FBG 센서를 삽입할 위치를 선정하기 위하여 플라이 모델링 기법과 국부 좌표계 적용을 통하여 복합재료의 이방성 물성을 정확하게 구현한 해석을 수행하였다. 해석을 통해 실린더 부, 실린더와 돔의 연결부, 돔 부, 총세 개의 취약부를 선정하였으며, 취약부는 모두 헬리컬과 고 헬리컬 와인딩에 속한 복합재료부인 것을 확인하였다.
- Type IV 수소 압력용기 시제품의 제작은 관련 업체의 필라멘트 와인딩 기기를 활용하여 제작을 수행하였다. 제작을 수행하기에 앞서 FBG 센서의 신뢰성을 확인하고자 시편실험을 수행하였다.
- 시제품 제작 및 센서 삽입 후 Type IV 수소 압력용기의 가압 실험을 진행하였다. 가압 실업에는 유압을 이용하였으며, 사용압력을 부여할 수 있도록 가압 조건은 0~22 MPa로 설정하였다. 실험 도중 폭발할 위험성을 갖고 있기 때문에 수소 압력용기는 1차로 세라믹 파이프에 삽입하였고 2차로 폭발 탱크(Explosion tank)에 넣어 안전성을 확보하여 실험을 수행하였다.
- 가압실험을 수행한 후 동일한 용기를 이용하여 ISO 15869에서 제시하는 진자형(Pendulum type) 충격실험을 반복하여 수행하였다. 충격 시험은 75 J의 에너지량을 가할 수 있는 높이로 진자의 높이를 조정하여 충격을 부가한 후 1000사이클 동안 피로 실험을 수행하는 순서로 진행하였으며, 충격은 총 4회를 부가하였다.
- 본 논문에서 수행하는 유한요소해석의 목적은 실험에 앞서 국제 규격에서 제공하는 하중 조건 해석을 통해 FBG 센서를 삽입할 수소 압력용기의 취약점을 선정하는 것이다. 각 규격의 하중 조건을 부여하여 해석을 수행하기 위해 EIHPII[9]와 ISO 15869[10] 같은 연료전지 차량용 국제 규격을 참고하여 하중을 부여한 후 Type IV 수소 압력용기의 취약점을 선정하였다. 본 해석에 사용한 내압 조건은 Fig.
- 복합재료의 두께가 얇은 적층판의 경우에는 고전 적층판 이론을 이용하여 적층판 물성을 쉽게 계산하여 사용할 수 있으나 수소 압력용기와 같이 복합재료가 두꺼운 모델의 경우 두께 방향의 영향으로 고전 적층판 이론을 이용한 경우 정확한 응력 분포를 얻을 수 없다. 따라서 복합재료의 이방성 물성을 정확하게 구현하고자 요소별 국부 좌표계를 활용하였으며, ABAQUS 내에서 제공하는 Composite Lay-up 기능을 활용하여 각 플라이별 모델링을 수행하였다. 라이너와 복합재료 각 파트에 사용된 요소는 117,936개, 241,380개이고, 절점 수는 197,280개, 370,008개이다.
- 유한요소해석을 통하여 센서를 삽입할 특정 포인트를 선정하였으며, 해석과 실험 결과 비교를 통하여 교차 검증을 하는 등 실험과 해석의 신뢰성을 확보하여 이를 통해 구조물의 실시간 모니터링 방식을 제안하였다. 또한 가압 피로실험과 충격실험을 수회 수행하여 수소 압력용기의 구조적 변화를 실시간으로 분석하였으며, 분석된 결과를 통해 수소 압력용기의 건전성을 평가하는 연구를 수행하였다.
- 복합재료 특성상 ±θ로 밸런스 적층구조를 가져야 구조물의 구조적 안전성이 유지되기 때문에 본 연구 역시 와인딩 각도가 밸런스 형태를 갖도록 설정하였다.
- 5) 압력에서 파괴지수(Failure index)에 매우 근접함을 확인할 수 있다. 본 논문의 유한요소해석에서는 재료의 파손을 반영하지 못하기 때문에 극한 시험보다 큰 내압 해석의 결과 대신 사용압력(Service pressure)과 충전 사이클 압력(Filling cycle pressure) 해석결과를 활용하여 FBG 센서를 삽입 할 수소 압력용기의 취약점을 선정하였다. 총 세 곳의 취약부를 선정하였으며, 모든 취약부는 헬리컬(Helical), 고 헬리컬(High helical) 와인딩 패턴에 속해있다.
