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문제 정의
- 본 연구에서는 탄소섬유 복합재료의 적용과 스파캡 경량 구조 상쇄연구(Trade-off study)를 통하여 구조물 경량화 및 구조적 신뢰성을 높이고자 한다. 이를 위해 기존의 스파캡 경량화 논문[7]과 달리 초기 설계를 기준으로 스파캡 두께축소율(Ply Reduction Ratio, PRR)를 정의하고, 적층 수 감소에 따른 경량화를 시도하여 방법론을 매우 효율적이고 단순화 하였다.
- 앞서 언급한 파손상태 판단기준에 의거하여 섬유파손 및 기지파손 상태에 따라 파손지수를 구하는 것을 목적으로 한다. 왜냐하면 Tsai-Wu와 마찬가지로 파손 기준이 되는 파손지수가 1을 초과하면 파손이 일어나는 것처럼 섬유 및 기지의 파손여부를 확인할 수 있기 때문이다.
- 즉, UD CFRP의 적층 수를 감소시키고 두께를 줄이는 상쇄연구를 수행하면서, 제한 조건을 만족하는 동시에 블레이드 무게가 최소가 되는 UD CFRP층의 두께를 찾는 것을 목적으로 한다. 한편, 제한 조건은 다음과 같이 설정하였다.
제안 방법
- 3.1 및 3.2를 통해 검증한 유한요소모델의 파손해석을 실시하였다. 하중조건은 3.
- 스파캡은 총 3개의 복합재료로 적층되어 있다. Fig. 8과 같이 최외곽 층과 최내곽 층은 비틀림 변형에 강한 2AX GFRP와 3AX GFRP를 적용하였으며, 안쪽으로는 길이 방향으로 섬유가 분포된 UD GFRP를 적용하였다. 플라이 적층각도는 블레이드 길이 방향을 기준으로 모두 0°이다.
- 14, 15와 같다. UD CFRP PRR을 적용한 복합재료의 적층 수가 항상 정수가 나오게 하기 위해서 반올림을 하였다. 아울러 UD CFRP의 적층수를 감소시키기 위해 PRR을 5%씩 증가시켜 블레이드의 무게가 최소가 되는 UD CFRP층 두께를 찾는 상쇄 연구를 수행하였다.
- 구조해석을 수행하기 전에 유한요소모델의 수학적 검증을 수행하였다. 구조해석을 위해서는 ABAQUS 해석기를 사용하였다.
- 세 지점의 하중 클램프 위치를 기준으로 하중부가는 100%의 4단계에서 10초 유지하면서 진행되며, 하중제어는 단계적으로 실시하여 급 변동으로 인한 블레이드의 손상을 방지한다. 또한, 하중 클램프(Load clamp)에서 얻어진 하중 및 스트레인게이지에서 얻어진 변형률은 데이터 측정 시스템을 이용하여 계속 저장해야 하며, 변형량은 10초 유지하는 동안 측정하여 검토한다. 유한요소해석을 위한 변위경계조건은 블레이드의 Root 부분의 절점들의 모든 병진 및 회전 자유도를 구속하였다.
- 구조해석을 위해서는 ABAQUS 해석기를 사용하였다. 먼저 수학적 검증을 위해 구속조건이 없는 상태에서 강체모드의 수와 변형률 에너지를 검증하였다. 그 결과 6개의 강체모드의 고유진동수가 5.
- 본 연구에서는 Windnovation사의 420-2.0 2MW급 풍력 블레이드를 기반으로 유한요소모델을 생성하였다[9]. 풍력블레이드의 기본 제원은 Table 1과 같다.
- 본 연구에서는 풍력 블레이드 강성증가를 위해 UD GFRP 대신 UD CFRP를 풍력 블레이드 스파캡의 재료로 사용하여 스파캡 경량화 설계를 수행하였다. 스파캡 경량화 설계 흐름도를 바탕으로 UD CFRP층 두께의 상쇄연구를 진행한 결과, Tsai-Wu 파손이론을 적용시킨 모델의 경우 PRR 60%인 경우, Puck 파손이론을 적용시킨 파손지수는 65%까지 경량화가 가능함을 확인하였다.
- 생성된 유한요소모델의 물리적인 검증을 위해서 전체 중량과 정하중시험시의 처짐량을 해석결과와 비교하였다. 우선, 해석모델의 무게는 7641kg로 측정된 무게 7530kg와 1.
