본 연구에서는 외부하중을 고려하여 Fulton과 Vasiliev가 제안한 돔형상 식을 적용하여 복합재 압력용기의 돔형상을 설계하고 해석하였다. 돔형상 설계변수로는 0.1 ~ 0.5 의 오프닝 반경비와 40kN ~ 200kN의 추력을 적용하고, 해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 복합재 압력용기 내면과 외면의 섬유방향 변형률을 계산한 결과, Fulton 돔의 경우 ${\rho}_0$가 커질수록 변형률 기울기가 작아지고, Vasiliev 돔은 뚜렷한 경향성이 나타나지 않는다. 또한 ${\rho}_0{\leq}0.1$일 경우 모든 추력에서 Fulton 돔이 변형률 기울기가 더 큰 것을 확인 할 수 있었다. 0.1<${\rho}_0$<0.35인 경우 주어진 추력 범위에서 변형률 기울기가 역전되는 형상을 보이며, $0.35{\leq}{\rho}_0$에서는 모든 구역에서 Vasiliev 돔이 변형률 기울기가 더 크게 나타나 압력용기의 설계에 적용하는 것이 효과적이라고 판단된다. 또한 복합재 압력용기의 변형률 기울기로 인해 발생하는 수지균열을 고려한 돔형상 설계가 필수적이다.
본 연구에서는 외부하중을 고려하여 Fulton과 Vasiliev가 제안한 돔형상 식을 적용하여 복합재 압력용기의 돔형상을 설계하고 해석하였다. 돔형상 설계변수로는 0.1 ~ 0.5 의 오프닝 반경비와 40kN ~ 200kN의 추력을 적용하고, 해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 복합재 압력용기 내면과 외면의 섬유방향 변형률을 계산한 결과, Fulton 돔의 경우 ${\rho}_0$가 커질수록 변형률 기울기가 작아지고, Vasiliev 돔은 뚜렷한 경향성이 나타나지 않는다. 또한 ${\rho}_0{\leq}0.1$일 경우 모든 추력에서 Fulton 돔이 변형률 기울기가 더 큰 것을 확인 할 수 있었다. 0.1<${\rho}_0$<0.35인 경우 주어진 추력 범위에서 변형률 기울기가 역전되는 형상을 보이며, $0.35{\leq}{\rho}_0$에서는 모든 구역에서 Vasiliev 돔이 변형률 기울기가 더 크게 나타나 압력용기의 설계에 적용하는 것이 효과적이라고 판단된다. 또한 복합재 압력용기의 변형률 기울기로 인해 발생하는 수지균열을 고려한 돔형상 설계가 필수적이다.
In this study, we perform the design of dome geometry for the composite pressure vessel with applying the equation of Fulton and Vasiliev considering external load(thrusts). Variables of the dome geometry are opening radius ratio(${\rho}_0$) from 0.1 to 0.5 and thrust level from 40kN to 2...
In this study, we perform the design of dome geometry for the composite pressure vessel with applying the equation of Fulton and Vasiliev considering external load(thrusts). Variables of the dome geometry are opening radius ratio(${\rho}_0$) from 0.1 to 0.5 and thrust level from 40kN to 200kN. We conduct Finite Element Analysis(FEA) by using ABAQUS. As a result, the strain of the composite pressure vessel has shown strain gradient from inner to outer of dome surface. And the strain gradient may cause crack of resin inside the composite laminate. Strain gradient of Fulton dome is monotonously decreased as the ${\rho}_0$ increases, but the strain gradient of Vasiliev dome bas shown some different trend. when ${\rho}_0{\leq}0.1$, strain gradient of Fulton's is higher than Vasiliev's. But when 0.1<${\rho}_0$<0.35, strain gradient of Vasiliev's becomes higher than Fulton's. And in the case of $0.35{\leq}{\rho}_0$, strain gradient of Vasiliev's is higher than Fulton's. So the Vasiliev dome is more effective in ${\rho}_0{\leq}0.1$ condition and Fulton dome is more effective in $0.35{\leq}{\rho}_0$ condition. So, it's important for dome design to consider the crack of resin cause of the strain gradient.
In this study, we perform the design of dome geometry for the composite pressure vessel with applying the equation of Fulton and Vasiliev considering external load(thrusts). Variables of the dome geometry are opening radius ratio(${\rho}_0$) from 0.1 to 0.5 and thrust level from 40kN to 200kN. We conduct Finite Element Analysis(FEA) by using ABAQUS. As a result, the strain of the composite pressure vessel has shown strain gradient from inner to outer of dome surface. And the strain gradient may cause crack of resin inside the composite laminate. Strain gradient of Fulton dome is monotonously decreased as the ${\rho}_0$ increases, but the strain gradient of Vasiliev dome bas shown some different trend. when ${\rho}_0{\leq}0.1$, strain gradient of Fulton's is higher than Vasiliev's. But when 0.1<${\rho}_0$<0.35, strain gradient of Vasiliev's becomes higher than Fulton's. And in the case of $0.35{\leq}{\rho}_0$, strain gradient of Vasiliev's is higher than Fulton's. So the Vasiliev dome is more effective in ${\rho}_0{\leq}0.1$ condition and Fulton dome is more effective in $0.35{\leq}{\rho}_0$ condition. So, it's important for dome design to consider the crack of resin cause of the strain gradient.
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가설 설정
식 (10)은 Fulton 돔형상의 기본 가정식이다. 돔의 가해지는 추력이 돔 전체에 가해지며, 돔에 오프닝 부가 없는 상태에서 돔에 압력이 작용한다고 가정한다.
