[논문]스패어 타이어 웰 부에 설치되는 Type 4 복합재료 압력용기 설계 및 구조해석

임태훈; 변종익; 조민식; 김한상

doi:10.7316/khnes.2018.29.6.570

스패어 타이어 웰 부에 설치되는 Type 4 복합재료 압력용기 설계 및 구조해석
Design and Structural Analysis of Type 4 Composite Pressure Vessel Fitted in Spare Tire Well 원문보기

한국수소 및 신에너지학회 논문집 = Transactions of the Korean Hydrogen and New Energy Society, v.29 no.6, 2018년, pp.570 - 577

임태훈 (가천대학교 대학원) , 변종익 (가천대학교 대학원) , 조민식 ((주)대흥정공) , 김한상 (가천대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Composite pressure vessels made through filament winding are widely used in various fields. Numerous studies regarding composite pressure vessels have been conducted in the automotive industry to improve the space efficiency of trunks as well as the fuel efficiency. Compared with steel liquefied petroleum gas (LPG) vessels used in the conventional LPG vehicles, the use of type 4 composite pressure vessels has advantages in terms of reduction of the weight of vehicles. This study focused on development of type 4 composite pressure vessels that can be installed in the spare tire well. Those type 4 composite pressure vessels are designed with torispherical dome shapes instead of geodecis dome shapes because of the space limitation. To reduce deformation due to the stresses in the axial direction of the vessels, thereby securing the safety of the container, the reinforcing bar concept was applied. A structural analysis software, ABAQUS, confirmed the effect of the reinforcing bar on the axial deformation through the type 4 composite pressure vessel. As a result, the final winding angle of the composite layer was analyzed by applying $26^{\circ}/28^{\circ}/26^{\circ}/28^{\circ}/26^{\circ}/88^{\circ}$ The tensile stress was 939.2 MPa and the compressive stress was 249.3 MPa.

주제어

표/그림 (15)

그림 Fig. 1. Design dome shape
표 Table 1. Material properties of PA6 (Akulon K-X07476)
그림 Fig. 2. Liner with aluminum boss
그림 Fig. 3. Netting theory for (a) helical, (b) hoop
표 Table 2. Material properties of Al. 6061
그림 Fig. 4. Composite part consisting of 6 layers
그림 Fig. 5. LPG composite pressure vessel
표 Table 3. Material properties of glass/epoxy⁶⁾
그림 Fig. 6. Composite pressure vessel with internal pressure and constraint
그림 Fig. 7. PA6 Liner deformed shape (scale factor: 3)
그림 Fig. 8. Composite pressure vessel deformed shape (scale fac-tor: 3)
그림 Fig. 9. Composite pressure vessel fiber direction stress
표 Table 4. Structural analysis results according to helical and hoop winding angles
그림 Fig. 10. 26°/28°/26°/28°/26°/88 analysis result (maximum stress generating position: knuckle part)
그림 Fig. 11. 26°/27°/26°/27°/26°/88° analysis result (maximum stress generating position: dome part)

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 산업통상자원부와 한국산업기술진흥원의 “지역특화산업육성사업(R&D, R0006480)”의 지원을 받아 연구한 과제이다.
LPG 차량의 연료탱크로는 기존에 스틸용기가 사용되었다. 위 연료탱크의 무게를 경량화하며 강제용기가 가질 수 있는 부식에 대한 위험성을 낮추기 위하여 filament winding 공정을 통하여 만들어진 type 4 복합재료 압력용기로 강제용기를 대체하는 연구를 진행하였다.

