[논문]원통형 복합재료 압력 용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 형 링 버스트 시험 방법 분석

김외태; 김성수

doi:10.7234/composres.2021.34.4.257

원통형 복합재료 압력 용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 형 링 버스트 시험 방법 분석
Analysis of the Segment-type Ring Burst Test Method for the Mechanical Property Evaluation of Cylindrical Composite Pressure Vessel 원문보기

Composites research = 복합재료, v.34 no.4, 2021년, pp.257 - 263

김외태 (Department of Mechanical Engineering, KAIST) , 김성수 (Department of Mechanical Engineering, KAIST)

초록
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복합재료는 높은 비 강성 및 비 강도 특성으로 인해 기체 혹은 액체 연료를 저장하기 위한 압력 용기의 설계 및 제작에 널리 활용되고 있다. 이에 따라, 압력용기의 파열압력 또는 파단 변형률의 기계적 특성의 보다 정확한 측정은 상용화 전에 필수적 요소이다. 그러나, 기존의 시험방법을 활용한 복합재료 압력 용기의 안전성 검증은 하중 전달 매체의 변형으로 인한 추가적인 에너지 손실의 발생과, 불필요한 하중 및 모멘트의 발생 등의 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 수직기둥의 이론적인 하중전달 정도와 적용 가능한 수직방향 변위를 고려하여 세그먼트형 링 버스트 시험장치를 설계하였다. 또한, 세그먼트 형 링 버스트 시험장치의 균일한 압력분포를 검증하기 위해 수치해석을 활용하였고, 수압 시험방법과 링 시편의 원주방향 응력 및 변형률 분포를 비교하였다. 복합재료 압력용기의 파괴 거동을 모사하기 위해 Hashin 파손 기준을 적용하였고, 실험적으로 파단 변형률을 측정하여 이를 수치해석 결과와 비교하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Composite materials have been widely applied for fabricating pressure vessels used for storing gaseous and liquid fuel because of their high specific stiffness and specific strength. Accordingly, the accurate measurement of their mechanical property, particularly the burst pressure or fracture strain, is essential prior to the commercial release. However, verification of the safety of composite pressure vessels using conventional test methods poses some limitations because it may lead to the deformation of the load transferring media or provoke an additional energy loss that cannot be ignored. Therefore, in this study, the segment-type ring burst test device was designed considering the theoretical load transferring ratio and applicable displacement of the vertical column. Moreover, to verifying the uniform distribution of pressure of the segment type ring burst test device, the hoop stress and strain distribution of ring specimens were compared with that of the hydraulic pressure test method via FEM. To conduct a simulation of the fracture behavior of the composite pressure vessel, a Hashin failure criterion was applied to the ring specimen. Furthermore, the fracture strain was also measured from the experiment and compared with that of the result from the FEM.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of ring burst test system and the relation of loads
그림 Fig. 2. Mesh configuration of quarter ring burst test model
표 Table 1. Mechanical properties of T700/epoxy composites
표 Table 2. Material properties of ring burst test device
표 Table 3. Hashin damage initiation criteria
그림 Fig. 3. The relation between contact angle and displacement of the vertical column
그림 Fig. 4. Comparison of percentage error of inner hoop strain
그림 Fig. 5. Coefficient of variation of hoop strain w.r.t. the no. of segments and thickness of the PTFE
$Fig. 6. Comparison of the fracture strain w.r.t. the element size$ 그림 Fig. 6. Comparison of the fracture strain w.r.t. the element size
$Fig. 7. Comparison of the fracture strain in several cases$ 그림 Fig. 7. Comparison of the fracture strain in several cases
$Fig. 8. Comparison of the fracture strain between tensile test and ring burst test result$ 그림 Fig. 8. Comparison of the fracture strain between tensile test and ring burst test result
$Table 4. Comparison of the experimental fracture strain$ 표 Table 4. Comparison of the experimental fracture strain

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