유한요소해석을 이용한 복합재료 압력용기 실린더의 적층 설계에 따른 충격 손상 및 내압성능 분석

Abstract

본 연구에서는 탄소섬유 강화 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP) 압력용기 실린더의 적층 순서가 충격 손상 및 잔류 파열압력에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 연속체 손상역학(Continuum Damage Mechanics, CDM) 기반의 손상 모델을 적용한 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 수행하여, 충격 에너지에 따른 실린더의 충격 거동, 손상 양상 및 파열압력을 평가하였다. 분석 결과, 적층 순서 변화만으로도 충격 거동과 손상 양상이 크게 달라졌다. 30 J 충격 시 BM의 경우 잔류 파열압력이 34.6 MPa에서 24.2 MPa로 30.1% 감소한 반면, 교차 적층(M1, M4) 모델의 경우 각각 30.2 MPa(-12.5%)와 33.2 MPa(-3.5%)로 저하폭이 현저히 줄었다. 이는 후프층과 헬리컬층을 교차 배치할 경우 층간 분리가 다소 늘어나더라도 후프층 섬유 손상이 억제되어 파열압력 의 급격한 저하는 방지되는 것을 확인하였다.