유전 알고리즘과 담금질 기법을 사용한 type 3 & 4 복합재료 압력용기 설계 및 구조해석 = Design and structural analysis of type 3 & 4 composite pressure vessels using genetic algorithm and simulated annealing

국문 초록 (Abstract)

압력용기는 금속 재질로 만들어진 Type 1, 금속 재질로 만들어졌지만 실린더 부만 복합재료로 보강한 Type 2, 금속 라이너를 사용하여 복합재료로 전체를 보강한 Type 3, 플라스틱 라이너를 사용하여 복합재료로 보강한 Type 4 용기가 대표적이다. 이 중에서 고압의 조건에서 사용되는 압력용기는 Type 3, Type 4이다. Type 3, Type 4 복합재료 압력용기는 섬유가 용기의 내압으로 인해 발생되는 모든 하중을 지지한다는 망목이론으로부터 유도되어지는 등장력 돔 형상과 필라멘트 와인딩 공정을 통해서 섬유를 geodesic path 혹은 semi-geodesic path 궤적으로 보강을 하여 만들어지는 것이 대표적이다. 복합재료 압력용기의 높은 제작비용을 최소화하기 위해서 동일한 조건 하에서 와인딩 패턴을 변경하여 안전성을 강화하거나 상용차에 적용할 수 있도록 복합재료 부의 두께를 줄여 경량화하고 가격 경쟁력을 높일 수 있는 연구가 필요함을 확인하였다.
본 연구에서는 수소 스테이션에서 사용되는 87.5 MPa Type 3 복합재료 압력용기의 형상을 Matlab을 통해서 geodesic dome 형상으로 설계하며, 필라멘트 와인딩 패턴에 대한 최적화를 통해서 사용압, 파열압에서 최적화 패턴으로 감소되는 응력을 분석하였다. 수소 트레일러에서 이용되는 45 MPa Type 4 복합재료 압력용기의 복합재료 부 최적화 패턴을 연구하여 사용압, 파열압에서 최적화 패턴으로 감소되는 응력을 분석하였다. 또한 공간적인 제약으로 인하여 임의의 돔 형상으로 스패어 타이어 웰 부에 장착되는 Type 4 복합재료 압력용기를 설계 최적화를 통해서 보강대를 설치함으로써 사용하여 발생되는 경제성을 확인하고, 복합재료의 두께와 와인딩 패턴을 최적화를 통해서 사용압, 파열압에서 감소되는 응력을 분석하였다. 복합재료 부 설계 및 응력 분석을 위해서 상용 구조해석 프로그램인 Abaqus와 WCM(Wound Composite Modeler)를 사용하였으며, 자동 최적화 프로세스 설계를 위해서 Isight 프로그램을 활용하였다. 위 연구를 통해서 복합재료 압력용기의 경제성을 확보하고 안정성을 높이는 결과를 도출하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 동향 1
• 2. 연구 목적 5
• Ⅱ. 본론 7
• 1. 최적화 프로세스 설계 7
• 1-1. 최적화 이론 8
• (1) 유전 알고리즘(Genetic Algorithm) 8
• (2) 담금질 기법(Simulated Annealing) 10
• 2. 복합재료 압력용기 모델링 12
• 2-1. 등장력 돔(Geodesic dome) 12
• (1) 망목이론(netting theory) 12
• (2) 등장력 돔 형상 유도 및 적용 13
• 2-2. 복합재료 압력용기 물성 결정 및 모델링 15
• (1) 수소 스테이션에서 사용되는 87.5 MPa Type 3 복합재료 압력용기 15
• (2) LPG 차량 스패어 타이어 웰 부에 장착되는 LPG 저장용 Type 4 복합재료 압력용기 23
• 가). 보강대가 없는 Type 4 복합재료 압력용기 23
• 나). 보강대가 있는 Type 4 복합재료 압력용기 30
• (3) 수소 트레일러에서 사용되는 수소 저장 300L 45MPa Type 4 복합재료 압력용기 34
• 2-3. 복합재료 보강층 파손기준 선정 40
• 3. 복합재료 압력용기 최적 설계 42
• 3-1. 설계 변수 및 목적 함수 설정 42
• 3-2. 수소 스테이션에서 사용되는 87.5 MPa Type 3 복합재료 압력용기 44
• (1) 유전 알고리즘 최적화 44
• (2) 담금질 기법 최적화 48
• 3-3. LPG 차량 스패어 타이어 웰 부에 장착되는 LPG 저장용 Type 4 복합재료 압력용기 52
• (1) 보강대가 없는 복합재료 압력용기 유전 알고리즘 최적화 52
• (2) 보강대가 없는 복합재료 압력용기 담금질 기법 최적화 55
• (3) 보강대가 없는 복합재료 압력용기 유전 알고리즘 최적화 58
• (4) 보강대가 없는 복합재료 압력용기 담금질 기법 최적화 61
• 3-4. 수소 트레일러에서 사용되는 수소 저장 300L 45 MPa Type 4 복합재료 압력용기 64
• (1) 유전 알고리즘 최적화 64
• (2) 담금질 기법 최적화 68
• Ⅲ. 결론 72
• Ⅳ. 참고문헌 79
• Ⅴ. Abstract 83