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열전도도 향상을 위한 직물섬유 복합재의 최적구조 설계
Structural Optimization for Improvement of Thermal Conductivity of Woven Fabric Composites 원문보기

Composites research = 복합재료, v.30 no.1, 2017년, pp.26 - 34  

김명수 (Department of Mechanical Design Engineering, Youngsan University) ,  성대한 (Department of Mechanical Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology) ,  박영빈 (Department of Mechanical Engineering, UNIST) ,  박기원 (Department of Smart Automobile Engineering, Youngsan University)

초록
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본 연구에서는 직물섬유 복합재의 열전도를 구하는데 있어 기존의 연구보다 개선된 방법을 제시하고, 직물섬유의 기하학적 구조가 복합재의 열전도도 향상에 미치는 영향, 그리고 유전 알고리즘(Genetic algorithm)을 이용하여 복합재의 열전도도 향상을 위한 최적구조 설계에 관한 연구를 하였다. 직물섬유의 구조를 토우의 물결무늬와 너비 및 두께를 이용하여 구현하였고, 열전도도는 열전기유사법(Thermal-electrical analogy)을 이용하여 구하였다. 유전 알고리즘에서 염색체 문자열은 fill과 warp tow의 두께와 너비로 하였고 복합재의 열전도도를 향상 시키는 방향으로 목적함수를 정하였다. 연구결과 직물섬유 복합재의 열전도도를 예측을 위한 향상된 방법이 제시되었고, 섬유토우 사이의 간격(inter-tow gap)이 넓어 질수록 복합재의 열전도도가 감소하는 것으로 나타났다. 직물섬유 복합재의 구조 최적화에서는 이론적 수치해석 결과가 제시되었는데, 전체적으로 섬유토우(tow)의 축의 수직방향보다는 축 방향의 열전도도 성분이 복합재의 전체 열전도도 향상에 크게 기여를 하는 것으로 나타났다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This research presents studies on an improved method to predict the thermal conductivity of woven fabric composites, the effects of geometric structures of woven fabric composites on thermal conductivity, and structural optimization to improve the thermal conductivity using a genetic algorithm. The ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 직물섬유 복합재의 열전도도를 예측을 위해 개념적으로 간단하고 실제 직물섬유 복합재와 유사한 형상을 이용한, 보다 개선된 열전도도 예측 방법을 제시하고자 한다. 그리고 직물섬유의 형상이 복합재의 열전도도에 미치는 영향을 연구하고, 복합재의 열전도도 향상을 위해 유전 알고리즘을 이용하여 직물섬유의 형상을 최적 설계하는 연구를 수행하였다.
  • 본 연구는 직물섬유 복합재의 열전도도 예측을 위한 모델링과 최적구조 설계로 이루어져 있다. 이를 위해 세 가지의 이론적 배경이 이용되었는데, (1) 직물섬유의 기하학적 구조 모델링, (2) 열전도도 예측, (3) 구조 최적화이다.
  • 본 연구에서는 직물섬유 복합재의 열전도도를 예측을 위한 모델에서 기존의 모델보다 간단하고 실제 직물섬유 복합재와 유사한, 개선된 방법을 제시하였고, 섬유부피비와 토우간의 간격(inter-tow gap)이 직물섬유의 열전도도에 미치는 영향을 연구하였다. 아울러 유전 알고리즘을 사용하여 열전도도 향상을 위한 구조 최적화를 실시하였다.
  • 최근까지 직물섬유 복합재의 열전도도 예측을 위한 수치모델에 관한 연구가 있었으나, 모델이 다소 복잡하거나 혹은 실제 직물섬유구조와 상이한 경우가 많았다. 본 연구에서는 직물섬유 복합재의 열전도도를 예측을 위해 개념적으로 간단하고 실제 직물섬유 복합재와 유사한 형상을 이용한, 보다 개선된 열전도도 예측 방법을 제시하고자 한다. 그리고 직물섬유의 형상이 복합재의 열전도도에 미치는 영향을 연구하고, 복합재의 열전도도 향상을 위해 유전 알고리즘을 이용하여 직물섬유의 형상을 최적 설계하는 연구를 수행하였다.

