복합재료 압력용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 타입의 링 버스트 장치의 설계

Abstract

최근 탄소 섬유의 가격 하락과 구조물의 경량화 필요성으로 인해 다양한 분야에 비 강도 및 비 강성 특성이 높은 복합재료가 활용되고 있다. 그중 탑재중량에 민감한 항공우주산업에서는 연료의 저장을 위해 중량 대비 큰 용량을 갖는 복합재료 압력용기가 활용되고 이에 따라 복합재료 압력용기의 신뢰성확보와 안전성에 관한 검증이 요구된다. 복합재료 압력용기의 안정성을 평가하기 위해 Full 모델의 압력용기를 시험하는 방법은 많은 비용이 요구된다는 단점이 있어 최근 링(Ring) 형상의 시편을 활용한 링 버스트(Ring Burst) 시험 장치가 활용되고 있다. 본 연구에서는 세그먼트 타입(Segment-type) 링 버스트 시험장치를 설계하였고 이를 활용하여 복합재료 압력용기의 기계적 물성을 평가하였다. 링 버스트 시험장치의 설계 시 복합재료 링 시편에 균일한 압력이 전달되기 위해 세그먼트 수에 따른 원주방향 변형률 분포를 비교하였으며, 세그먼트와 시편 사이에 PTFE 층을 두어 원주방향 응력의 편차를 최소화하였다. 링 시편의 이론적인 변형률 분포를 확인하기위해 링 버스트 장치의 하중전달 관계식을 유도하였으며, 수치해석기법을 활용하여 링 버스트 시험장치의 응력분포를 확인하였다. 또한 복합재료 시편의 크랙 (Crack)의 진전을 모사하기 위해 Hashin 파단 모델을 사용하여 복합재료의 파단을 모사하였다. 그리고 링 버스트 시험 시 복합재료 시편의 원주방향 변형률과 파단특성을 분석하기 위해 스트레인 게이지(Strain Gage)와 고속 카메라를 활용하였다.