초록 ▼

Ⅳ. 연구개발결과
압축력을 받는 보강재를 사용하지 않는 금속재 단순 원통 구조(R/t=225)에 대하여 후좌굴 해석을 수행하고 좌굴 하중 및 좌굴 Knockdown factor를 기존의 연구 결과와 비교하여 본 연구의 후좌굴 해석 기법을 적절히 검증하였다. 또한, 다양한 두께비 (R/t=225, 400, 및 600)에 대하여 후좌굴 해석을 수행하고 좌굴 Knockdown factor를 도출하여 본 연구에서 정립된 좌굴 Knockdown factor가 NASA의 좌굴설계 기준보다 높으므로 경량구조설계의 제공이 가능함을 확인하였다

Ⅳ. 연구개발결과
압축력을 받는 보강재를 사용하지 않는 금속재 단순 원통 구조(R/t=225)에 대하여 후좌굴 해석을 수행하고 좌굴 하중 및 좌굴 Knockdown factor를 기존의 연구 결과와 비교하여 본 연구의 후좌굴 해석 기법을 적절히 검증하였다. 또한, 다양한 두께비 (R/t=225, 400, 및 600)에 대하여 후좌굴 해석을 수행하고 좌굴 Knockdown factor를 도출하여 본 연구에서 정립된 좌굴 Knockdown factor가 NASA의 좌굴설계 기준보다 높으므로 경량구조설계의 제공이 가능함을 확인하였다.

보강재를 사용하지 않는 복합재 단순 원통 구조(24˚/-24˚/41˚/-41˚ 및 R/t_lam=500)에 대하여 후좌굴 해석을 수행하고 좌굴 Knockdown factor를 도출하여 기존의 연구 결과와 비교 및 검증하였다. 복합재 원통 구조의 다양한 두께비 (R/t=167, 250, 및 500)에 대하여 좌굴 Knockdown factor를 도출하였고, 좌굴 Knockdown factor가 두께비에 대하여 거의 일정함하며 기존 NASA의 좌굴 설계 기준보다 높음을 연구하였다.

압축력을 받는 일반 금속재 직교 그리드 원통 구조 (R/t_eff=192) 및 금속재 이종 그리드 원통 구조 (R/t_eff=160)에 대하여 후좌굴 해석을 수행하고 좌굴 Knockdown factor를 정립하였다. 동일 중량의 원통 구조에 대하여, 이종 그리드 원통 구조의 전역 좌굴 하중과 좌굴 Knockdown factor가 일반 직교 그리드 원통 구조에 비하여 높게 예측되었으며, 이를 통하여 이종 그리드 원통 구조가 좌굴 하중을 고려한 우주 발사체 경량구조 설계에 보다 적합함을 확인하였다. 더불어, 다양한 두께비 (직교 그리드 원통의 경우 R/t_eff=100, 192, 300, 및 400 및 이종 그리드 원통의 경우 R/t_eff=100, 160, 200, 및 300)에 대하여 좌굴 Knockdown factor를 도출하고 이를 이용하여 좌굴 Knockdown factor 함수를 표현하였다. 이종 그리드 원통구조의 좌굴 Knockdown factor 함수가 R/t_eff=0~500의 범위에서 일반 직교 그리드 원통 구조 및 기존 NASA의 좌굴 설계 기준보다 높음을 조사하였다.

삼각형 형태의 그리드 구조를 이용하는 금속재 등방성 그리드 원통 구조 (R/t_eff=441)에 대하여서 보강재를 모델링하는 상세 모델링 기법과 보강재를 모델링하지 않는 등가 모델링 기법을 모두 이용하여 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor를 도출하였다. 연구 결과, 등가 모델링 기법이 해석 시간을 단축하면서 적절한 전역 좌굴 하중 및 Knockdown factor를 제공할 수 있음을 확인하였다. 또한 다양한 두께비 (R/t_eff=100, 200, 300, 및 441)에 대하여 좌굴 Knockdown factor를 도출하고 이 결과를 이용하여 좌굴 Knockdown factor 함수를 표현하였다. 얻어진 좌굴 Knockdown factor 함수는 상세 모델의 결과와 등가 모델의 결과가 매우 유사하였으며, NASA의 좌굴 설계 기준보다 높음을 확인하였다.

