[논문]공기호흡기용 Type3 용기의 자긴압력과 수명에 관한 연구

김광석; 이교민; 이재훈; 조성민

doi:10.5293/kfma.2016.19.3.053

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, experiments and finite element method analysis were used to determine the autofrettage pressure that is optimal and then maximizes the cycling life of Type3 composite cylinders used in self-contained breathing apparatus. For both approaches, the cylinders were pressurized at 100, 110,...

In this study, experiments and finite element method analysis were used to determine the autofrettage pressure that is optimal and then maximizes the cycling life of Type3 composite cylinders used in self-contained breathing apparatus. For both approaches, the cylinders were pressurized at 100, 110, ${\ldots}$, 290 % of the test pressure, respectively. The stresses were computed by the FEM analysis; while the strains of cylinders were recorded and the failure modes were monitored during the cycling test. As a result, from the good agreements between the simulations and experiments, it was concluded that at least 70 % of the test pressure should be applied as the autofrettage pressure in order to takes visible effect on the cycling life, and 160 % of the test pressure induces the maximum cycling life and the desired failure mode.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 상용 공기호흡기 용기의 자긴압력과 피로 수명 사이의 상관관계를 정량적으로 산출하기 위해 유한요소해석(FEM)과 수압반복가압시험(hydraulic ambient cycling test, 용기피로시험)을 실시하고, 그 결과를 비교분석하여 피로수명을 향상시키는 최소 자긴압력과 최대 피로수명을 유도하는 최적 자긴압력을 도출하고자 한다.

가설 설정

이는 가벼운 용기 무게와 함께 용기 내부 압력이 올라가면 파열보다 누출이 먼저 발생하는 장점을 가지고 있어 고압가스를 저장하는데 가장 이상적인 저장용기이다. 복합재 용기는 제조공정의 마지막에 라이너 항복강도 이상의 응력 발생을 유도하는 고압의 자긴공정을 거치며, 이때 외부 탄소섬유층의 탄성복원력에 의해 라이너에는 압축잔류응력(compressive residual stress)이 유도된다. 이후 실사용 환경에서의 라이너 응력 수준은 낮아지게 되며, 결과적으로 복합재 용기의 피로수명은 향상된다.
필라멘트 와인딩 구조의 이방성과 압력용기의 국부 응력분포를 정확히 예측하기 위해 3차원 고체요소 중 직교이방성 강성을 갖는 20절점(node)의 2차 변위 요소를 사용하였다. 알루미늄 재료는 탄성-완전소성을 가정한 구성 방정식을 적용하였다. 용기에 인가하는 자긴압력으로 내압(test pressure)의 100%, 110%, 120%, .

제안 방법

본 연구에 사용한 공기호흡기용 Type3 복합용기를 미국 규정인 DOT-CFFC에 명시된 조건에 따라 반복가압시험을 실시하였다. 시험압력은 0∼30 MPa이며, 분당 10회 이하의 주기로 누출이 발생될 때까지 가압-방출을 반복하였다.
알루미늄 재료는 탄성-완전소성을 가정한 구성 방정식을 적용하였다. 용기에 인가하는 자긴압력으로 내압(test pressure)의 100%, 110%, 120%, ..., 290%에 해당하는 압력을 사용하여, 각 경우에 대한 압축잔류응력과 최대변형률(maximum strain distribution)을 산출하였다.
응력해석결과는 자긴압력에 따른 축방향 압축잔류응력 및 최대변형률 변화의 특징을 바탕으로 세가지로 분류하였다. 먼저, 자긴압력이 내압의 100%에서 210%인 구간에서는 압축잔류응력과 최대변형률이 용기의 몸통부위에 집중됨을 알 수 있다(Fig.

대상 데이터

본 연구에 사용한 공기호흡기용 Type3 복합용기는 알루미늄 라이너(Al6061-T6)에 에폭시 수지에 함침한 탄소섬유(T700급)를 helical 및 hoop 방향으로 번갈아 감아 만들며, 사용압력 30 MPa, 내용적은 6.8 L이다(Fig. 1 참조).

