섬유 방향 물성은 복합재 연소관의 내압 변형 및 파열 압력에 직접적인 영향을 미치므로, 우수한 성능의 복합재 연소관 개발을 위해서는 정확한 섬유 방향 물성 측정이 우선되어야 한다. 그러나 복합재 연소관의 섬유 방향 물성은 제작 공정 변수(와인딩 장비, 작업자, 작업환경 등)와 크기 효과에 의해 비교적 큰 영향을 받으므로 기존의 시편 시험 방법으로는 정확한 섬유 방향 물성 측정이 어렵다. 제품으로부터 다량의 링 시편을 채취, 시험할 수 있는 Hoop ring 시험 방법이 제시되었고, 실물 연소관의 수압 파괴 시험으로부터 구한 섬유 방향 물성과 근접된 좋은 일치를 나타내었다.
섬유 방향 물성은 복합재 연소관의 내압 변형 및 파열 압력에 직접적인 영향을 미치므로, 우수한 성능의 복합재 연소관 개발을 위해서는 정확한 섬유 방향 물성 측정이 우선되어야 한다. 그러나 복합재 연소관의 섬유 방향 물성은 제작 공정 변수(와인딩 장비, 작업자, 작업환경 등)와 크기 효과에 의해 비교적 큰 영향을 받으므로 기존의 시편 시험 방법으로는 정확한 섬유 방향 물성 측정이 어렵다. 제품으로부터 다량의 링 시편을 채취, 시험할 수 있는 Hoop ring 시험 방법이 제시되었고, 실물 연소관의 수압 파괴 시험으로부터 구한 섬유 방향 물성과 근접된 좋은 일치를 나타내었다.
The deformation and burst pressure of composite motor case highly depends on fiber material properties. Therefore, measuring exact fiber material properties is a priority item to develop a advanced composite motor case. However, the fiber material properties in composite motor case is very sensitive...
The deformation and burst pressure of composite motor case highly depends on fiber material properties. Therefore, measuring exact fiber material properties is a priority item to develop a advanced composite motor case. However, the fiber material properties in composite motor case is very sensitive on the various processing variables (equipment, operator and environmental condition etc..)and size effect, so the fiber material properties can't be measured exactly from the existing specimen test method. This paper suggests a newly developed test method, hoop ring test, that is capable of pressure testing with ring specimens extracted from real composite motor case. The results of hoop ring test showed excellent agreement with measured fiber material properties from hydro-burst test with full scale composite motor cases.
The deformation and burst pressure of composite motor case highly depends on fiber material properties. Therefore, measuring exact fiber material properties is a priority item to develop a advanced composite motor case. However, the fiber material properties in composite motor case is very sensitive on the various processing variables (equipment, operator and environmental condition etc..)and size effect, so the fiber material properties can't be measured exactly from the existing specimen test method. This paper suggests a newly developed test method, hoop ring test, that is capable of pressure testing with ring specimens extracted from real composite motor case. The results of hoop ring test showed excellent agreement with measured fiber material properties from hydro-burst test with full scale composite motor cases.
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제안 방법
ANOVA test는 각 시험 집단의 모 평균 값들이 서로 같다는 귀무가설로부터 출발하는데, 각 시험 값 집단은 정규 분포이고 모 분산은 동일하다는 가정이 적용된다. 이때 복합재 연소관의 설계 물성 값은 B-base 기준값을 이용하므로 95%신뢰도(유의수준 5%)로 설정하여 F기준 값을 결정하였다.
이러한 문제점 해결을 위해 링 시편의 끝단을 보강하는 방법이 제안되었고, 설계 변수 응력 해석을 통해 보강층의 재질과 두께 및 폭이 결정되었다. 보강된 ring 시편은 시편 끝단의 강성 증가로 고무 튜브의 밀림이 없고, 가공부의 강도 저하도 보완되어 Fig.
0(mm)인 시험용 압력 용기 시험은 비교적 정확한 섬유 방향 물성 측정이 가능하지만, 실 구조물과의 크기 및 적층 두께차이로 인한 섬유 물성의 변화를 규명할 수 없는 문제점이 존재한다[3]. 이러한 이유로 정확한 섬유 물성을 측정하는 가장 효과적인 방법은 실물 연소관의 수압 파괴시험이지만 많은 비용이 소요되어, 제품으로부터 다량의 링 시편을 채취하여 적은 비용으로 다량의 시험이 가능한 Hoop ring 시험 방법이 제안되었다. 시험 방법의 타당성 입증을 위해 기존 시험 결과와 비교하였고, 최종적으로 실 구조물 시험으로부터 구한 섬유 물성과의 통계적 비교/분석을 수행하였다.
대상 데이터
적용 소재는 T700/Epoxy(Epon826/MPDA/KH100)이고, 헬리컬 층과 후프 층으로 구성된 Φ500.0(mm) 압력용기로부터 폭 50.0(mm)의 Hoop ring 시편을 가공하여 시험을 수행하였다.
데이터처리
Φ500.0(mm) 압력용기로부터 구한 섬유 파손 변형률 분포를 기준으로 ANOVA test를 수행하여 상호 연관성을 검사하였다.
Hoop ring 시험의 타당성 입증을 위해 Split disk와 Φ500.0(mm) 압력용기의 수압시험으로부터 구한 섬유 파손 변형률 값과 비교분석하였다.
이러한 이유로 정확한 섬유 물성을 측정하는 가장 효과적인 방법은 실물 연소관의 수압 파괴시험이지만 많은 비용이 소요되어, 제품으로부터 다량의 링 시편을 채취하여 적은 비용으로 다량의 시험이 가능한 Hoop ring 시험 방법이 제안되었다. 시험 방법의 타당성 입증을 위해 기존 시험 결과와 비교하였고, 최종적으로 실 구조물 시험으로부터 구한 섬유 물성과의 통계적 비교/분석을 수행하였다.
성능/효과
8조 시험 결과 2%이내의 양호한 변동성을 갖는 섬유 방향 강성 분포를 구하였는데, 섬유부피 함유율 60%의 Rule of mixture로 예측한 섬유 방향 강성인 138.0(GPa)에 근사한 결과이다. Table 5는 동일 소재와 제작 공정으로 제작된 Φ 157.
0(mm)의 Hoop ring 시편을 가공하여 시험을 수행하였다. Hoop ring 시험 시 링 시편 일부만 파괴되는 현상이 발생하고, 섬유 파손 변형률의 변동성도 비교적 크게 나타났다.
0(mm) 시험 기준으로 수행된 ANOVA test 결과이다. 결론적으로 동일 모 평균을 갖는 것으로 평가되었다.
Figure 6과 Table 1은 Hoop ring 시편 보강 전, 후로부터 구한 섬유 파손 변형률 결과로서 각각 MIL-HDBK-17E의 분포적합도 검사를 통해 정규분포와 와이블 분포로 비교되었다. 보강된 시편인 경우, 평균값이 약 16% 증가하였고, 변동율(COV)은 절반으로 줄어드는 안정된 결과를 나타내었다.
내압 하중 모사가 가능하고, 시편 경계에 적용된 Glass 층 보강은 정확한 섬유 방향 물성의 측정을 가능케하였다. 실구조물의 파괴 시험 결과와의 ANOVA test를 통해 Hoop ring 시험의 타당성을 입증하였고, 본 논문에 적용된 소재 및 제작 공정으로 제작된 압력용기는 섬유 강도에 대한 크기효과(Size effect)는 없는 것으로 나타났다.
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