소형발사체 추진제 탱크 돔 조합체의 제작 결함을 고려한 좌굴 거동 분석 = Buckling Behavior Analysis of a Small Launch Vehicle Propellant Tank Dome Assembly considering Geometric Imperfections and Defects

국문 초록 (Abstract)

소형발사체 추진제 탱크에 적용되는 돔 조합체를 대상으로 제작 결함과 기하학적 초기결함을 반영한 비선형 후좌굴 해석을 수행하 여 임계 좌굴 하중 예측의 정확도를 높이고자 하였다. 이를 위해 선 형 좌굴 해석과 비선형 후좌굴 해석을 수행하여 시험과 해석 간의 결과를 비교‧검증하였다. 이때 제작 과정에서 발생한 용접부 두께 결함을 제작 결함으로 정의하였으며, 시험을 통해 계측된 하중-변 형률 데이터를 수치해석 결과와 비교함으로써 제작 결함과 기하학 적 초기결함이 좌굴 거동에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다. 그 결과, 돔 조합체의 임계 좌굴 하중은 44.0 kN으로 도출하였으 며 좌굴은 제작 결함이 집중된 영역에서 발생하였다. 해석 결과는 Mode1,2,3 조합 모델이 시험값 대비 0.4%의 최소 오차를 보였으며, 초기결함을 고려한 모든 해석 모델이 약 13% 이내의 오차 범위를 유지함에 따라 LBMI 기법 기반 비선형 후좌굴 해석이 높은 예측 정확도를 확보함을 확인하였다. 이때, 좌굴 설계 기준은 0.66으로 도출되었다. RMSE 기반의 거동 비교 결과, 용접부와 하중 집중 영역(D= 760, 840, 914 mm)에서는 초기결함 모드 적용 방식에 따른 예측 민감도가 높게 나타난 반면, 외각부(D= 1,440, 1,814 mm)에서는 초기결함 영향이 거의 없는 선형적 거동을 확인하였다. 또한 초기결 함 조합별 비교 결과 Mode1이 전체 구조적 거동을 가장 잘 반영하 였으나 특정 영역에서는 고차 모드 기반 결함이 좌굴 형상을 더 정 확히 재현하였다. 본 연구 결과는 제작 결함 기반 초기결함 모델링이 발사체 추진 제 탱크 돔 구조의 좌굴 하중을 보다 현실적으로 예측할 수 있는 유효한 접근임을 입증하며, 향후, 발사체 추진제 탱크의 경량화 설 계와 제작 공차 관리에 있어 기존의 보수적인 경험식 대신 활용 가 능한 합리적인 좌굴 평가 가이드라인이 될 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제１장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적과 범위 9
• 제２장 이론적 배경 11
• 2.1 얇은 쉘 돔 구조의 좌굴 이론 11
• 2.2. 좌굴 설계 기준 14
• 제３장 좌굴 해석 18
• 3.1 돔 조합체 모델 18
• 3.1.1 돔 조합체 구성 18
• 3.1.2 제작 결함 측정 19
• 3.2 유한요소해석 모델링 22
• 3.2.1 돔 조합체의 유한요소해석 모델링 22
• 3.2.2 기하학적 초기결함 기법 모델링 25
• 3.3 후좌굴 해석 26
• 3.4 시험과 해석 결과 정량 평가 기준 30
• 제４장 좌굴 시험 32
• 4.1 시험 개요 32
• 4.2 시험 장치 구성 33
• 4.3 계측 위치 35
• 4.4 시험 조건 39
• 제５장 결과 41
• 5.1 좌굴 해석 41
• 5.2 후좌굴 해석 43
• 5.2.1 선형 후좌굴 해석 44
• 5.2.2 비선형 후좌굴 해석 48
• 5.3 좌굴 시험 53
• 5.4 돔 조합체의 좌굴 시험과 좌굴 해석 비교 60
• 5.4.1 임계 좌굴 하중 60
• 5.4.2 하중-변형률 선도 61
• 5.4.3 RMSE 분석을 통한 좌굴 거동 분석 74
• 5.5 좌굴 설계 기준 산출 78
• 제６장 결론 80
• 참 고 문 헌 82
• ABSTRACT 86