- 해석을 통해 실린더 부, 실린더와 돔의 연결부, 돔 부, 총세 개의 취약부를 선정하였으며, 취약부는 모두 헬리컬과 고 헬리컬 와인딩에 속한 복합재료부인 것을 확인하였다. 선정된 취약부에 센서를 삽입하기에 앞서 참고문헌 조사와 FBG 센서 및 변형률 게이지와 신장계를 동시에 부착한실제 시편실험을 통해 FBG 센서를 비직교 방향으로 삽입 시 FBG 센서의 측정 신뢰성을 확인하였다. 필라멘트 와인딩 특성상 ±θ로 와인딩이 수행되기 때문에 이 후 실제 용기에도 동일한 방식으로 해당 와인딩 층의 비직교 방향으로 삽입을 수행하였다.
- 유한요소해석에서 얻은 센서삽입 위치에 정확하게 FBG 센서를 삽입하고자 와인딩 공정 진행 중에 삽입을 수행하였다. 세 곳의 위치에 각 두 개의 센서를 삽입하여 총 여섯 개의 FBG 센서를 삽입하였으며, 용기의 축대칭 특성을 활용하여 동일한 위상의 반대편위치에 센서를 나누어 삽입하였다. 총 여섯 개의 센서를 삽입하여 실험을 수행할 예정이었으나 경화과정 중 2번 포인트에서 두 개 센서의 손실과 충격 가압 실험 후 한 개 센서의 파손이 발생하여 결과적으로 1번 포인트에 한 개, 3번 포인트에 두 개, 총 세 개의 센서가 완성품에서 작동하였다.
- 10-1을 활용하였다. 수소 압력용기를 라이너 부분과 복합재료 파트로 따로 모델링을 하였으며, 8절점 3차원 사각요소(C3D8R)를 활용하여 메시를 형성하여 전처리 작업을 수행하였다. 복합재료의 두께가 얇은 적층판의 경우에는 고전 적층판 이론을 이용하여 적층판 물성을 쉽게 계산하여 사용할 수 있으나 수소 압력용기와 같이 복합재료가 두꺼운 모델의 경우 두께 방향의 영향으로 고전 적층판 이론을 이용한 경우 정확한 응력 분포를 얻을 수 없다.
- 시제품 제작 및 센서 삽입 후 Type IV 수소 압력용기의 가압 실험을 진행하였다. 가압 실업에는 유압을 이용하였으며, 사용압력을 부여할 수 있도록 가압 조건은 0~22 MPa로 설정하였다.
- 가압 실업에는 유압을 이용하였으며, 사용압력을 부여할 수 있도록 가압 조건은 0~22 MPa로 설정하였다. 실험 도중 폭발할 위험성을 갖고 있기 때문에 수소 압력용기는 1차로 세라믹 파이프에 삽입하였고 2차로 폭발 탱크(Explosion tank)에 넣어 안전성을 확보하여 실험을 수행하였다. 제작된 용기의 안전성을 확보하고자 초기 200 사이클의 피로 시험을 수행한 이후 1000 사이클 동안 가압 실험의 데이터를 확보하였다.
- 이 후 수소 압력용기 시제품 제작 공정에서 FBG 센서를 비직교 방향으로 삽입하였다. 유한요소해석에서 얻은 센서삽입 위치에 정확하게 FBG 센서를 삽입하고자 와인딩 공정 진행 중에 삽입을 수행하였다. 세 곳의 위치에 각 두 개의 센서를 삽입하여 총 여섯 개의 FBG 센서를 삽입하였으며, 용기의 축대칭 특성을 활용하여 동일한 위상의 반대편위치에 센서를 나누어 삽입하였다.
- 본 논문에서는 Type IV 수소 압력용기 시제품을 활용하여 실시간 모니터링을 수행하고자 FBG 센서를 삽입하여 해석적 및 실험적 연구를 수행하였다. 유한요소해석을 통하여 센서를 삽입할 특정 포인트를 선정하였으며, 해석과 실험 결과 비교를 통하여 교차 검증을 하는 등 실험과 해석의 신뢰성을 확보하여 이를 통해 구조물의 실시간 모니터링 방식을 제안하였다. 또한 가압 피로실험과 충격실험을 수회 수행하여 수소 압력용기의 구조적 변화를 실시간으로 분석하였으며, 분석된 결과를 통해 수소 압력용기의 건전성을 평가하는 연구를 수행하였다.