가설 설정

  • 직물섬유는 가장 작은 크기의 단위구조(unit cell)의 연속적인 반복으로 이루어져 있다. 그러므로 단위구조의 물성이 직물섬유 전체의 물성을 대표한다고 가정할 수 있다. 직물섬유의 기본적인 구조는 평직(plain woven fabric)이고 본 연구에서 평직을 기준으로 연구를 진행하였다.
  • 모델링에서 섬유와 기지 사이의 계면접착(interfacial bonding)은 완전한 것으로 가정하였다. 그리고 직육면체 모양의 단위구조(unit cell)에서 열이 흐르는 방향과 수직하지 않은 면들은 열흐름이 없는 것(단열)으로 가정하였다(Fig. 2와 3 참조).
  • 10)에서는 여러 간격이 설정되었다. 모델링에서 섬유와 기지 사이의 계면접착(interfacial bonding)은 완전한 것으로 가정하였다. 그리고 직육면체 모양의 단위구조(unit cell)에서 열이 흐르는 방향과 수직하지 않은 면들은 열흐름이 없는 것(단열)으로 가정하였다(Fig.
  • 는 토우내의 섬유부피비를 의미한다. 본 연구에서는 fill과 warp 토우 내의 섬유부피비는 같다고 가정하였다.
  • 여기서 fill 방향의 간격(gap)과 warp 방향의 간격(gap)은 같다고 가정하였고, 토우내의 섬유부피비(νffw)는 0.5로 가정하였다.
  • 는 각각 열이 흐르는 방향으로 i요소의 길이, i 요소의 열전도도, 열이 흐르는 방향과 수직한 i 요소의 단면을 나타낸다. 열이 흐르는 방향과 수직하지 않은 다른 면들은 단열 상태에 있는 것으로 가정한다. 그리고 열저항의 직렬(series)과 병렬(parallel)의 경우의 전체 열저항은 식 (14)와 (15)를 이용하여 구할 수 있다(Fig.
  • 유전 알고리즘을 이용한 최적구조 설계 과정에서 복합재의 전체 섬유부피비 νf는 0.4로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
복합재 관련 유전 알고리즘의 사용 예시는 무엇이 있는가? 최적구조를 탐색하는 방법으로 유전 알고리즘이 자주 사용되는데, 유전 알고리즘은 자연세계의 진화 현상에 기초한 계산 모델로서 John Holland에 의해 1975년에 개발된 전역적인 최적화 알고리즘이다[7]. 유전 알고리즘은 복합재료의 최적화에도 다양하게 응용되며 사용되었는데, 복합재의 기계적 물성향상을 위한 최적적층구조를 탐색하는 연구에 유전 알고리즘이 사용된 예가 있다[8,9]. 또한 마이크로 유전 알고리즘을 사용하여 필라멘트 와인딩 복합재 원통의 최적설계를 수행하는 연구도 있었다[10].
유전 알고리즘은 무엇인가? 섬유강화 복합재료는 섬유의 방향에 따라 복합재의 물성이 달라지는 이방성으로 인해 물성향상을 위한 최적구조 설계에 관한 연구도 진행되어왔다. 최적구조를 탐색하는 방법으로 유전 알고리즘이 자주 사용되는데, 유전 알고리즘은 자연세계의 진화 현상에 기초한 계산 모델로서 John Holland에 의해 1975년에 개발된 전역적인 최적화 알고리즘이다[7]. 유전 알고리즘은 복합재료의 최적화에도 다양하게 응용되며 사용되었는데, 복합재의 기계적 물성향상을 위한 최적적층구조를 탐색하는 연구에 유전 알고리즘이 사용된 예가 있다[8,9].
본 연구에서 직물섬유 복합재의 열전도르 예측하기 위해 사용한 세 가지 이론적 배경은 무엇인가? 본 연구는 직물섬유 복합재의 열전도도 예측을 위한 모델링과 최적구조 설계로 이루어져 있다. 이를 위해 세 가지의 이론적 배경이 이용되었는데, (1) 직물섬유의 기하학적 구조 모델링, (2) 열전도도 예측, (3) 구조 최적화이다. 먼저 직물섬유의 기하학적 구조 모델링은 Scida와 그의 동료들이 제시한 모델[11,12]을 사용하였다.
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참고문헌 (14)

