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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김한상
- 발행연도
- 2022
- 저작권
- 가천대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수50
이 논문의 연구 히스토리 (8)
2021
Type 4 복합재료 압력용기 최적 설계, 구조 및 낙하충격해석
송귀남
,
오정우
,
김한상
한국가스학회 학술대회논문집
2021.11
학술대회자료
유전 알고리즘 및 담금질 기법을 활용한 Type 4 복합재료 압력용기 최적화 프로세스
송귀남
,
김한상
한국수소및신에너지학회논문집
2021.08
학술저널
SPH 기법을 활용한 Type 4 복합재료 압력용기 낙하 충격 해석
송귀남
,
김한상
한국수소및신에너지학회논문집
2021.06
학술저널
Type 4 복합재료 압력용기 구조해석 및 최적화, 낙하충격해석
송귀남
,
최인호
,
김한상
한국가스학회 학술대회논문집
2021.05
학술대회자료
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CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastic)는 탄소 섬유 강화 플라스틱으로 탄소섬유에 에폭시(Epoxy) 등의 기지재를 함침 시켜 제작한다. 또한, 고압 가스 저장용 Type 3 및 Type 4 복합재료 압력용기는 각각 알루미늄 및 플라스틱으로 제작 된 라이너(Liner) 위에 탄소섬유를 필라멘트 와인딩(Filament Winding) 공정을 적용하여 제작한다. 최근 환경 문제 등의 영향으로 세계적으로 화석연료에 대한 규제가 강화되며 신 에너지로 수소를 에너지원으로 활용하고자 하는 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 다양한 수소의 저장 방법 중 기체 상태의 수소를 고압으로 저장하여 사용하기 위하여 고압 수소 저장용 탄소섬유 복합재료 압력용기에 대한 관심이 증가하고 연구가 국내 및 국외에서 활발하게 진행되고 있다. 또한 고압의 수소 가스를 기체 상태로 저장하는 만큼 탄소섬유 복합재료 압력용기의 구조적 안정성 및 수명이 안전 문제와 직결되며, 드론에 사용되는 경우 낙하 및 추락에 의한 파손을 고려하는 것이 중요하다.
본 연구에서는 탄소섬유 복합재료 압력용기의 제작 공정 중 필라멘트 와인딩 공정을 상용 구조해석 프로그램인 Abaqus와 Abaqus Plug-in 인 WCM(Wound Composite Modeler)을 사용하여 모사하는 방법을 기반으로 연구를 진행하였다. 탄소섬유 복합재료의 와인딩 패턴(Winding Pattern) 별 최대 응력 위치를 확인하여 안전성을 확보할 수 있는 와인딩 패턴을 확인하였으며, 앞서 확인한 초기 와인딩 패턴에 관한 최적화 과정을 수행하여 최대 응력을 감소시켰으며, 각 와인딩 패턴별 특성에 따른 알루미늄 보스(Boss) 부에 대한 피로 및 수명 해석을 통해 내구 성능을 예측 및 확인하였다. 마지막으로, 도출한 와인딩 패턴으로 설계 된 탄소섬유 복합재료 압력용기를 모델링하여 낙하 시험과정을 해석적으로 모사하였으며, 이는 드론 등 낙하 및 추락 환경에 노출되는 복합재료 압력용기에 관해 적층 된 와인딩 패턴이 낙하 및 추락 환경에서도 성능과 안전성을 확보하는 것에 대한 가능 여부를 확인함과 설계된 탄소섬유 복합재료 압력용기의 적합성 및 안전성을 확인하였다.
본 연구에서는 탄소섬유 복합재료 압력용기의 제작 공정 중 필라멘트 와인딩 공정을 상용 구조해석 프로그램인 Abaqus와 Abaqus Plug-in 인 WCM(Wound Composite Modeler)을 사용하여 모사하는 방법을 기반으로 연구를 진행하였다. 탄소섬유 복합재료의 와인딩 패턴(Winding Pattern) 별 최대 응력 위치를 확인하여 안전성을 확보할 수 있는 와인딩 패턴을 확인하였으며, 앞서 확인한 초기 와인딩 패턴에 관한 최적화 과정을 수행하여 최대 응력을 감소시켰으며, 각 와인딩 패턴별 특성에 따른 알루미늄 보스(Boss) 부에 대한 피로 및 수명 해석을 통해 내구 성능을 예측 및 확인하였다. 마지막으로, 도출한 와인딩 패턴으로 설계 된 탄소섬유 복합재료 압력용기를 모델링하여 낙하 시험과정을 해석적으로 모사하였으며, 이는 드론 등 낙하 및 추락 환경에 노출되는 복합재료 압력용기에 관해 적층 된 와인딩 패턴이 낙하 및 추락 환경에서도 성능과 안전성을 확보하는 것에 대한 가능 여부를 확인함과 설계된 탄소섬유 복합재료 압력용기의 적합성 및 안전성을 확인하였다.
목차
국문 초록Ⅰ. 서론 11.1 연구 배경 및 필요성 11.2 연구 목적 및 방법 5Ⅱ. 본론 72.1 복합재료 압력용기 설계 7(1) 설계 이론 7(2) 복합재료 압력용기 파손 기준 122.2 복합재료 압력용기 와인딩 패턴 특성 분석 16(1) 전체 헬리컬 층 각도 동일, 후프 : 헬리컬 비율 변화 19(2) 다양한 헬리컬 각도 구성, 후프 : 헬리컬 비율 변화 23(3) 다양한 헬리컬 각도 구성, 후프 : 헬리컬 비율 변화, 첫 각도 낮은 각도 설정 28(4) 다양한 헬리컬 각도 구성, 후프 : 헬리컬 비율 변화, 첫 각도 높은 각도 설정 322.3 와인딩 특성에 따른 보스 부 수명 예측 36(1) BrownMiller-Morrow 피로 알고리즘 37(2) 각 와인딩 패턴 특성 별 보스 부 피로 해석 결과 392.4 최적 패턴 도출 및 와인딩 각도 최적화 57(1) 최적화 프로세스 설계 58(2) 최적화 프로세스 해석 결과 652.5 SPH 기법을 활용한 드론 장착용 수소 저장 복합재료 압력용기 낙하 해석 67(1) 낙하 충격 해석 모델링 68(2) 낙하 충격 해석 결과 78Ⅲ. 결론 86(1) 와인딩 패턴에 따른 구조해석 결과 86(2) 와인딩 패턴에 따른 보스 부 수명 및 피로해석 결과 88(3) 최적화 프로세스 및 낙하 해석 결과 90Ⅳ. 참고문헌 92Ⅴ. Abstract 97
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