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복합재 격자구조물의 점검창 형상에 따른 구조안전성 해석
Structure Safety Analysis of Composite Lattice Structure with Inspection Window 원문보기

한국추진공학회지 = Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers, v.22 no.6, 2018년, pp.94 - 103  

김동건 (Design Technology Center, Hankuk Fiber Group) ,  배주찬 (Design Technology Center, Hankuk Fiber Group) ,  손조화 (Defence Department, Hankuk Fiber Group) ,  이상우 (Defence Department, Hankuk Fiber Group)

초록
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발사체 및 유도무기 기체에 사용되는 복합재 격자구조물은 구조물에 작용하는 하중을 고려하여 최소한의 두께와 무게로 설계되는 구조물이다. 이를 위하여 실리콘 몰드탄소섬유를 와인딩하는 공정으로 격자구조물을 만들며, 이때 발사체 및 유도무기 기체 내부의 장비 등을 점검하기 위하여 점검창을 설치하는 것이 일반적으로 요구된다. 본 논문에서는 필라멘트 와인딩 공정으로 제작된 실린더형 격자구조물에 대하여 압축시험을 수행하고, 이 구조물에 대한 유한요소해석을 수행하여 얻은 해석 결과를 설치된 격자구조물에 대하여 유한요소해석을 수행하였다. 또한 구조물의 리브(Rib)와 노트(Knot)의 파손강도를 통해 육각형 점검창의 두께 및 위치를 변수로 선정하여 수행한 유한요소해석 결과는 다음과 같다; (1) 육각형 점검창의 안전계수가 사각형 점검창 보다 높게 계산되었으며, (2) 수직 점검창이 상단 헬리컬 리브의 중간에 위치할 때 안전계수가 높게 계산되었고, (3) 구조안전성 확보를 위하여 점검창의 두께를 증가시킬 경우 구조물의 불연속 부분에 응력집중이 발생하므로 유한요소 해석을 통해 안전계수가 가장 높은 점검창 형상을 선정해야 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of designing composite lattice structure which applied to launching vehicle and tactical missile body is to minimize the thickness and weight for applied load. It is usually made of carbon fiber; fabricating with filament winding process over silicon mold, and provided with a window open...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 CATIA V5(R20)를 사용하여 유한요소해석을 위한 복합재 격자구조물의 형상을 모델링하였다. Fig.
  • 본 논문에서는 복합재 격자구조물 유한요소 모델의 타당성을 검증하기 위해 필라멘트 와인딩 공정으로 복합재 격자구조물을 제작하여 압축시험을 수행하였다. 제작 공정에서 발생하는 기공을 고려할 때 유한요소해석과 압축시험이 변위 기준으로 유사한 결과가 계산되어 유한요 소모델이 타당성하다고 판단하였다.
  • 사전해석 결과, 점검창의 물성에 관계없이 동일한 위치에서 최대응력이 발생하였으며, 응력분포 경향성이 동일하였다. 본 논문에서는 점검창의 물성을 리브 물성과 동일하게 입력하였다.