이론/모형

인가한 자긴압력에서 최대변형률로부터 응력을 도출하고, 최종적으로 피로수명을 예측하는 데에는 재료 인장시험 및 피로시험을 통한 라이너의 응력-변형률(σ-ε) 선도와 변형률 진폭(strain amplitude), S-N 선도가 필요하다. 본 연구에서 수행한 인장시험 및 피로시험에서는 미국 교통국 관련규정인 DOT-CFFC(Basic requirements for fully wrapped carbon-fiber reinforced aluminum lined cylinders)에 명시된 규격에 의하여 시험편을 제작하였고, ASTM-E08에 명시된 절차를 준수하였다. 피로시험에 사용한 응력비는 0.
유한요소해석에는 ABAQUS를 사용하였으며, 가스와 맞닿는 라이너 부위에 대한 경계조건으로 균일한 압력 조건을 부여하였다. 필라멘트 와인딩 구조의 이방성과 압력용기의 국부 응력분포를 정확히 예측하기 위해 3차원 고체요소 중 직교이방성 강성을 갖는 20절점(node)의 2차 변위 요소를 사용하였다.

성능/효과

5(자긴압-수명 그래프)에 나타내었다. FE 해석에 의한 수명은 낮은 자긴압에서는 실험값보다 높게 해석되고, 높은 자긴압에서는 반대로 낮게 계산되었으나 오차의 범위는 15% 이내이다. 내압의 100%에서 160%까지 자긴압력의 증분에 따른 피로수명의 변화는 없었으나, 170%부터 피로수명의 증가가 시작되었다.
결과적으로, 내압의 170%에 해당하는 자긴압력은 피로수명을 향상시키는데 필요한 최소 자긴압력이며, 내압의 160%에 해당하는 자긴압력은 실린더 부위에 최대의 잔류응력과 돔 부위에 적절한 잔류응력을 발생시켜, 최대의 피로 수명과 돔 너클 부위의 바람직한 파열모드를 유도하는 최적의 자긴압력으로 판명되었다.
응력해석결과는 자긴압력에 따른 축방향 압축잔류응력 및 최대변형률 변화의 특징을 바탕으로 세가지로 분류하였다. 먼저, 자긴압력이 내압의 100%에서 210%인 구간에서는 압축잔류응력과 최대변형률이 용기의 몸통부위에 집중됨을 알 수 있다(Fig. 2 참조).
본 연구에서는 메탈 라이너를 포함하는 복합재료 압력용기의 자긴압력과 반복수명의 상관관계를 규명하기 위해 유한요소해석과 반복시험을 수행하였으며, 그 결과 내압의 170%의 자긴압력이 피로수명을 향상시키는데 필요한 최소 자긴압력이며, 내압의 260%의 자긴압력이 최대의 반복수명과 안전한 파열모드를 유도하는 최적의 자긴압력으로 판명되었다. 이에 따라, 본 논문에서 제시된 해석 및 시험결과는 향후 일반적인 복합재료 압력용기의 최적의 자긴압력을 설정하기 위한 가이드라인으로서 사용될 수 있을 것이다.
6 참조). 이로부터, 유한요소해석을 통해 예측된 내압의 170%에 해당하는 자긴압력은 피로수명을 향상시키는데 필요한 최소 자긴압력이며, 260%에 해당하는 자긴압력은 피로수명을 최대로 만드는 최적의 자긴압력임을 증명하였다.
2 참조). 자긴압력이 증가함에 따라 압축잔류응력이 집중되고 최대변형률이 발생하는 지점이 용기 몸통부위에서 바깥쪽으로 점점 이동하여 자긴압력이 내압의 220%에서 250%인 구간에서는 돔부위가 응력이 집중되고 변형도 많이 일어나는 것으로 나타났다(Fig. 3 참조).

