초록 ▼

발사체 동체 구조물의 경량화를 위하여 구조재료로서 복합재료를 적용하는 연구를 수행하였다. 압축하중에 대하여 보강재가 부착된 동체구조물의 좌굴특성을 분석하였다. 적합한 좌굴 후 거동 해석기법과 함께 재료파손을 고려하여 구조물의 파손강도를 예측하여 실험결과와 비교하였다. 이와 같은 해석은 막대한 계산시간을 요구하므로 메타모델이라는 근사기법을 적용하여 구조최적화를 수행하였다. 제안된 기법을 적용하여 좌굴파손하중을 증가시킬 수 있는 적층각을 탐색하였다. 일련의 과정을 통하여 제안한 기법의 효율성과 정확성을 검증하였다.
추진제 탱크는

발사체 동체 구조물의 경량화를 위하여 구조재료로서 복합재료를 적용하는 연구를 수행하였다. 압축하중에 대하여 보강재가 부착된 동체구조물의 좌굴특성을 분석하였다. 적합한 좌굴 후 거동 해석기법과 함께 재료파손을 고려하여 구조물의 파손강도를 예측하여 실험결과와 비교하였다. 이와 같은 해석은 막대한 계산시간을 요구하므로 메타모델이라는 근사기법을 적용하여 구조최적화를 수행하였다. 제안된 기법을 적용하여 좌굴파손하중을 증가시킬 수 있는 적층각을 탐색하였다. 일련의 과정을 통하여 제안한 기법의 효율성과 정확성을 검증하였다.
추진제 탱크는 발사체 구조 무게의 대부분을 차지한다. 따라서 추진제 탱크의 무게 경량화는 필수적이며 특히 선진국들을 중심으로 복합재료로 대체하기 위한 연구가 많이 진행 중이다. 하지만 복합재료를 극저온에 적용하기 위해서는 탱크의 실제 운용 환경에서의 거동을 파악하여 이에 가장 적합한 재료를 개발하는 과정이 필수적으로 선행되어야 한다. 이를 위해 본 연구에서는 먼저 극저온 실험환경을 확립하였으며 극저온에서 우수한 물성을 가지는 복합재를 개발하기 위해 (주)한국화이바와 연계하여 수지조성을 바꿔가며 복합재를 제작하였다.
1차년도에서 수행되었던 탄소섬유 직조 복합재 시편(HFG CF3327, 일반적인 $120^{\circ}C$ 경화수지사용)의 실험결과를 살펴보면 극저온에서 10시간 3회 노화 후 강도가 상온대비 약 14% 이상 감소함을 알 수 있었다. 또한 2차년도에서는 탄소섬유 일방향 복합재(HFG CU125NS, 일반적인 $120^{\circ}C$ 경화수지사용)의 경우 극저온에서 10시간 1회 노화 후에 상온 대비 4.5%의 강도감소를 보여주었다. 이에 비해 본 연구에서 개발 중인 Type B 모델의 수지조합을 사용한 일방향 탄소섬유 복합재의 경우 극저온에서 10시간 1회 노화 후 상온대비 5%의 강도증가를, 기존재료의 10시간 1회 노화 후 강도(섬유체적비를 등가로 할 경우) 대비 17%의 강도증가를 보여주었다. Type B의 경우 극저온 복합재 탱크구조물에 적용가능성을 보여주었다.

