유한요소법에 의한 FRP 구조물의 응력해석

Abstract

FRP재료의 탄성계수, 포아슨 비, 및 인장강도 등을 matrix내에서의 fiber의 기하학적 배열 형상을 hexagonal array로 가정하여 이론적으로 해석하였다. 시편의 기포발생, fiber와 matrix경계면의 상태등의 영향을 무시한 이상적인 모델에서, 위의 각종 기계적 성질은 체적비에 의한 mixing rule이 잘 적용됨을 확인하였다. 계산결과 그 오차의 범위는 불과 5\% 미만이 였다. ablation 실험은 산소-아세칠렌 까스 발생장치에 의해 실시 하였으며, 이때 insulation index 및 weight loss 등을 외국 문헌에서 발표되어 있는 값들과 비교 하였으며, 외국의 경우 plasma에 의한 실험장치 등과 같이, 국내에서의 정밀실험 장치의 제작이 곤란한 탓으로, 그 값들의 오차가 크나 그 추세는 대강 일치함을 알 수 있었다. 이상의 FRP재료의 기초 실험에서 얻은 자료와 문헌에서 조사된 자료를 종합하여 HX-1 로켓노즐의 응력상태를 유한 요소법에 의해서 수치해석 하였다. 이 결과는 스트레인 게이지에 의한 3기의 로켓모타의 지상연소 실험에서 얻은 결과와 비교 검토하였다. 여기서 문제점이 되었던 것은 실제 각 HX-1 노즐은 제작연도에 따른 각 부분의 칫수가 서로 조금씩 상이하므로 실험과 수치해석 결과가 정확히 일치하지 않은 것이였다. 또한 게이지 와이어가 100m정도로써 이에 대한 측정치의 대한 오차도 완전히 해소되어 있지 않았다고 할 수 있다. 다음으로 HX - 1 노즐에서 FRP 부분의 안전율 (MS) 은 일반적인 노즐에서와 마찬가지로, sustainer end stage에서 열응력에 의한 최대 응력상태가 발생하므로 이때에 안전율을 검토하여야 한다. 그러나 열전달 해석을 위한 FRP 재료의 data의 미흡으로 T=3 sec까지의 열응력에 의한 MS가 약 -0.06으로 계산되었다. 이것으로써 로켓모타 및 노즐은 대단히 critical하게 설계되어 있음을 알 수 있다. 끝으로 로켓노즐의 응력상태는 burning 초기에는 압력에 의한 기계적 하중에 의하나, 그 이후로는 열응력에 의한 영향이 대단히 중요하며, sustainer end stage에서의 열응력은 bruning초기의 압력에 의한 응력보다 약 $6 \sim 7$ 배 정도 크다는 것을 알 수 있었다.