직물복합재료를 기반으로 한 막 구조물의 정적/동적 특성에 관한 연구

Abstract

최근, 평직 직물복합재료는 임시 거주공간, 텐트, 우주 구조물과 같은 팽창형/전개형 구조물의 구조 재료로서 활발히 사용되고 있다. 특히 항공우주분야에서 팽창형 구조물은 극히 경량이며, 적은 부피를 차지하는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 성층권 비행선용으로 만들어진 평직 직물복합재료를 기반으로 한 막 재료의 물성을 인장 실험을 통해 규명하였다. 열 챔버를 이용하여 상온, 고온, 저온에서 각각 막 재료의 기계적 강도를 측정하였다. 인장 실험 결과 상온과 고온에서 각각 섬유 다발의 상호 작용과 유연한 폴리우레탄 기지로 인하여 응력-변형률 곡선에 비선형이 발생하였다. 인장 실험 결과 발생한 비선형을 모사하기 위하여, 상용유한요소 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 초탄성으로 해석을 수행하였다. 해석 결과 변형률에너지 함수인 무니리빌린(mooney-rivlin)을 이용한 초탄성 해석이 탄성 모델보다 더 실험적 결과를 잘 묘사함을 알 수있었다. 개발된 막 재료를 기반으로 한 붐(boom)과 같은 팽창형 구조물이 재료의 비선형성에 따른 강성 값이 압력 변화에 따라 구조물의 정적, 동적 특성 변화에 어떤 영향을 미치는지를 실험과 해석적인 방법을 이용하여 살펴보았다. 팽창형 붐 구조물의 쳐짐을 압력과 굽힘 하중의 변화에 따라 측정하였다. 또한 팽창형 붐 구조물의 동적 특성을 비접촉식 레이져 센서와 세이커를 이용하여 모드 실험을 수행하였다. 팽창형 막 구조물의 유한요소해석에서 고차 주파수 영역에서는 쉘 모드가 두드러지게 나타났으며, 이러한 국부적인 쉘 모드는 실험적으로 측정할 수 없었다. 따라서 본 논문에서는 붐 구조물의 굽힘 모드에 대해서만 실험과 수치 해석 결과를 비교하였다.