- 스파캡의 CFRP 적용을 위해 Fig. 8의 최외곽 층은 비틀림 변형과 부식에 강한 2AX GFRP와 3AX GFRP를 그대로 적용하고, 안쪽은 길이 방향으로 섬유가 분포된 UD GFRP를 UD CFRP로 변경하였다. 따라서 복합재료의 밀도(2243kg/m3 → 1540kg/m3)는 감소하고 강성(40700MPa → 131600MPa) 및 강도(770MPa → 2000MPa)는 증가하였다.
- UD CFRP PRR을 적용한 복합재료의 적층 수가 항상 정수가 나오게 하기 위해서 반올림을 하였다. 아울러 UD CFRP의 적층수를 감소시키기 위해 PRR을 5%씩 증가시켜 블레이드의 무게가 최소가 되는 UD CFRP층 두께를 찾는 상쇄 연구를 수행하였다. UD CFRP PRR 60%에서 Tsai-Wu 파손이론을 적용시킨 최대 파손지수는 Fig.
- 또한, 하중 클램프(Load clamp)에서 얻어진 하중 및 스트레인게이지에서 얻어진 변형률은 데이터 측정 시스템을 이용하여 계속 저장해야 하며, 변형량은 10초 유지하는 동안 측정하여 검토한다. 유한요소해석을 위한 변위경계조건은 블레이드의 Root 부분의 절점들의 모든 병진 및 회전 자유도를 구속하였다. 하중은 플랩방향 시험(Positive flapwise test)인 경우에는 Table 4, 모서리방향 시험(Positive edgewise test)인 경우에는 Table 5의 데이터를 참고하여 유한요소모델에 부여하고 측정된 변위 값을 시험결과와 비교하였다.
- 본 연구에서는 탄소섬유 복합재료의 적용과 스파캡 경량 구조 상쇄연구(Trade-off study)를 통하여 구조물 경량화 및 구조적 신뢰성을 높이고자 한다. 이를 위해 기존의 스파캡 경량화 논문[7]과 달리 초기 설계를 기준으로 스파캡 두께축소율(Ply Reduction Ratio, PRR)를 정의하고, 적층 수 감소에 따른 경량화를 시도하여 방법론을 매우 효율적이고 단순화 하였다. 2장에서는 유한요소모델 생성, 3장에서는 유한요소모델 검증, 4장에서는 스파캡 경량화 설계방법론과 해석결과, 5장에서 결론을 짓도록 한다.
- 그러므로, 블레이드의 내부치수를 정확하게 하는 것이 중요하다. 이를 위해서 Fig. 1 와 같이 블레이드 단면의 안쪽을 기준으로 셸 모델링(Shell modeling)을 수행하였으며, 이 면으로부터 적층을 표현하기 위해 보상(offset) 값 0.0을 주어서 모델링 하였다.
- 그러나, 선행연구[7]처럼 36개 영역의 두께를 모두 독립변수로 삼게 되면 경량화 설계 시 많은 계산시간이 필요하다. 이를 효과적으로 줄이기 위해 본 연구에서는 식(18)과 같은 UD CFRP의 두께축소율(Ply Reduction Ratio, PRR)를 정의하여 경량화 설계에 사용하였다. PRR이 0% 인 경우는 축소되지 않은 경우이며, PRR이 클수록 경량화가 많이 되었음을 가리킨다.
- 풍력블레이드의 기본 제원은 Table 1과 같다. 풍력 블레이드의 유한요소해석을 수행하기 위하여 설계 도면에 기입된 치수를 고려하여 유한요소모델을 생성하였다. 풍력 블레이드는 주어진 성형틀 위에 복합재료 프리프레그(Prepreg)를 수작업으로 적층(Hand layup)해서 제작한다.
대상 데이터
- 스파캡 경량화 설계에 사용되는 변수는 UD CFRP 36개 영역의 두께이다. 그러나, 선행연구[7]처럼 36개 영역의 두께를 모두 독립변수로 삼게 되면 경량화 설계 시 많은 계산시간이 필요하다.
- 유한요소해석을 수행하기 위하여 단방향 유리섬유 복합재료(UD-GFRP), 2축 직물 형태를 뛴 유리섬유 복합재료(2AX-GFRP), 3축 직물 형태를 뛴 유리섬유 복합재료(3AX-GFRP) 재료가 유한요소모델에 적용되었으며 재료 물성은 Table 2에 나타내었다. 아울러 경량화를 위해 사용될 탄소섬유 복합재료의 성질은 Table 3과 같다.