제안 방법

1) 제한적인 공간으로 인하여 등장력 돔 이론을 사용한 돔 형상을 설계에 어려움이 있어 임의의 돔 형상으로 설계하였다.
6에서 확인할 수 있다. 1/4 모델을 X축, Y축 대칭 조건을 통해서 완전한 모델로 구조해석 상 설계하였으며 Fig. 6에서 확인할 수 있듯이 용기의 중심축 면에 대하여 Z축으로만 이동이 가능하도록 슬라이딩 조건을 부여하였다. 이후 tie 구속 조건을 통해서 복합재료와 라이너를 결합하였다.
Helical layer의 두께는 3.5 mm이고, hoop layer의 두께는 0.5 mm로 구조해석하였으며 helical layer의 와인딩 각도는 Table 4에서 확인할 수 있듯이 공정해석을 통해서 인장 응력 및 압축 응력이 가장 낮게 발생된 26°/28°/26°/28°/26°를 최종 각도로 결정하였다.
LPG 차량에서 사용되는 강제용기를 대체하여 스패어 타이어 웰 부에 설치되는 복합재료 압력용기의 규격은 스패어 타이어 웰 부의 직경 700 mm, 높이 290 mm, 용량 70 L급으로 설계되었다.
Type 4 복합재료 압력용기를 사용함으로써 내식성, 경량화, 트렁크에 설치되어 트렁크 공간에 대한 효율성을 저하하는 기존 강제용기를 대신하여 스패어 타이어 웰 부에 복합재료 압력용기를 장착하는 장점으로 인하여 연구의 필요성을 느꼈다. 경제적인 측면을 고려하기 위해서 위 논문은 탄소섬유를 대신하여 유리섬유(E-glass)를 사용하였다.
Type 4 복합재료 압력용기를 사용함으로써 내식성, 경량화, 트렁크에 설치되어 트렁크 공간에 대한 효율성을 저하하는 기존 강제용기를 대신하여 스패어 타이어 웰 부에 복합재료 압력용기를 장착하는 장점으로 인하여 연구의 필요성을 느꼈다. 경제적인 측면을 고려하기 위해서 위 논문은 탄소섬유를 대신하여 유리섬유(E-glass)를 사용하였다.
공간의 제약으로 인하여 구조가 제한된 type 4 복합재료 압력용기의 liner부는 geodesic dome을 대신하여 임의의 돔 형상을 적용하였다. 복합재 부는 Abaqus의 plug-in인 Wound Composite Modeler (WCM)을 이용하여 모델링하였다.
복합재 부는 Abaqus의 plug-in인 Wound Composite Modeler (WCM)을 이용하여 모델링하였다. 상용 구조해석 소프트웨어인 Abaqus를 사용하여 type 4 복합재료 압력용기에 대한 구조해석을 통하여 복합재료 보강층이 주는 효과와 안전성을 확인하였다^1-3).
안전율 2.66을 고려한 80 bar 파열압 조건에서의 LPG type 4 복합재료 압력용기에 대하여 안전성 및 복합재료 층이 주는 효과를 구조해석하였다.
이에 따라 복합재 층의 최종 와인딩 각도는 26°/28°/26°/28°/26°/88°로 적용하여 구조해석하였다.
임의의 돔 형상으로 설계된 type 4 복합재료 압력 용기의 모델에 대한 구조해석을 진행하였으며 다음과 같은 사실을 확인하였다.
주어진 공간 700 mm (직경)×290 mm (높이), 필요용량 70 L를 만족하기 위해서 라이너의 돔 부는 임의의 돔 형상을 사용하여 설계하였으며 Fig. 1에서 확인할 수 있다.
5 mm를 구해낼 수 있었다. 초기 두께 3.5 mm를 적용하여 모델링을 기본적으로 하였으나 등장력 돔 형상이 아닌 임의의 돔 형상으로 제작된 라이너로 인하여 초기 두께를 최적 두께로 사용하지 못한다는 점에 대해서 구조해석을 통해 최종 두께를 선정하는데 초점을 두었다⁵⁾.