가설 설정

  • 점검창의 두께는, 점검창이 반경 방향으로 국부 보강된다고 가정하여 16.5 mm(50ply), 24.75 mm(75ply), 33 mm (100ply)로 모델링 하였다. 점검창의 위치는 리브와 점검창의 상대적인 거리에 따라 Fig.
  • 75 mm(75ply), 33 mm (100ply)로 모델링 하였다. 점검창의 위치는 리브와 점검창의 상대적인 거리에 따라 Fig. 19의 Window가 양쪽 노트방향 으로 이동하며 점검창이 넓어지는 5가지 경우로 가정하였다. Case 1~5에 해당하는 점검창의 면적은 63,944 mm2 , 74,707 mm2 , 76,616 mm2 , 78,854 mm2 , 89,288 mm2 이다.
  • 점검창 제작 및 보강에 용의하다고 판단되는 사각형 점검창과 육각형 점검창을 선정하여 유한요소해석을 수행하였다. 점검창의 크기는 내부 점검을 고려하여 가로 280 mm, 세로 230 mm 이상으로 가정하였으며, 사각형 점검창과 육각형 점검창의 면적이 유사하도록 점검창의 치수를 선정하였다. 사각형 점검창의 면적은 76,616mm2 , 육각형 점검창의 면적은 76,002 mm2 이며, 점검창의 세부 형상 및 치수는 Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
점검창을 설치하는 것이 요구되는 이유는 무엇인가? 발사체 및 유도무기 기체에 사용되는 복합재 격자구조물은 구조물에 작용하는 하중을 고려하여 최소한의 두께와 무게로 설계되는 구조물이다. 이를 위하여 실리콘 몰드에 탄소섬유를 와인딩하는 공정으로 격자구조물을 만들며, 이때 발사체 및 유도무기 기체 내부의 장비 등을 점검하기 위하여 점검창을 설치하는 것이 일반적으로 요구된다. 본 논문에서는 필라멘트 와인딩 공정으로 제작된 실린더형 격자구조물에 대하여 압축시험을 수행하고, 이 구조물에 대한 유한요소해석을 수행하여 얻은 해석 결과를 설치된 격자구조물에 대하여 유한요소해석을 수행하였다.
육각형 점검창의 두께 및 위치를 변수로 선정하여 수행한 유한요소해석 결과는 어떠한가? 본 논문에서는 필라멘트 와인딩 공정으로 제작된 실린더형 격자구조물에 대하여 압축시험을 수행하고, 이 구조물에 대한 유한요소해석을 수행하여 얻은 해석 결과를 설치된 격자구조물에 대하여 유한요소해석을 수행하였다. 또한 구조물의 리브(Rib)와 노트(Knot)의 파손강도를 통해 육각형 점검창의 두께 및 위치를 변수로 선정하여 수행한 유한요소해석 결과는 다음과 같다; (1) 육각형 점검창의 안전계수가 사각형 점검창 보다 높게 계산되었으며, (2) 수직 점검창이 상단 헬리컬 리브의 중간에 위치할 때 안전계수가 높게 계산되었고, (3) 구조안전성 확보를 위하여 점검창의 두께를 증가시킬 경우 구조물의 불연속 부분에 응력집중이 발생하므로 유한요소 해석을 통해 안전계수가 가장 높은 점검창 형상을 선정해야 한다.
복합재 격자구조물이란 무엇인가? 발사체 및 유도무기 기체에 사용되는 복합재 격자구조물은 구조물에 작용하는 하중을 고려하여 최소한의 두께와 무게로 설계되는 구조물이다. 이를 위하여 실리콘 몰드에 탄소섬유를 와인딩하는 공정으로 격자구조물을 만들며, 이때 발사체 및 유도무기 기체 내부의 장비 등을 점검하기 위하여 점검창을 설치하는 것이 일반적으로 요구된다.
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참고문헌 (8)

  1. Vasiliev, V.V., Barynin, V.A., Razin, A.F.. Anisogrid composite lattice structures - Development and aerospace applications. Composite structures, vol.94, no.3, 1117-1127.

  2. Zheng, Q., Jiang, D., Huang, C., Shang, X., Ju, S.. Analysis of failure loads and optimal design of composite lattice cylinder under axial compression. Composite structures, vol.131, 885-894.

  3. Morozov, E.V., Lopatin, A.V., Nesterov, V.A.. Finite-element modelling and buckling analysis of anisogrid composite lattice cylindrical shells. Composite structures, vol.93, no.2, 308-323.

  4. Proceeding of Spring Conference of The Korean Society of Propulsion Engineers Doh 307 2011 "Design and Fabrication of Cone Type Composite Lattice Structures" 

  5. Department of Mechanical Design Engineering Lee 2017 "Study on the Improvement of Fabrication Process for Cylindrical Composite Lattice Structures" 

  6. KSPE Spring Conference Im 835 2017 "Manufacturing Processes of Cylindrical Composite Lattice Structures using Filament Winding Method" 

  7. KSPE Fall Conference Im 295 2018 "A Study on Finite Element Modeling for Composite Lattice Structure with Hexagonal Cell" 

  8. “Theoretical Manual, Failure Evaluation Process“ GENOA MCQ Manual, ver. 1.0 

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