이론/모형
- Fig. 7과 같이 풍력 블레이드의 스파캡 섹션에 Tsai-Wu 파손이론을 적용하여 파손해석을 수행한다.
- 구조해석을 수행하기 전에 유한요소모델의 수학적 검증을 수행하였다. 구조해석을 위해서는 ABAQUS 해석기를 사용하였다. 먼저 수학적 검증을 위해 구속조건이 없는 상태에서 강체모드의 수와 변형률 에너지를 검증하였다.
- Tsai-Wu 파괴기준은 각각 응력들의 상호관계를 고려할 수는 있지만, 파괴기준식이 하나의 식으로 표현되기 때문에 파괴모드를 직접적으로 예측할 수 없다는 단점이 있다. 이러한 이유로 섬유(Fiber)파손과 기지(Matrix)파손을 모두 평가할 수 있는 Puck 파손이론을 바탕으로 파손해석을 수행하였다. 섬유파손의 경우에는 인장[식 (4), Mode 1] 및 압축[식 (5), Mode 2]응력에 따른 파손여부를 평가할 수 있으며, 기지파손의 경우에는 인장[식 (6), Mode 3] 및 압축[식 (7), Mode 4]응력 그리고 파단각도[식 (8), Mode 5]에 따른 파손여부를 평가할 수 있다.
- 2의 정하중 시험조건과 같다. 파손이론은 풍력블레이드 구조해석에 가장 널리 사용되는 Tsai-Wu와 Puck 이론을 모두 사용하였다.
성능/효과
- 1) 하중을 가하였을 때, 풍력 블레이드가 각 복합재료의 Tsai-Wu, Puck 파손이론을 적용한 파손지수가 1보다 작으면서 평균적인 파손지수가 초기모델의 것보다 작거나 같아야 한다.
- 2) 최소고유진동수가 초기 풍력 블레이드 모델의 최소고유진동수보다 보다 커야 한다.
- 따라서 복합재료의 밀도(2243kg/m3 → 1540kg/m3)는 감소하고 강성(40700MPa → 131600MPa) 및 강도(770MPa → 2000MPa)는 증가하였다. CFRP를 적용하고 파손해석을 3.3절과 마찬가지로 실시하였으며, 그 결과 Fig. 11, 12와 같이 이전 모델과 마찬가지로 스파캡 섹션의 파손지수가 1을 넘지 않아 파손이 일어나지 않음을 알 수 있었다. 또한 평균적인 Tsai-Wu 파손지수(Failure index mean)가 0.
- 아울러 UD CFRP의 적층수를 감소시키기 위해 PRR을 5%씩 증가시켜 블레이드의 무게가 최소가 되는 UD CFRP층 두께를 찾는 상쇄 연구를 수행하였다. UD CFRP PRR 60%에서 Tsai-Wu 파손이론을 적용시킨 최대 파손지수는 Fig. 16과 같이 1미만으로 복합재료 파손이 발생하지 않았고, 이전 풍력 블레이드 모델의 파손지수(=0.3532)와 새로운 풍력 블레이드 모델의 파손지수(=0.3690)가 작아 구속조건을 만족시켰다. Puck 파손이론을 적용시킨 해석결과는 Fig.
- 결론적으로 상쇄연구 결과는 제한조건을 만족하며, 풍력 블레이드의 무게는 7641kg에서 5333kg으로 약 30.2% 감소함을 보였다. 즉, 스파캡 경량화 설계 결과를 바탕으로 무게와 강성, 강도를 고려하면 GFRP 복합재료 보다 CFRP 복합재료가 더 적합한 재료임을 알 수 있었다.
- 먼저 수학적 검증을 위해 구속조건이 없는 상태에서 강체모드의 수와 변형률 에너지를 검증하였다. 그 결과 6개의 강체모드의 고유진동수가 5.0 x 10-3 Hz보다 작고 변형에너지도 5.0 x 10-3 J보다 작아서 이론적 수치인 0.0에 가까운 것을 확인하였다. 즉, 블레이드의 유한요소모델이 수학적으로 검증이 완료되었다[10].