대상 데이터

이후 tie 구속 조건을 통해서 복합재료와 라이너를 결합하였다. Element는 구조해석 시간을 단축하기 위해서 C3D8R 저감 적분 요소를 사용하였다.
이로 인해 LPG 차량의 수요가 증가하게 될 것이다. LPG 차량의 연료탱크로는 기존에 스틸용기가 사용되었다. 위 연료탱크의 무게를 경량화하며 강제용기가 가질 수 있는 부식에 대한 위험성을 낮추기 위하여 filament winding 공정을 통하여 만들어진 type 4 복합재료 압력용기로 강제용기를 대체하는 연구를 진행하였다.
라이너는 PA6 재질을 사용하여 설계하였으며 물성은 제조사의 제공 값을 이용, Table 1에 정리하였다. 너클 부의 직경을 80 mm, 위쪽 돔 부의 직경을 580 mm, 아래쪽 돔 부의 직경을 580 mm로 모델링하였다.
초기 모델링에서 복합재료의 물성은 Table 3에서 확인할 수 있는 E-glass/epoxy로 설계하였다. 망목이론을 통하여 도출된 두께를 이용하여 한 개의 layer에 대한 helical layer의 두께를 0.7 mm, hoop layer의 두께를 0.35 mm로 선정하여 5개 층의 helical layer와 1개 층의 hoop layer로 총 두께 3.85mm로 모델링된 복합재료 부는 Fig. 4에서 확인할 수 있다⁶⁾.
공간의 제약으로 인하여 구조가 제한된 type 4 복합재료 압력용기의 liner부는 geodesic dome을 대신하여 임의의 돔 형상을 적용하였다. 복합재 부는 Abaqus의 plug-in인 Wound Composite Modeler (WCM)을 이용하여 모델링하였다. 상용 구조해석 소프트웨어인 Abaqus를 사용하여 type 4 복합재료 압력용기에 대한 구조해석을 통하여 복합재료 보강층이 주는 효과와 안전성을 확인하였다^1-3).
7에서 너클 부에서 최대 인장 응력이 발생하였으며 이는 복합재의 섬유 방향 응력 분포와 동일함을 확인하였다. 복합재의 인장 응력을 확인하기 위해서 WCM의 fiber direction stress인 UVARM13을 사용하였으며 Figs. 8, 9에서 나오는 숫자의 단위는 MPa이다.
2에서 확인할 수 있다. 알루미늄 보스는 Aluminum 6061을 사용하였으며 이에 대한 물성은 Table 2에 정리하였다⁴⁾.

이론/모형

소프트웨어인 Abaqus에서 공정변수(engineering constants)를 토대로 lamina stress를 해석하기 위해서 classic laminate theory를 사용하였다. Lamina stress만으로는 복합재료의 특성에 따른 파괴를 만족할 수 없기 때문에 다른 기준도 설정해야한다.
복합재료는 두 가지 이상의 각기 다른 특성과 기계적인 성질을 가진 재료를 복합하여 사용하기 때문에 각 재료의 파손에 따라서 여러 가지 파손 모드가 존재한다. 이로 인해서 파괴 기준을 설정할 때에는 각 하중 간의 영향을 고려할 수 있을 뿐만 아니라 복합재료 적층 구조에서 많이 사용되어진 Tsai-Wu 파괴 기준을 선정하였다.