- Type IV 수소 압력용기 시제품의 제작은 관련 업체의 필라멘트 와인딩 기기를 활용하여 제작을 수행하였다. 제작을 수행하기에 앞서 FBG 센서의 신뢰성을 확인하고자 시편실험을 수행하였다. FBG 센서의 경우 섬유방향을 따라 삽입하는 것이 일반적인 사용법이지만 압력용기와 같이 복잡한 패턴을 갖는 복합재료 구조물의 경우 섬유방향을 따라 삽입할 시 주변 플라이에 의해 왜란이 발생하여 센서의 신뢰성에 문제를 일으킬 수 있다.
- 세 곳의 위치에 각 두 개의 센서를 삽입하여 총 여섯 개의 FBG 센서를 삽입하였으며, 용기의 축대칭 특성을 활용하여 동일한 위상의 반대편위치에 센서를 나누어 삽입하였다. 총 여섯 개의 센서를 삽입하여 실험을 수행할 예정이었으나 경화과정 중 2번 포인트에서 두 개 센서의 손실과 충격 가압 실험 후 한 개 센서의 파손이 발생하여 결과적으로 1번 포인트에 한 개, 3번 포인트에 두 개, 총 세 개의 센서가 완성품에서 작동하였다.
- 가압실험을 수행한 후 동일한 용기를 이용하여 ISO 15869에서 제시하는 진자형(Pendulum type) 충격실험을 반복하여 수행하였다. 충격 시험은 75 J의 에너지량을 가할 수 있는 높이로 진자의 높이를 조정하여 충격을 부가한 후 1000사이클 동안 피로 실험을 수행하는 순서로 진행하였으며, 충격은 총 4회를 부가하였다. 실험 진행 절차는 Fig.
- 필라멘트 와인딩 특성상 ±θ로 와인딩이 수행되기 때문에 이 후 실제 용기에도 동일한 방식으로 해당 와인딩 층의 비직교 방향으로 삽입을 수행하였다.
- 본 논문에서는 라이너의 외면과 복합재료의 내면에 상대 거동을 모사할 수 있도록 접촉 조건을 부여하여 해석을 수행하였다. 해석 시간의 단축을 얻고자 전체 용기의 절반만 모델링을 수행하였으며, 전체 용기해석과 동일한 해석 결과를 얻고자 면대칭 경계조건을 부여하여 해석을 수행하였다
대상 데이터
- Type IV 시제품 수소 압력용기는 총 32 플라이로 구성되어 있으며, 와인딩 각도와 패턴은 업체에서 제공한 정보를 활용하였다. 와인딩 각도는 7.
- 수소 압력용기는 크게 두 부분으로 구성되며, 탄소섬유 복합재료가 와인딩 되는 틀 역할을 하는 라이너와 탄소섬유 복합재료 층으로 나뉜다. 라이너는 압력용기의 피로 수명을 충족시키기 위하여 고밀도 폴리머(HDPE)로 제작되며, 충전 부분에서의 기밀성을 유지하고자 포트 및 노브 부분은 알루미늄(Al6061-T6)을 이용하였다. 복합재료는 탄소섬유/에폭시(T700/epoxy)를 사용하였으며, 해석에 활용한 각 재료의 물성은Table 1에 정리하였다.
- 따라서 복합재료의 이방성 물성을 정확하게 구현하고자 요소별 국부 좌표계를 활용하였으며, ABAQUS 내에서 제공하는 Composite Lay-up 기능을 활용하여 각 플라이별 모델링을 수행하였다. 라이너와 복합재료 각 파트에 사용된 요소는 117,936개, 241,380개이고, 절점 수는 197,280개, 370,008개이다. 수소 압력용기의 유한요소 모델의 전체적 형상은 Fig.
- 라이너는 압력용기의 피로 수명을 충족시키기 위하여 고밀도 폴리머(HDPE)로 제작되며, 충전 부분에서의 기밀성을 유지하고자 포트 및 노브 부분은 알루미늄(Al6061-T6)을 이용하였다. 복합재료는 탄소섬유/에폭시(T700/epoxy)를 사용하였으며, 해석에 활용한 각 재료의 물성은Table 1에 정리하였다.