  1. Villiere, M., Lecointe, D., Sobotka, V., Boyard, N., and Delaunay, D., "Experimental Determination and Modeling of Thermal Conductivity Tensor of Carbon/epoxy Composite," Composites: Part A, Vol. 46, 2013, pp. 60-68. 

  2. Dasgupta, A., and Agarwal, R.K., "Orthotropic Thermal Conductivity of Plain-Weave Fabric Composites Using a Homogenization Technique," Journal of Composite Materials, Vol. 26, No. 18, 1992, pp. 2736-2758. 

  3. Dasgupta, A., Agarwal, R.K., and Bhandarkar, S.M., "Three-Dimensional Modeling of Woven-Fabric Composites for Effective Thermo-Mechanical and Thermal Properties," Composites Science and Technology, Vol. 56, 1996, pp. 209-223. 

  4. Ning, Q.G., and Chou, T.W., "Closed-form Solutions of the Inplane Effective Thermal Conductivities of Woven-Fabric Composites," Composites Science and Technology, Vol. 55, 1995, pp. 41-48. 

  5. Ning, Q.G., and Chou, T.W., "A General Analytical Model for Predicting the Transverse Effective Thermal Conductivities of Woven Fabric Composites," Composites Part A, Vol. 29A, 1998, pp. 315-322. 

  6. Seo, B.H., Cho, Y.J., Youn J.R., Chung, K., Kang, T.J., and Park, J.K., "Model for Thermal Conductivities in Spun Yarn Carbon Fabric Composites," Polymer Composites, 2005, pp. 791-798. 

  7. Goldberg, D.E., Genetic Algorithms in Search, Optimization & Machine Learning, Addison Wesley Pub. Co., Reading, Massachusetts, USA, 1989. 

  8. Le-Manh, T., and Lee, J., "Stacking Sequence Optimization for maximum strengths of laminated composite plates using genetic algorithm and isogeometric analysis," Composite Structures, Vol. 116, 2014, pp 357-363. 

  9. Kim, D.H., and Lee, I., "Static Aeroelastic Optimization of a Composite Using Genetic Algorithm," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 13, No 2, 2000, pp. 61-71. 

  10. Moon, C.J, Kweon, J.H., and Choi, J.H., "Optimal Design of Filament Wound Composite Cylinders under External Hydrostatic Pressure using a Micro-Genetic Algorithm," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 23, No. 4, 2010, pp. 14-20. 

  11. Scida, D., Aoura, Z., Benzeggagh, M.L., and Bocherens, E., "Prediction of the Elastic Behaviour of Hybrid and Non-hybrid Woven Composites," Composites Science and Technology, Vol. 57, 1997, pp. 1727-1740. 

  12. Scida, D., Aboura, Z., Benzeggagh, M.L., and Bocherens, E., "A Micromechanics Model for 3D Elasticity and Failure of Wovenfibre Composite Materials," Composites Science and Technology, Vol. 59, 1999, pp. 505-517. 

  13. Kim, M., and Song, J.I., "Geometry Effect on Mechnical Properties of Woven Fabric Composites," Journal of Central South University of Technology, Vol. 18, 2011, pp. 1985-1993. 

  14. Barbero, E.J., Introduction to Composite Materials Design, Taylor & Francis Group, New York, NY, USA, 1999. 

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