- 5와 6에 나타내었다. 그래프에서 확인할 수 있듯이 블레이드의 길이에 따라 변형 값이 변하며, 선형 구조해석 결과보다 기하 비선형 구조해석 결과가 플랩방향 시험 및 모서리방향 시험에서의 시험결과와 비교적 더 일치함을 확인하였으며, 개발된 해석모델이 정하중시험결과를 잘 예측한다고할 수 있다.
- 따라서 복합재료의 밀도(2243kg/m3 → 1540kg/m3)는 감소하고 강성(40700MPa → 131600MPa) 및 강도(770MPa → 2000MPa)는 증가하였다.
- 11, 12와 같이 이전 모델과 마찬가지로 스파캡 섹션의 파손지수가 1을 넘지 않아 파손이 일어나지 않음을 알 수 있었다. 또한 평균적인 Tsai-Wu 파손지수(Failure index mean)가 0.3532에서 0.1294로 감소하고 Puck 파손지수가 0.2817에서 0.1488로 감소하여 구조적으로 더욱 안전해졌음을 확인하였다. 아울러, GFRP에서 CFRP로 변경된 스파캡의 무게는 3468kg에서 2411kg으로 약 30.
- 마지막으로 최소고유진동수 도출결과는 Fig. 18과 같이 UD CFRP PRR이 60%인 새로운 풍력 블레이드 모델의 고유 진동수가 이전의 풍력 블레이드 모델의 고유진동수(0.8637Hz)보다 증가함을 확인하였다. 즉, 새로운 풍력 블레이드 모델이 무게는 감소하고 강도 및 강성이 증가함을 확인하였다.
- 본 연구에서는 풍력 블레이드 강성증가를 위해 UD GFRP 대신 UD CFRP를 풍력 블레이드 스파캡의 재료로 사용하여 스파캡 경량화 설계를 수행하였다. 스파캡 경량화 설계 흐름도를 바탕으로 UD CFRP층 두께의 상쇄연구를 진행한 결과, Tsai-Wu 파손이론을 적용시킨 모델의 경우 PRR 60%인 경우, Puck 파손이론을 적용시킨 파손지수는 65%까지 경량화가 가능함을 확인하였다. 아울러, 최소고유진동수가 GFRP를 적용한 초기설계 보다 더 높음을 확인하였다.
- 1488로 감소하여 구조적으로 더욱 안전해졌음을 확인하였다. 아울러, GFRP에서 CFRP로 변경된 스파캡의 무게는 3468kg에서 2411kg으로 약 30.5%감소하였으며, 총 블레이드의 무게는 7641 kg에서 6584 kg으로 약 13.8% 감소하였다.
- 스파캡 경량화 설계 흐름도를 바탕으로 UD CFRP층 두께의 상쇄연구를 진행한 결과, Tsai-Wu 파손이론을 적용시킨 모델의 경우 PRR 60%인 경우, Puck 파손이론을 적용시킨 파손지수는 65%까지 경량화가 가능함을 확인하였다. 아울러, 최소고유진동수가 GFRP를 적용한 초기설계 보다 더 높음을 확인하였다.
- 생성된 유한요소모델의 물리적인 검증을 위해서 전체 중량과 정하중시험시의 처짐량을 해석결과와 비교하였다. 우선, 해석모델의 무게는 7641kg로 측정된 무게 7530kg와 1.5% 오차이내로 만족함을 확인하였다.
- 8637Hz)보다 증가함을 확인하였다. 즉, 새로운 풍력 블레이드 모델이 무게는 감소하고 강도 및 강성이 증가함을 확인하였다.
- 2% 감소함을 보였다. 즉, 스파캡 경량화 설계 결과를 바탕으로 무게와 강성, 강도를 고려하면 GFRP 복합재료 보다 CFRP 복합재료가 더 적합한 재료임을 알 수 있었다.
- 10에 나타내었다. 해석결과를 통해 스파캡을 총 36개로 나눈 구성영역의 최대 파손지수(Failure index)가 모두 1을 넘지 않아 파손이 일어나지 않음을 확인하였다. 또한 Puck이론에 의하면 Table 7과 같이 36개 모든 구성영역에서 섬유파손지수보다 기지파손지수가 높았으며, 파손이 가장 위험한 모드는 Id.
후속연구
- 추후 연구에서는 플라이 각도 및 개별 단면별 이산최적화(Discrete Opt.) 기법을 수행하고, 경량화된 스파캡에 적합한 스킨 및 전단 웹의 경량화를 별도로 수행하여 통합된 경량화 설계를 도출할 예정이다.
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