Abstract ▼

A. Optimization of fuselage structures for launch vehicles
The analysis for the postbuckling characteristics of fuselage structures is essential for the structural optimization. A damage tolerance design concept has been used to increase the structural optimization. A damage tolerance design conc

A. Optimization of fuselage structures for launch vehicles
The analysis for the postbuckling characteristics of fuselage structures is essential for the structural optimization. A damage tolerance design concept has been used to increase the structural optimization. A damage tolerance design concept has been used to increase the structural efficiency. The progressive failure mechanism of composite materials was imposed to the analysis. By these processes, the prediction of the failure load was possible and the structural optimization was performed using this analysis process.
Because a postbuckling analysis includes geometric nonlinear behavior and progressive failure of composite materials, the amount of calculation time was very large. Due of this calculation time, a structural optimization using existing optimization techniques is almost impossible in personal computers. Therefore, new optimization technique using metamodel, which is one of system optimization techniques, was proposed. Among the many schemes of metamodels, MLSM(Moving Least Square Method) was chosen in this research to approximate system response. Moreover DS-RSM(Response Surface for Divided design Space) was devised to guarantee the global optimum.
B. Development of composites for cryogenic use
Before performing mechanical test under cryogenic environment, it must be established that accurate cryogenic properties can be obtained. The problems that doesn't happen under room temperature such as separation of tab from specimen, sliding of specimen from grips and so on must be solved. The method of acquisition of accurate strain data and the thermo-mechanical cycles that can best simulate the cryogenic tank environment must be determined.
For the set-up of experiment under cryogenic temperature, the test of the reference material, HFG CU125NS, should be performed. And the composites that have excellent cryogenic properties must be selected in cooperation with a composite fabrication enterprise. In this procedure, for the purpose of overcoming the difficulties in chemical approaches and enhancing the efficiency of development, we supply the composite fabrication enterprise, HanKuk Fiber Glass Co. Ltd. with the literature materials including the resins for cryogenic use and their manufactures. And also, we performed the cryogenic experiments of developed 6 types of composites. Finally, we suggest the composites which have excellent mechanical properties under cryogenic environment.

목차 Contents

• 표지...1
• 제출문...2
• 보고서 초록...3
• 요약문...4
• SUMMARY...7
• CONTENTS...10
• 목차...12
• 제 1 장 서론...14
• 제 1 절 복합재료 동체 최적화 연구...14
• 제 2 절 극저온용 복합재 개발 연구...14
• 제 2 장 발사체 동체 구조물의 좌굴특성 해석...18
• 제 1 절 개요 : 동체 구조물 좌굴해석...18
• 제 2 절 실험을 통한 좌굴특성 분석...18
• 제 3 절 해석을 통한 좌굴특성 분석...20
• 제 4 절 좌굴이후 거동해석 가속화 기법...27
• 제 5 절 동체 구조물의 좌굴해석 결론 및 고찰...30
• 제 3 장 메타모델을 이용한 최적화 기법 개발...32
• 제 1 절 개요 효율적 최적설계 기법...32
• 제 2 절 메타모델의 기본개념 및 특성...33
• 제 3 절 메타모델을 이용한 최적해 탐색...42
• 제 4 절 동체 구조물의 최적설계...47
• 제 5 절 효율적 최적설계 기법 개발의 결론 및 고찰...50
• 제 4 장 극저온 실험환경 및 실험방법 정립...51
• 제 1 절 극저온 환경 모사 장비 및 변형률 측정 방법...51
• 제 2 절 극저온 예비실험...55
• 제 5 장 극저온 열-하중 사이클에 따른 복합재의 인장물성 측정...59
• 제 1 절 실험개요...59
• 제 2 절 Graphite/epoxy 일방향 복합재의 극저온 인장실험...59
• 제 3 절 실험결과 및 분석...62
• 제 6 장 극저온용 복합재 개발...69
• 제 1 절 실험개요...69
• 제 2 절 Graphile/epoxy 복합재료의 수지조성...69
• 제 3 절 극저온 열-하중 사이클에 따른 인장실험...72
• 제 4 절 실험결과 및 고찰...73
• 제 5 절 극저온 노화 후 복합재 모델의 인장물성 비교...82
• 제 7 장 결론 및 향후 계획...87
• 제 1 절 복합재료 동체 최적화 연구...87
• 제 2 절 극저온 복합재 개발 연구...87
• 참고문헌...89