마지막으로 ABAQUS, MATLAB, 및 Hypersizer 등의 다양한 해석 및 설계 프로그램을 연계하여 이종 그리드 원통 구조의 최적설계 프레임워크를 구축하였다. 이때 앞서 얻어진 이종 그리드 원통 구조의 좌굴 Knockdown factor 함수를 적절하게 사용하여 최적설계 시, 비선형 후좌굴 해석을 수행하지 않으면서도 원통 구조의 초기 결함을 적절히 고려하였다. 이종 그리드 원통 구조의 중량은 최소화하면서 전역좌굴 하중은 유지 혹은 향상시키는 최적 설계를 수행하여, 기본 모델 대비, 중량을 29.7% 감소시키면서 전역 좌굴 하중을 약 1.36% 증가시키는 이종 그리드 원통 구조의 형상을 설계할 수 있었다. 또한 얻어진 설계 결과를 기존 연구의 설계 결과와 비교하여 최적 설계 기법의 타당성을 적절히 검증하였다.

(출처 : 요약문 3p)

Abstract ▼

Ⅳ. Research results
The postbuckling analysis is conducted for the simple metallic unstiffened cylinder (R/t=225) and the shell Knockdown factor is derived. The predicted global buckling load and derived Knockdown factor are compared with the previous results in order to validate the techniques f

Ⅳ. Research results
The postbuckling analysis is conducted for the simple metallic unstiffened cylinder (R/t=225) and the shell Knockdown factor is derived. The predicted global buckling load and derived Knockdown factor are compared with the previous results in order to validate the techniques for postbuckling analysis and derivation of shell Knockdown factor. In addition, the shell Knockdown factors are derived for different shell thickness ratios (R/t=225, 400, and 600). As a result, it is shown that the present Knockdown factor can provide the lightweight design of space launch vehicles as compared with the previous NASA’s buckling design criteria.

The shell Knockdown factors for unstiffened composite cylinders (24˚/-24˚ /41˚/-41˚ and R/t=167, 250, and 500) are derived using the postbuckling analysis results. The derived Knockdown factors are almost constant with respect to the shell thickness ratio and they all are higher than the previous NASA’s Knockdown factor.

The traditional metallic orthogrid stiffened cylinders (R/t_eff=100, 192, 300, and 400) and metallic hybrid-grid stiffened cylinders (R/t_eff=100, 160, 200, and 300) are used for the postbuckling analyses and derivation of shell Knockdown factors. For two stiffened cylinders with the same structural weight, it is shown that the hybrid-grid stiffened cylinder is more efficient in the point of view of lightweight design of space launch vehicles considering the buckling loads since the global buckling load and Knockdown factor of a hybrid-grid stiffened cylinder are higher than those of a traditional orthogrid stiffened cylinder. In addition, the Knockdown factor functions are expressed in terms of the shell thickness ratio for the orthogrid stiffened and hybrid-grid stiffened cylinders. As a result, the Knockdown factor of the hybrid-grid stiffened cylinder is higher than NASA’s buckling design criteria as well as that of the traditional orthogrid stiffened cylinder.

In addition, for the metallic isogrid stiffened cylinders, the shell Knockdown factors are derived using the full and equivalent models for various shell thickness ratios (R/t_eff=100, 200, 300, and 441). It is shown that the equivalent model for an isogrid stiffened cylinder can predict the global buckling load appropriately and provide the shell Knockdown factor efficiently as compared to the results using the full model.
Furthermore, it is investigated that the derived shell Knockdown factors for isogrid stiffened cylinders are higher than the previous NASA’s buckling design criteria.

Finally, the design optimization framework is constructed to minimize the structural weight of a hybrid-grid stiffened cylinder while maintaining or improving its global buckling load. The present design optimization framework consists of various analysis and design tools such as ABAQUS, MATLAB, Hypersizer, and so on. The present design optimization for the hybrid-grid stiffened cylinder minimizes the structural weight by 29.7%; however, increases the global buckling load by about 1.36% as compared to the baseline model. In addition, the present design results are compared well with the previous optimal design results of the hybrid-grid stiffened cylinder.