- 본 논문의 연구 대상은 Type IV 복합재료 수소 압력용기 시제품이며, 100 L 체적 및 20.7 MPa 급이다. 수소 압력용기는 크게 두 부분으로 구성되며, 탄소섬유 복합재료가 와인딩 되는 틀 역할을 하는 라이너와 탄소섬유 복합재료 층으로 나뉜다.
- 실험 도중 폭발할 위험성을 갖고 있기 때문에 수소 압력용기는 1차로 세라믹 파이프에 삽입하였고 2차로 폭발 탱크(Explosion tank)에 넣어 안전성을 확보하여 실험을 수행하였다. 제작된 용기의 안전성을 확보하고자 초기 200 사이클의 피로 시험을 수행한 이후 1000 사이클 동안 가압 실험의 데이터를 확보하였다.
- 본 논문의 유한요소해석에서는 재료의 파손을 반영하지 못하기 때문에 극한 시험보다 큰 내압 해석의 결과 대신 사용압력(Service pressure)과 충전 사이클 압력(Filling cycle pressure) 해석결과를 활용하여 FBG 센서를 삽입 할 수소 압력용기의 취약점을 선정하였다. 총 세 곳의 취약부를 선정하였으며, 모든 취약부는 헬리컬(Helical), 고 헬리컬(High helical) 와인딩 패턴에 속해있다. 센서 삽입부로 선정된 세 취약부의 응력값은 거의 유사하였다(Fig.
- FBG 센서를 삽입할 위치를 선정하기 위하여 플라이 모델링 기법과 국부 좌표계 적용을 통하여 복합재료의 이방성 물성을 정확하게 구현한 해석을 수행하였다. 해석을 통해 실린더 부, 실린더와 돔의 연결부, 돔 부, 총세 개의 취약부를 선정하였으며, 취약부는 모두 헬리컬과 고 헬리컬 와인딩에 속한 복합재료부인 것을 확인하였다. 선정된 취약부에 센서를 삽입하기에 앞서 참고문헌 조사와 FBG 센서 및 변형률 게이지와 신장계를 동시에 부착한실제 시편실험을 통해 FBG 센서를 비직교 방향으로 삽입 시 FBG 센서의 측정 신뢰성을 확인하였다.
- 해석을 통해 최대 응력이 걸리는 플라이는 섬유방향과 섬유 직교방향으로 각각 7.3°와 11.1°로 와인딩 된 헬리컬(Helical) 플라이였다.
데이터처리
- 돔 부분에서 발생하는 변형률 값의 차이는 센서 장착 과정에서 발생한 오류에 의한 것으로 판단된다. 돔 부분에서의 변형률은 실린더 부분의 변형률보다 일반적으로 크며, 이를 해석 결과와 비교하였다. FBG 센서의 경우 센서의 삽입 방향으로 변형률을 측정하기 때문에 섬유방향, 섬유 직교방향의 변형률을 확인하기 위해 식 (1)의 변형률 변환행렬을 이용해 실험값을 섬유방향 변형률 값으로 변환하였다[12].
이론/모형
- 복합재료 특성상 ±θ로 밸런스 적층구조를 가져야 구조물의 구조적 안전성이 유지되기 때문에 본 연구 역시 와인딩 각도가 밸런스 형태를 갖도록 설정하였다. 유한요소해석을 수행하기 위하여 상용유한요소 소프트웨어인 ABAQUS 6.10-1을 활용하였다. 수소 압력용기를 라이너 부분과 복합재료 파트로 따로 모델링을 하였으며, 8절점 3차원 사각요소(C3D8R)를 활용하여 메시를 형성하여 전처리 작업을 수행하였다.
성능/효과
- FBG 센서 삽입부에서의 결과는 실험과 해석이 동일한 경향을 보였으며, 원주방향(Hoop direction)의 적층 패턴이 없어 적층판 강성이 실린더 부분에 비해 약한 돔 부분에서 변형률이 크게 발생하는 경향을 보였다(Fig. 8).