성능/효과

2) 임의의 돔 형상으로 설계된 용기의 경우 인장 응력과 압축 응력이 동시에 발생하며 이로 인하여 축 방향에 대한 변형이 크고 실린더 부는 원주 방향으로 큰 변화가 없다.
26°/28°/26°/28°/26°/88°로 winding pattern이 결정된 복합재료 압력용기의 구조해석 결과 최대 인장 응력은 E-glass/epoxy 물성의 최대 허용 인장 응력값인 1,020 MPa보다 낮은 응력인 939.2 MPa이 발생하였으며 Fig. 9에서 확인할 수 있듯이 압력용기의 너클 부에서 발생함을 확인하였다.
3) 안전율 2.66을 만족하는 type 4 복합재료 압력 용기의 파열압 80 bar 구조해석 결과 PA6, 알루미늄 보스 부, 복합재 층에서 모두 안전함을 판단하였으며 복합재 층 부에서 최대 인장 응력은 939.2 MPa로 복합재료 물성으로 제시된 최대 인장 응력 1,020 MPa보다 적은 결과를 얻었다. 또한 최대 압축 응력은 249.
4) 복합재료 압력용기 와인딩 시 hoop layer보다 helical layer에서 최대 응력이 발생함을 알았으며 응력의 감소를 위하여 helical winding의 각도를 조절해야 함을 예측하였다.
5) 복합재료 압력용기 와인딩 패턴을 연구한 결과 연속된 helical winding 패턴 각도의 차이가 3° 이상일 경우 압축 응력의 증가가 월등하다는 것을 구조해석을 통하여 확인하였다.
6) 복합재료 압력용기의 안전성을 위하여 돔 부에서의 파손보다 너클 부에서의 파손에 초점을 두어 구조해석 한 결과 최종적인 winding pattern은 26°/28°/26°/28°/26°/88°가 적용되었으며 실험을 통하여 검증할 예정이다.
너클 부에서의 축 방향으로 발생되는 인장 하중과 원주 방향으로 발생되는 압축 하중으로 인하여 너클 부가 가장 큰 응력이 발생하였다. 80 bar의 내압 조건 하에서 liner의 파손 여부에 대한 구조해석을 한 결과 liner의 너클 부에서 항복응력에 도달하는 것으로 확인되었다. 하지만 type 4 복합재료 압력용기에서 사용되는 PA6 재질의 경우 파손까지의 strain은 100% 이상이지만 80 bar에서 liner에 발생하는 최대 strain은 4.
2 MPa로 복합재료 물성으로 제시된 최대 인장 응력 1,020 MPa보다 적은 결과를 얻었다. 또한 최대 압축 응력은 249.3 MPa로 복합재료 물성으로 제시된 최대 압축 응력 620 MPa보다 적은 결과를 얻었다.
위 와인딩 패턴에 대한 구조해석을 통하여 helical layer별 각도의 차이가 2°를 초과할 경우 winding시 복합재 부가 압축 응력에 대한 보강을 수행하지 못하여 압축 응력이 상당히 상승함을 확인하였다.
9에서 확인할 수 있듯이 압력용기의 너클 부에서 발생함을 확인하였다. 최대 압축 응력은 복합재 부의 hoop 양 끝단에서 발생하였으며 복합재 부에 적용된 E-glass/epoxy의 최대 압축 응력인 620 MPa보다 낮은 응력인 249.3 MPa이 발생함을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	type 4 복합재료 압력용기로 강제용기를 대체하는 연구의 목적은 무엇인가?	LPG 차량의 연료탱크로는 기존에 스틸용기가 사용되었다. 위 연료탱크의 무게를 경량화하며 강제용기가 가질 수 있는 부식에 대한 위험성을 낮추기 위하여 filament winding 공정을 통하여 만들어진 type 4 복합재료 압력용기로 강제용기를 대체하는 연구를 진행하였다.
	기존 LPG 차량의 연료탱크로 사용되는 소재는 무엇인가?	이로 인해 LPG 차량의 수요가 증가하게 될 것이다. LPG 차량의 연료탱크로는 기존에 스틸용기가 사용되었다. 위 연료탱크의 무게를 경량화하며 강제용기가 가질 수 있는 부식에 대한 위험성을 낮추기 위하여 filament winding 공정을 통하여 만들어진 type 4 복합재료 압력용기로 강제용기를 대체하는 연구를 진행하였다.
	LPG 차량의 연료탱크에 filament winding 공정을 통하여 만들어진 type 4 복합재료를 사용함으로써 얻는 장점은 무엇인가?	LPG 차량의 연료탱크는 트렁크 공간에 설치되며 이로 인해서 LPG 차량은 트렁크 공간의 제약이 생긴다. 이러한 문제점을 해결하고 차량의 경량화를 위하여 스패어 타이어 웰 부에 type 4 복합재료 압력용기를 설치함으로써 공간의 효율성을 증대시키고 경량화, 강제용기에 비하여 높은 내식성을 가질 수 있다.

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상세보기
J. Byun, J. Kim, S. Heo, and H. Kim, "Study on Simulation Characteristics of Low Velocity Impact Test of Carbon/ Epoxy Composite Plates Manufactured by Filament Winding Method", Trans. of Korean Hydrogen and New Energy Society, Vol. 29, No. 2, 2018, pp. 190-196.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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