(출처 : SUMMARY 5p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제 출 문 ... 2
• 요 약 문 ... 3
• SUMMARY ... 5
• CONTENTS ... 8
• 목차 ... 11
• 제1장. 서론 ... 14
• 제 1 절. 연구의 필요성 ... 14
• 제 2 절. 연구의 목표 ... 14
• 제 3 절. 연구의 범위 ... 15
• 제 4 절. 연구 추진 일정 ... 17
• 제2장. 국내외 기술개발 현황 ... 18
• 제 1 절. 연구개발대상 기술의 국내외 현황요약 ... 18
• 제3장. 연구개발수행 내용 및 결과 ... 20
• 제 1 절. 이종 그리드의 구조 형식 조사 ... 20
• 제 2 절. 이종 그리드를 이용한 발사체 구조 경량화 특성 연구 ... 21
• 제 3 절. ABAQUS를 이용한 비선형 정적 후좌굴 해석 기법 ... 25
• 제 4 절. 압축력을 받는 금속재 단순 원통 구조의 좌굴 Knockdown factor 도출 기법의 검증 ... 30
• 4.1. 압축력을 받는 금속재 단순 원통 구조에 대한 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출 기법의 검증 ... 31
• 4.2. 다양한 두께비에 대한 금속재 단순 원통 구조의 비선형 정적 후좌굴 해석 ... 34
• 4.3. 다양한 초기 결함 모델링 기법을 이용한 금속재 단순 원통 구조의 좌굴 Knockdown factor의 도출 ... 38
• 4.4. 내부 압력을 고려한 금속재 단순 원통 구조의 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출 ... 44
• 제 5 절. 압축력을 받는 복합재 단순 원통 구조의 좌굴 Knockdown factor 도출 기법의 정립 ... 50
• 5.1. 복합재 단순 원통 구조의 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출 기법의 검증 및 정립 ... 50
• 5.2. 다양한 두께비의 복합재 단순 원통 구조에 대한 좌굴 Knockdown factor 도출 ... 56
• 제 6 절. 복합재 원추형 구조에 대한 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출 ... 61
• 6.1. 복합재 원추형 구조에 대한 좌굴 Knockdown factor 도출 기법의 검증 및 정립 ... 61
• 6.2. 다양한 두께비의 K06 복합재 원추형 구조에 대한 좌굴 Knockdown factor 도출: 비대칭 적층 조건의 복합재 원추형 구조 ... 69
• 6.3. 다양한 두께비의 K08 복합재 원추형 구조에 대한 좌굴 Knockdown factor 도출: 대칭 적층 조건의 복합재 원추형 구조 ... 74
• 6.4. 다양한 경사각의 복합재 원추형 구조에 대한 좌굴 Knockdown factor 도출 ... 79
• 제 7 절. 보강재를 사용하는 보강된 원통 구조의 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출 ... 85
• 7.1. 직교 및 이종 그리드 원통 구조의 유효 두께 (teff) 도출 ... 86
• 7.2. 직교 및 이종 그리드 원통 구조의 형상 및 유한요소 모델 ... 89
• 7.3. 직교 그리드 원통 구조의 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출: 기본 및 최소 중량 모델 ... 92
• 7.4. 이종 그리드 원통 구조의 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출 : 기본 및 최소 중량 모델 ... 96
• 7.5. 다양한 두께비의 직교 그리드 원통 구조의 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출 ... 100
• 7.6. 다양한 두께비의 이종 그리드 원통 구조의 비선형 후좌굴 해석 및 좌굴 Knockdown factor 도출 ... 105
• 7.7. 직교 및 이종 그리드 원통 구조에 대한 좌굴 Knockdown factor 함수 도출 ... 110
• 7.8. 등방성 그리드 원통 구조의 등가 모델링 기법 ... 111
• 7.9. 다양한 두께비의 등방성 그리드 원통 구조의 상세 모델 및 등가 모델의 설계 ... 113
• 7.10. 상세 모델 및 등가 모델의 등방성 그리드 원통 구조의 형상 및 유한요소 모델 ... 115
• 7.11. 상세 모델 및 등가 모델을 이용한 등방성 그리드 원통 구조의 기본 모델의 비선형 후좌굴 해석 ... 119
• 7.12. 상세 모델 및 등가 모델을 이용한 다양한 두께비의 등방성 그리드 원통 구조의 비선형 후좌굴 해석 ... 121
• 7.13. 다양한 두께비의 등방성 그리드 원통 구조의 대한 좌굴 Knockdown factor 함수 도출 ... 127
• 제 8 절. 이종 그리드를 이용한 발사체 원통 구조의 최적 설계연구 ... 129
• 8.1. 이종 그리드 원통 구조에 대한 최적 설계 프레임워크 및 최적 설계 기법 ... 129
• 8.2. 이종 그리드 원통 구조에 대한 최적 설계 결과 및 검증 ... 133
• 제4장. 연구개발 목표의 달성도 및 대외기여도 ... 137
• 제 1 절. 연구개발 목표의 달성도 ... 137
• 제 2 절. 대외 기여도 ... 138
• 제5장. 연구개발 결과의 활용계획 ... 142
• 제6장. 참고문헌 ... 143
• 끝페이지 ... 146