- 충격 가압 실험에서는 충격 횟수가 증가할수록 수소 압력용기의 충전시간이 증가 하였으며, 이는 충격 하중으로 인한 구조 건전성 저하에 의한 결과로 분석된다. 각 충격실험에서의 피로 실험 데이터 중 무작위로 결과를 추출하여 충전률을 분석한 결과 전체적으로 감소하는 경향이 보임을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 용기에 이상이 발생함을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구결과는 수소압력용기의 구조물 건전성 모니터링에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- 4 sec로 충전 시간이 증가하였다. 각 피로실험 마다 충전률(Filling gradient)을 분석한 결과 전체적으로 충전률이 감소하는 경향을 보였으며, 이러한 결과는 FBG 센서 삽입부인 Point 1과 Point 3에서 모두 동일하게 나타났다. 충격하중으로 발생한 손상에 의해 구조물의 전체적인 구조 강성의 저하가 발생하여 변형량에 변화가 발생하고 이로 인해 가압 목표인 22 MPa에 도달하는 시간이 증가한 것으로 분석된다(Fig.
- 총 4회의 충격 실험을 수행하면서 용기의 건전성을 분석한 결과 충격실험의 횟수에 따라 용기의 충전시간이 증가하는 것을 확인하였다. 각각 1000 사이클의 피로 실험 데이터 중 무작위로 1 사이클을 추출하여 충전시간을 비교한 결과 충격이 없는 경우 용기의 충전시간은 8.8 sec이며, 1회와2회의 충격이 가해진 용기의 충전 시간은 0.2 sec 증가한 9 sec로 변화하였고 3회와 4회의 충격이 가해진 경우 기존에 비해 0.6 sec가 증가한 9.4 sec로 충전 시간이 증가하였다. 각 피로실험 마다 충전률(Filling gradient)을 분석한 결과 전체적으로 충전률이 감소하는 경향을 보였으며, 이러한 결과는 FBG 센서 삽입부인 Point 1과 Point 3에서 모두 동일하게 나타났다.
- 필라멘트 와인딩 특성상 ±θ로 와인딩이 수행되기 때문에 이 후 실제 용기에도 동일한 방식으로 해당 와인딩 층의 비직교 방향으로 삽입을 수행하였다. 센서 삽입 후 실험을 수행한 결과 비충격 가압 실험에서 변형률 경향은 해석과 동일한 거동을 보였다. 충격 가압 실험에서는 충격 횟수가 증가할수록 수소 압력용기의 충전시간이 증가 하였으며, 이는 충격 하중으로 인한 구조 건전성 저하에 의한 결과로 분석된다.
- 실험결과 FBG 센서가 삽입된 각 포인트에서의 변형률 측정값은 각각 동일한 경향과 유사한 크기가 나타남을 확인할 수 있었다. 돔 부분에서 발생하는 변형률 값의 차이는 센서 장착 과정에서 발생한 오류에 의한 것으로 판단된다.
- 총 4회의 충격 실험을 수행하면서 용기의 건전성을 분석한 결과 충격실험의 횟수에 따라 용기의 충전시간이 증가하는 것을 확인하였다. 각각 1000 사이클의 피로 실험 데이터 중 무작위로 1 사이클을 추출하여 충전시간을 비교한 결과 충격이 없는 경우 용기의 충전시간은 8.
- 센서 삽입 후 실험을 수행한 결과 비충격 가압 실험에서 변형률 경향은 해석과 동일한 거동을 보였다. 충격 가압 실험에서는 충격 횟수가 증가할수록 수소 압력용기의 충전시간이 증가 하였으며, 이는 충격 하중으로 인한 구조 건전성 저하에 의한 결과로 분석된다. 각 충격실험에서의 피로 실험 데이터 중 무작위로 결과를 추출하여 충전률을 분석한 결과 전체적으로 감소하는 경향이 보임을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 용기에 이상이 발생함을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 각 충격실험에서의 피로 실험 데이터 중 무작위로 결과를 추출하여 충전률을 분석한 결과 전체적으로 감소하는 경향이 보임을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 용기에 이상이 발생함을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 본 연구결과는 수소압력용기의 구조물 건전성 모니터링에 유용하게 활용할 수 있을 것으로 판단된다.
- Han 등[7]은 압력용기 규정에서 제공하는 낙하시험 조건에서의 충격해석을 수행하여 수소 압력용기의 복합재료 파손 정도를 분석하였다. 이 외에 차량에 활용되는 수소 압력용기의 경우 저속 및 고속 충격 조건에 노출될 확률도 높으며, 이때 구조물의 건전성을 평가하여 재사용 여부를 판단하는 것이 안전성에 직결되기 때문에 해당 구조물의 구조 건전성을 파악하는 연구도 필요하다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.