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유한요소법을 이용한 수소저장용기 TYPE 1의 압력과 온도조건에 의한 거동특성 연구

Behavior characteristics of hydrogen storage vessel(TYPE 1) under gas pressure and temperature conditions using FEM

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.24 no.6, 2020년, pp.61 - 69  

조승현 (동양미래대학교) ,  김영규 (한국가스안전공사) ,  고영배 (한국생산기술연구원) ,  이일권 (대림대학교)

초록
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본 논문은 압력과 온도조건에 따라 수소저장용기 TYPE 1에서 발생하는 거동특성을 FEM(Finite Element Method)으로 연구한 것이다. 용기의 구조안전성 평가를 위해 최고압력에서 발생한 VMS(Von Mises stress)을 소재의 YS(Yield Strength)를 비교하였고, 수명예측을 위한 기초데이터로써 PSED(Plastic Strain Energy Density) 결과를 분석하였다. 해석결과에 의하면 최고압력 40 Mpa 이상의 가스압에서 저장용기의 바닥면에 항복강도보다 높은 VMS가 발생하여 수소가스 저장용기의 안전성은 확보되지 않았다고 판단된다. 또한, 온도조건에 의해 발생한 VMS의 결과는 대단히 낮아서 온도에 의한 거동은 영향을 무시할 수 있다. VMS/YS이 1이하가 되는 최고압력은 약 30Mpa으로 계산되어 본 논문의 대상이 되는 수소저장용기는 30 Mpa이하의 가스충전압력으로 관리되어야 함을 알 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper is a study of the behavior characteristics that occur in the hydrogen storage vessel TYPE 1 according to pressure and temperature conditions by FEM(Finite element method). Von Mises stress (VMS) generated at the highest pressure was compared with Yield strength (YS) of the material for st...

주제어

표/그림 (19)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서, 본 논문에서는 수소가스 저장용기 Type 1 의 안정성을 예측하기 위한 기반연구로써 가스 압력과 온도조건에 따른 거동특성을 연구하였다. 해석 결과로 저장용기의 변형량, VMS, PSED를 관찰하였다.
  • 본 논문에서는 압력과 온도조건에 따라 수소가스 저장용기에서 발생한 변형량, VMS, PSED 분포를 유한요소법으로 해석하였다. 해석결과에 따르면 저장 용기 Type 1은 사용조건인 최대 30 Mpa에서항복강도 이하의 VMS가 발생하여 안정성을 확보한 것으로 판단된다.
  • 본 논문에서는 저장용기가 가혹한 외부온도에 노출되는 상황을 가정하여 최고 120℃와 최저 –100℃ 의 온도사이클이 10회 반복될 때 저장용기에서 발생하는 VMS를 분석하였다. 온도에 의한 VMS는 열응력인데 이것은 온도편차로 발생하는 변형량 때문에 발생하게 된다.
  • 주응력과 전단응력을 모두 고려한 응력과 재료의 항복강도와 비교해 소성변형의 발생여부를 판단하는 것이다.

가설 설정

  • 것이다. 그러나 그 외의 응력성분인 편차응력 (deviatric stress)성분에 의한 변형에너지만이 항복과 관련이 있다고 생각하고 유도된 것이 본 가설이다. 이 가설은 von Mises의 항복조건(von Mises yield criterion)으로도 알려져 있다.
  • 8과 같이 최고 120℃와 최저 –100℃ 의 온도사이클이 10회 반복될 때 저장용기의 거동특성을 해석하였다. 온도조건에 따른 거동해석을 위해 저장용기의 초기온도는 20℃로 균일하며 (-) 온도의 저온상태에서 재료특성값에 대한 데이터가 부재하여 표 1의 데이터가 온도사이클 동안 유지된다고 가정하였다.
  • 가해지는 조건의 해석도 수행하였다. 이때 압력은 저장용기의 내부표면에 수직방향으로 균일하게 가해진다고 가정하였다.
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참고문헌 (16)

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  16. www.matdat.com 

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