식 (11)은 Vasiliev 돔형상의 기본 가정식이다. 돔의 자오선 방향에 가해지는 추력이 오프닝부 쉘의 단면에 일정하게 분포되어 있는 단위길이당 축 방향 하중 T로 가정하였으며, 압력은 돔에 오프닝부 부터 작용한다고 가정하였다.
제안 방법
각 돔형상 설계 식을 이용하여 추력(40kN, 100kN, 200kN)과 오프닝 부 반경비(ρ0=0.1, 0.2, 0.35, 0.5, ρ0=r0/rc )를 변수로 하여 돔형상을 설계하였다.
해석결과 돔의 외면과 내면에 변형률 기울기가 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 돔 형상 설계 식에 따라 변형률 기울기의 경향성을 확인하기 위해서 돔의 축 방향의 중간 지점에서의 변형률 기울기([∊inner-∊outer]/t, t는 복합재두께)를 계산하였다. Fig.
복합재 압력 용기의 오프닝 반경비와 추력을 변수로 설정하여 Fultou 돔형상과 Vasiliev 돔형상을 설계하고 구조해석을 수행하였다. 그 결과돔 부에서 변형률 기울기가 크게 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
14를 이용하여서 해석을 수행하였다. 원통부에서 오프닝 부로 갈수록 와인딩 밴드가 중첩되면서 두께 변화를 고려하기 위해서 솔리드 격자(C3D8R)를 적용하여 모델링하였다. 또한 식 (6)을 이용하여 돔 부 반경에 따른 와인딩 각도를 계산하여 적용하였다.
본 연구에서는 추력을 고려한 돔형상 설계식 중 Fulton이 제시한 설계기법을 보완한 설계식[4]과 Vasiliev가 제시한 설계 식[5]을 이용하여 돔형상을 설계하였고, 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 구조해석을 수행하였다. 이때 변수로는 추력과 보스 오프닝 비를 선정하였으며 돔의 내면과 외면의 섬유방향 변형률 기울기를 비교하고 고찰하였다.
해석의 단순화를 위해 연소관의 5° 만 모델링하여 순환대칭 조건을 적용하였으며, 압력용기의 전방부만 모델링하여 돔의 축 방향 (z-axis)으로 면대칭 조건을 적용하였다.
대상 데이터
본 연구에 적용한 압력용기는 원통부의 반경은 250 mm이며, T800/epoxy 탄소섬유 복합재를 적용하였다.
데이터처리
Table 1은 물성 정보를 나타내고 있다. 또한 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS 6.14를 이용하여서 해석을 수행하였다. 원통부에서 오프닝 부로 갈수록 와인딩 밴드가 중첩되면서 두께 변화를 고려하기 위해서 솔리드 격자(C3D8R)를 적용하여 모델링하였다.
이론/모형
이러한 이유로 돔의 형상 설계에 대해 많은 연구가 진행되어왔다[1-3]. 본 연구에서는 추력을 고려한 돔형상 설계식 중 Fulton이 제시한 설계기법을 보완한 설계식[4]과 Vasiliev가 제시한 설계 식[5]을 이용하여 돔형상을 설계하였고, 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 구조해석을 수행하였다. 이때 변수로는 추력과 보스 오프닝 비를 선정하였으며 돔의 내면과 외면의 섬유방향 변형률 기울기를 비교하고 고찰하였다.
성능/효과
0.1 < ρ0 < 0.35에서는 주어진 추력 범위 안에서 변형률 기울기의 역전하는 형상을 보이며, 0.35 ≤ ρ0에서는 Vasiliev 돔이 Fulton 돔보다 변형률 기울기가 더 크게 나타났다.
Fulton 돔의 경우 ρ0가 커질수록 변형률 기울기가 작아지는 것을 확인 할 수 있었고, Vasiliev 돔의 변형률 기울기는 특정 영역에서 유지하는 것을 확인 할 수 있었다.
35 ≤ ρ0에서는 Vasiliev 돔이 Fulton 돔보다 변형률 기울기가 더 크게 나타났다. Vasiliev 돔이 변형률 기울기가 더 크게 나타나 압력용기의 설계에 적용하는 것이 효과적이라고 판단된다. 또한 복합재 압력용기의 변형률 기울기로 인해 발생하는 수지균열을 고려한 돔형상 설계가 필수적이다.
복합재 압력 용기의 오프닝 반경비와 추력을 변수로 설정하여 Fultou 돔형상과 Vasiliev 돔형상을 설계하고 구조해석을 수행하였다. 그 결과돔 부에서 변형률 기울기가 크게 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. Fulton 돔의 경우 오프닝 반경비가 커질수록 변형률 기울기가 작아지는 것을 확인 할 수 있었다.
또한 ρ0 ≤ 0.1일 경우 모든 추력에서 Fulton 돔이 Vasiliev 돔보다 변형률 기울기가 더 큰 것을 확인 할 수 있었으며, 0.1 < ρ0 < 0.35 에서 변형률 기울기가 역전되어 0.35 ≤ ρ0에는 Vasiliev 돔이 Fulton 돔보다 변형률 기울기가 더 큰 것을 확인 할 수 있었다.
5는 Vasiliev 돔의 내면과 외면의 섬유 방향 변형률을 나타내고 있다. 해석결과 돔의 외면과 내면에 변형률 기울기가 발생하는 것을 확인 할 수 있었다. 돔 형상 설계 식에 따라 변형률 기울기의 경향성을 확인하기 위해서 돔의 축 방향의 중간 지점에서의 변형률 기울기([∊inner-∊outer]/t, t는 복합재두께)를 계산하였다.
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