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문제 정의
- 구축한 해석 인터페이스를 이용하여 탄소/페놀릭 복합재 구조물의 열기계적 연계 해석을 수행하였으며 이를 아크 가열 풍동을 이용한 삭마실험 결과와 비교하였다. 또한, 재진입 캡슐에 대한 기초 형상 설계를 통해 구축한 해석 인터페이스의 활용성을 확인하였다.
- 본 논문에서는 재진입 환경에 노출된 탄소/페놀릭복합재 구조물의 삭마 특성 및 열응력 분석을 위해 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 내부 열분해로 인한 물리적 거동 변화를 모사하기 위해 시차제법(staggered method)을 적용한 완전 연계 인터페이스를 구성하였다.
- 본 논문에서는 재진입 환경의 탄소/페놀릭 복합재 구조물의 열분해 및 삭마 특성 예측을 위해 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 내부 열분해로 인한 물리적 거동 변화를 모사하기 위해 온도장과 변위장의 지배 방정식을 연계할 수 있도록 시차제법을 도입하여 완전 연계 인터페이스를 구성하였다.
가설 설정
- 반면, 시편의 내부 밀도 분포는 실험 및 해석 결과가 다소 차이를 보였다. 본 연구에서 사용한 재료 물성은 시편의 재료 물성을 고려하여 가정되었다. 밀도 변화는 재료 물성과 연관되어 있는 아레니우스 식에 의해 지배되며 실제 시편의 재료 물성을 적용한다면 해석과 실험값의 차이가 감소할 것으로 추정된다.
제안 방법
- 내부 열분해로 인한 물리적 거동 변화를 모사하기 위해 시차제법(staggered method)을 적용한 완전 연계 인터페이스를 구성하였다. 구축한 해석 인터페이스를 이용하여 탄소/페놀릭 복합재 구조물의 열기계적 연계 해석을 수행하였으며 이를 아크 가열 풍동을 이용한 삭마실험 결과와 비교하였다. 또한, 재진입 캡슐에 대한 기초 형상 설계를 통해 구축한 해석 인터페이스의 활용성을 확인하였다.
- 본 논문에서는 재진입 환경의 탄소/페놀릭 복합재 구조물의 열분해 및 삭마 특성 예측을 위해 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 내부 열분해로 인한 물리적 거동 변화를 모사하기 위해 온도장과 변위장의 지배 방정식을 연계할 수 있도록 시차제법을 도입하여 완전 연계 인터페이스를 구성하였다. 전산 모형해석 결과와 아크 가열 풍동을 이용한 삭마 실험 결과와의 비교를 통해 열-구조 연계 해석 기법의 검증을 수행하였다.
- 열 유속을 최상단에 균일하게 부여하였으며, 재복사 및 화학적 삭마 효과를 고려하였다. 대칭축인 최하단부의 2 방향 변위와 형상의 우측을 국부 좌표계 기준 2 방향 변위를 구속하였다.
- 열 유속이 집중되는 깊이 방향 모델해석 결과를 통해 깊이 방향에 따른 삭마 특성을 확인했다. 또한 형상학적 모델 해석 결과를 통해 열 유속 분포에 따른 삭마 특성을 확인했다. 대체적으로 실험 결과와 유사한 경향성을 보였으며, 열-구조 연계 해석 기법이 탄소/페놀릭 복합재의 삭마 특성 예측에 유용함을 확인하였다.
- 8에 제시하였다. 비접촉식 표면 측정기를 이용하여 측정한 표면 침식결과는 시편의 측면 방향에서 바라본 침식 형상과 깊이 방향으로 침식 정도를 가시화한 결과를 제시하였다. 해석은 45초간 수행하였으며, 침식 형상이 정성적으로 실험과 유사한 것을 확인하였다.
- 초고속 카메라는 시편의 측면을 실시간으로 촬영하며, 영상 분석을 통해 표면 침식량을 산출하였다. 비접촉식 표면 측정기를 통해 삭마 전후시편의 표면 좌표 데이터 측정하였으며, 데이터 처리를 통해 표면 침식량을 산출하였다. 해석 모델은 시편 정체점을 모사하였기에 초고속 카메라 데이터의 보정이 이루어졌다.
- 3에 제시하였다. 시편의 정체점을 대표하는 깊이 방향(in-depth) 모델은 열 유속 집중에 따른 삭마열 응답 특성을 분석하고자 좌우 및 하단에 대칭 경계 조건을 적용하였다. 시편 형상을 모사한 형상학적 모델은 열 유속 분포에 따른 침식 형상을 예측하기 위해 개발되었다.
- 탄소/페놀릭 복합재로 이루어진 열 보호 시스템 층과 알루미늄으로 구성된 구조체층을 구별하였다. 열 유속을 최상단에 균일하게 부여하였으며, 재복사 및 화학적 삭마 효과를 고려하였다. 대칭축인 최하단부의 2 방향 변위와 형상의 우측을 국부 좌표계 기준 2 방향 변위를 구속하였다.
- 전산 모형해석 결과와 아크 가열 풍동을 이용한 삭마 실험 결과와의 비교를 통해 열-구조 연계 해석 기법의 검증을 수행하였다. 열 유속이 집중되는 깊이 방향 모델해석 결과를 통해 깊이 방향에 따른 삭마 특성을 확인했다. 또한 형상학적 모델 해석 결과를 통해 열 유속 분포에 따른 삭마 특성을 확인했다.
- 형상학적 모델은 축 대칭요소를 적용하여 대칭축인 좌측 경계에 대해 1 방향, 최하단에 대해 1, 2 방향 변위를 구속하였다. 열 유입 경계 조건은 아크 가열 풍동을 이용한 삭마 실험에서 측정된 열 유속[11]과 화학적 삭마에 의한 산화 반응열, 재복사열을 고려하였다. 열화학적 침식률은 삭마 실험을 촬영한 초고속 카메라 분석 결과를 참조하였다.
- 열기계적 연계 해석 및 아크 가열 풍동을 이용한 삭마 실험 결과 비교를 통해 탄소/페놀릭 복합재의 삭마 특성 및 열응력을 확인하였다. 삭마 실험 및 결과 분석은 Fig.
- Amaryllis모듈을 이용하여 열분해 및 삭마 해석, Mecano 모듈을 이용하여 비선형 구조 해석이 각각 독립적으로 수행되며 각 해석 결과는 Supervisor 모듈에서 교환된다. 열기계적 연계에 따른 응력 및 변형도 산출을 위해 온도, 압력, 밀도, 절점의 위치를 주요 교환 데이터로 설정하였다.
- 본 논문에서는 탄소/페놀릭 복합재 구조물의 삭마특성 및 열응력 해석을 위해 상용 유한요소 프로그램 Samcef V15를 사용하였다. 열기계적 연계에 따른 응력 산출을 위해 시차제법을 적용한 열-구조 해석 인터페이스를 Fig. 1과 같이 구축하였다. Amaryllis모듈을 이용하여 열분해 및 삭마 해석, Mecano 모듈을 이용하여 비선형 구조 해석이 각각 독립적으로 수행되며 각 해석 결과는 Supervisor 모듈에서 교환된다.
- 반면, P3, P4 지점은 해석 초기에는 응력이 발생하지 않았으나, 외부 열의 내부 침투에 따라 응력이 발생했다. 이를 통해 탄소/페놀릭 재료 내부 열 침투에 따른 온도와 응력 변화의 연관성을 확인하였다. 이와 같은 결과는 향후 삭마 실험 시 열전대를 이용한 측정을 통해 검증될 수 있다.
- 내부 열분해로 인한 물리적 거동 변화를 모사하기 위해 온도장과 변위장의 지배 방정식을 연계할 수 있도록 시차제법을 도입하여 완전 연계 인터페이스를 구성하였다. 전산 모형해석 결과와 아크 가열 풍동을 이용한 삭마 실험 결과와의 비교를 통해 열-구조 연계 해석 기법의 검증을 수행하였다. 열 유속이 집중되는 깊이 방향 모델해석 결과를 통해 깊이 방향에 따른 삭마 특성을 확인했다.
- Figure 7은 깊이 방향 모델과 초고속 카메라 및 비접촉식 표면 측정기를 통해 측정한 시간에 따른 표면 침식량이다. 초고속 카메라는 시편의 측면을 실시간으로 촬영하며, 영상 분석을 통해 표면 침식량을 산출하였다. 비접촉식 표면 측정기를 통해 삭마 전후시편의 표면 좌표 데이터 측정하였으며, 데이터 처리를 통해 표면 침식량을 산출하였다.
- 캡슐의 형상 정보는 문헌[8]을 참조하였으며, 열 유속이 집중되는 전면부를 대상으로 모델링 하였다. 탄소/페놀릭 복합재로 이루어진 열 보호 시스템 층과 알루미늄으로 구성된 구조체층을 구별하였다. 열 유속을 최상단에 균일하게 부여하였으며, 재복사 및 화학적 삭마 효과를 고려하였다.
- 시편 형상을 모사한 형상학적 모델은 열 유속 분포에 따른 침식 형상을 예측하기 위해 개발되었다. 형상학적 모델은 축 대칭요소를 적용하여 대칭축인 좌측 경계에 대해 1 방향, 최하단에 대해 1, 2 방향 변위를 구속하였다. 열 유입 경계 조건은 아크 가열 풍동을 이용한 삭마 실험에서 측정된 열 유속[11]과 화학적 삭마에 의한 산화 반응열, 재복사열을 고려하였다.
대상 데이터
- 열분해 및 삭마를 고려한 열기계적 연계 해석을 위해 필요한 초기 재료 및 숯 층에서의 재료 물성은 온도에 따른 비선형을 고려한 고온 환경 모사 시험결과 데이터를 참조하였다. 열분해 과정 모사를 위한 재료 상수는 TGA 시험으로 측정된 데이터를 이용하였다.
- 2와 Table 1에 제시하였다[9,10]. 열분해 및 삭마를 고려한 열기계적 연계 해석을 위해 필요한 초기 재료 및 숯 층에서의 재료 물성은 온도에 따른 비선형을 고려한 고온 환경 모사 시험결과 데이터를 참조하였다. 열분해 과정 모사를 위한 재료 상수는 TGA 시험으로 측정된 데이터를 이용하였다.
- 4에 제시하였다. 캡슐의 형상 정보는 문헌[8]을 참조하였으며, 열 유속이 집중되는 전면부를 대상으로 모델링 하였다. 탄소/페놀릭 복합재로 이루어진 열 보호 시스템 층과 알루미늄으로 구성된 구조체층을 구별하였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 재진입 환경에 노출된 탄소/페놀릭복합재 구조물의 삭마 특성 및 열응력 분석을 위해 열기계적 연계 해석을 수행하였다. 내부 열분해로 인한 물리적 거동 변화를 모사하기 위해 시차제법(staggered method)을 적용한 완전 연계 인터페이스를 구성하였다. 구축한 해석 인터페이스를 이용하여 탄소/페놀릭 복합재 구조물의 열기계적 연계 해석을 수행하였으며 이를 아크 가열 풍동을 이용한 삭마실험 결과와 비교하였다.
- 본 논문에서는 탄소/페놀릭 복합재 구조물의 삭마특성 및 열응력 해석을 위해 상용 유한요소 프로그램 Samcef V15를 사용하였다. 열기계적 연계에 따른 응력 산출을 위해 시차제법을 적용한 열-구조 해석 인터페이스를 Fig.
- 열 유입 경계 조건은 아크 가열 풍동을 이용한 삭마 실험에서 측정된 열 유속[11]과 화학적 삭마에 의한 산화 반응열, 재복사열을 고려하였다. 열화학적 침식률은 삭마 실험을 촬영한 초고속 카메라 분석 결과를 참조하였다.
성능/효과
- 해석에 사용한 재료 물성과 현상학적 팽창 효과를 고려하지 않아 실험 값과 해석 값이 차이를 보였다. 45초 이후 측정한 초고속 카메라 및 비접촉식표면 측정기 분석 결과를 통해 실험이 종료된 이후에도 추가적인 침식이 발생함을 확인할 수 있다. 실험이 종료된 후에도 재료 내부는 일정 시간동안 고온을 유지하기 때문에 추가적인 열분해 및 수축(shrinkage) 효과가 발생한 것으로 추정된다.
- P1~P3 지점은 최상단으로부터 2 mm씩 떨어진 지점이며, P4 지점은 알루미늄 층의 최상단부이다. 급격한 온도 상승으로 인해 밀도가 완전히 저하된 숯 층을 형성한 P1, P2 지점은 20초 경 약 60~70 MPa의 응력이 발생함을 확인하였다. 열분해가 진행되고 있는 P3 지점은 약 40 MPa의 응력이 발생하였다.
- 또한 형상학적 모델 해석 결과를 통해 열 유속 분포에 따른 삭마 특성을 확인했다. 대체적으로 실험 결과와 유사한 경향성을 보였으며, 열-구조 연계 해석 기법이 탄소/페놀릭 복합재의 삭마 특성 예측에 유용함을 확인하였다. 향후 실제 시편 물성 데이터를 이용한 해석을 수행함으로서 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
- 탄소/페놀릭 복합재의 열 보호 효과로 인해 구조체층의 온도는 상온을 유지하였으며 구조적으로도 안정적인 경향을 보였다. 두 가지 재료 층에 대한 열구조 연계 해석을 수행하였으며, 본 연계 해석 기법이 열 보호 시스템 설계에 있어 활용될 수 있음을 확인하였다.
- 열분해가 진행되고 있는 P3 지점은 약 40 MPa의 응력이 발생하였다. 반면, 상온을 유지하는 P4 지점은 응력이 발생하지 않아 본 캡슐이 열-구조적으로 안정성이 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 본 연계해석 인터페이스가 열 보호 시스템 설계에 활용될 수 있음을 확인하였다.
- 초기 시편의 높이는 23 mm이며, 표면 침식에 의해 높이는 감소한다. 실험 분석 및 해석 산출 결과는 시편 최상단 밀도의 경우 각각 1,507 kg/m3, 1,567 kg/m3이며, 최하단 밀도의 경우 1,441 kg/m3, 1,402 kg/m3로 실험 결과와 유사한 경향을 보인다. 반면, 시편의 내부 밀도 분포는 실험 및 해석 결과가 다소 차이를 보였다.
- 해석 초반부의 표면 침식량은 열기계적 연계로 인한 열팽창 효과로 인해 상쇄되었다. 실험의 경우 약 10초간 재료의 열팽창 및 현상학적팽창(intumescence) 효과가 발생한 것을 확인할 수 있다. 해석에 사용한 재료 물성과 현상학적 팽창 효과를 고려하지 않아 실험 값과 해석 값이 차이를 보였다.
- 반면, 상온을 유지하는 P4 지점은 응력이 발생하지 않아 본 캡슐이 열-구조적으로 안정성이 있음을 확인하였다. 이러한 결과를 통하여 본 연계해석 인터페이스가 열 보호 시스템 설계에 활용될 수 있음을 확인하였다.
- 해석을 통한 침식 형상은 30초, 45초간 실험한 시편의 침식 형상의 중간 지점에 위치하고 있다. 이를 통해 비접촉식 표면 측정기를 이용하여 측정할 수 없는 실험이 종료된 시점의 침식 형상을 전산 모형 해석을 통해 모사할 수 있음을 확인하였다.
- 캡슐의 최상단은 2,800 K로 온도가 상승한 반면, 하단부의 알루미늄 층은 상온을 유지하였다. 이를 통해 탄소/페놀릭 복합재가 내부로 침투하는 열을 효과적으로 차단함을 확인하였다. 급격한 온도 상승으로 인한 내부 응력 변화를 확인하기 위해 특정지점에서의 시간에 따른 von Mises 응력을 Fig.
- 향후 실제 시편 물성 데이터를 이용한 해석을 수행함으로서 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 재진입 캡슐 전산 모형의 해석을 통해 구축한 열-구조 연계해석 기법의 활용성과 탄소/페놀릭 복합재의 열 보호 효과를 확인하였다. 탄소/페놀릭 복합재의 열 보호 효과로 인해 구조체층의 온도는 상온을 유지하였으며 구조적으로도 안정적인 경향을 보였다.
- 재진입 캡슐 전산 모형의 해석을 통해 구축한 열-구조 연계해석 기법의 활용성과 탄소/페놀릭 복합재의 열 보호 효과를 확인하였다. 탄소/페놀릭 복합재의 열 보호 효과로 인해 구조체층의 온도는 상온을 유지하였으며 구조적으로도 안정적인 경향을 보였다. 두 가지 재료 층에 대한 열구조 연계 해석을 수행하였으며, 본 연계 해석 기법이 열 보호 시스템 설계에 있어 활용될 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 대체적으로 실험 결과와 유사한 경향성을 보였으며, 열-구조 연계 해석 기법이 탄소/페놀릭 복합재의 삭마 특성 예측에 유용함을 확인하였다. 향후 실제 시편 물성 데이터를 이용한 해석을 수행함으로서 결과의 신뢰성을 향상시킬 수 있다. 재진입 캡슐 전산 모형의 해석을 통해 구축한 열-구조 연계해석 기법의 활용성과 탄소/페놀릭 복합재의 열 보호 효과를 확인하였다.
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