후속연구

본 연구에서는 메탈 라이너를 포함하는 복합재료 압력용기의 자긴압력과 반복수명의 상관관계를 규명하기 위해 유한요소해석과 반복시험을 수행하였으며, 그 결과 내압의 170%의 자긴압력이 피로수명을 향상시키는데 필요한 최소 자긴압력이며, 내압의 260%의 자긴압력이 최대의 반복수명과 안전한 파열모드를 유도하는 최적의 자긴압력으로 판명되었다. 이에 따라, 본 논문에서 제시된 해석 및 시험결과는 향후 일반적인 복합재료 압력용기의 최적의 자긴압력을 설정하기 위한 가이드라인으로서 사용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메탈 라이너를 포함하는 복합재료 압력용기의 자긴압력과 반복수명의 상관관계를 규명하기 위해 유한요소해석과 반복시험을 수행한 결론은?	본 연구에서는 메탈 라이너를 포함하는 복합재료 압력용기의 자긴압력과 반복수명의 상관관계를 규명하기 위해 유한요소해석과 반복시험을 수행하였으며, 그 결과 내압의 170%의 자긴압력이 피로수명을 향상시키는데 필요한 최소 자긴압력이며, 내압의 260%의 자긴압력이 최대의 반복수명과 안전한 파열모드를 유도하는 최적의 자긴압력으로 판명되었다. 이에 따라, 본 논문에서 제시된 해석 및 시험결과는 향후 일반적인 복합재료 압력용기의 최적의 자긴압력을 설정하기 위한 가이드라인으로서 사용될 수 있을 것이다.
	공기호흡기에 사용하는 복합재 용기는 무엇인가?	공기호흡기에 사용하는 복합재 용기는 금속재 라이너 표면을 에폭시 수지를 함침시킨 탄소섬유로 완전히 덮도록 감아서 만든 압력용기이다. 이는 가벼운 용기 무게와 함께 용기 내부 압력이 올라가면 파열보다 누출이 먼저 발생하는 장점을 가지고 있어 고압가스를 저장하는데 가장 이상적인 저장용기이다.
	공기호흡기에 사용하는 복합재 용기의 장점은?	공기호흡기에 사용하는 복합재 용기는 금속재 라이너 표면을 에폭시 수지를 함침시킨 탄소섬유로 완전히 덮도록 감아서 만든 압력용기이다. 이는 가벼운 용기 무게와 함께 용기 내부 압력이 올라가면 파열보다 누출이 먼저 발생하는 장점을 가지고 있어 고압가스를 저장하는데 가장 이상적인 저장용기이다. 복합재 용기는 제조공정의 마지막에 라이너 항복강도 이상의 응력 발생을 유도하는 고압의 자긴공정을 거치며, 이때 외부 탄소섬유층의 탄성복원력에 의해 라이너에는 압축잔류응력(compressive residual stress)이 유도된다.

참고문헌 (7)

B. S. Kim, B. H. Kim, J. B. Kim, and C. R. Joe, 1997, "Study on the developing of composite CNG pressure vessels," ICCM-11, Int'l Conf. on Composite Materials, Gold Coast, Australia, pp. 401-418.
Rosata D. V. and Grove C. S., 1984, "Filament winding: its development, manufacture, application, and design," Interscience Publishers.
James D. E. and James A. Y., 1987, "Graphite epoxy pressure vessel dome reinforcement study," 32nd International SAMPE Symposium.
Sun X. K., Du S. Y., and Wang G. D., 1999, "Bursting problem of filament wound composite pressure vessels," International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol. 76, pp. 55-59.

상세보기
Mohammad Z. K., 2000, "Finite element analysis of composite pressure vessels with a load sharing metallic liner," Composite Structure, Vol. 49, pp. 247-255.

상세보기
Kwang T. K., Jung S. K., Doh Y. D., Cho W. M., and Jung B., 2000, "The Performance Improvement of Filament Wound Composite Pressure Vessels," SAMPE, pp. 1427-1438.
Park J. S., Jeung S. S., and Chung J. H., 2006, "Cycling life prediction method considering compressive residual stress on liner for the filament-wound composite cylinders with metal liner," The Korean Society for Composite Materials, Vol. 19, No. 1, pp. 22-28.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

공기호흡기용 Type3 용기의 자긴압력과 수명에 관한 연구
Study on the Autofrettage Pressure for SCBA Type3 Cylinder 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

공기호흡기용 Type3 용기의 자긴압력과 수명에 관한 연구 Study on the Autofrettage Pressure for SCBA Type3 Cylinder 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (7)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

김광석 (2) 이재훈 (5) 조성민 (14)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

공기호흡기용 Type3 용기의 자긴압력과 수명에 관한 연구
Study on the Autofrettage Pressure for SCBA Type3 Cylinder 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper