복합재 구조의 경량화 설계를 위한 상세 유한요소 해석 기반 좌굴 해석 및 경계 고정성 평가 연구 = Buckling Analysis and Edge-Fixity Evaluation of Composite Structures using Detailed Finite Element Analysis for Lightweight Design

국문 초록 (Abstract)

항공기 및 발사체의 동체, 날개, 연료탱크와 같은 주요 구조물은 스트링거와 프레임 등으로 보강된 얇은 쉘 구조로 이루어져 있으며, 공력 하중을 비롯한 외부 하중에 따라 다양한 변형이 발생할 수 있다. 최근 이러한 구조물은 경량화를 위해 탄소 섬유 복합재를 비롯한 다양한 복합 소재를 활용하여 설계되고 있으며, 이들 소재는 금속재 에 비해 높은 비강성 및 비강도를 갖기 때문에 구조를 더욱 얇게 제작할 수 있다. 이러한 특성으로 강도 저하에 따른 변형뿐 아니라 좌 굴 변형이 발생할 가능성이 매우 높다. 이러한 이유로 좌굴 하중을 예측하여 좌굴강도를 고려한 설계가 필요하게 된다. 좌굴 하중을 예측하기 위해서는 이론적 해석과 유한요소해석 (Finite Element Analysis, FEA)과 같은 수치적 접근법이 널리 활용 되지만, 체결 부 형상이 반영된 보강 패널의 좌굴 거동을 이론적으로 정확히 기술하기 위해서는 복잡한 수식이 필요하며, 실제 체결 구조 를 완전히 반영한 해석 모델을 구축하는 데에도 한계가 존재한다. 설계 과정에서는 보수적인 해석 기준을 적용하게 되고, 이는 중량 증가로 이어지는 문제가 존재한다. 또한 전기체(full-scale) 수준의 유한요소 모델을 활용할 경우, 모델 구축과 수정에 많은 시간이 소요된다는 제약도 있다. 따라서 체결 부를 포함한 보강 패널에 대해 효율적이고 신뢰성 있는 새로운 좌굴 해석 기법이 필요하다. 본 연구에서는 단순 복합재 패널의 좌굴 하중을 이론적 해석을 통해 비교적 신속하게 예측하고, 체결 조건을 포함한 상세 유한요소해석을 통해 복합재 패널의 좌굴강도를 예측하는 방법을 정립하고 체결 조건에 따른 좌굴 하중의 변화 특성을 경계 고정성(edge fixity) 평가를 통해 정량화하였으며, 이를 기반으로 체결 조건에 대응하는 좌굴 경계조건으로 변환할 수 있는 기준을 도출하였다. 이러한 기준을 통해 구조물의 좌굴 안정성을 확보하면서도 불필요한 보수성을 줄여 중량 감소를 도모할 수 있는 기법을 제시하였다. 최종적으로, 제안된 설계 기법이 복합재 보강 패널의 좌굴 안정성을 유지하면서 경량화를 도모할 수 있음을 하나의 적용 사례를 통해 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 좌굴 해석 기법 연구 현황 4
• 1.2.1 해석적 좌굴 해석 기법 연구 현황 4
• 1.2.2 수치적 좌굴 해석 기법 연구 현황 5
• 1.3 연구 목적 및 방법 6
• Ⅱ. 이론적 배경 9
• 2.1 복합재 적층 판의 평면 내 굽힘강성 9
• 2.2 복합 적층 평판의 좌굴 해석 이론 16
• 2.2.1 굽힘 이론 16
• 2.2.2 지배 운동방정식 정의 20
• 2.2.3 리츠 법을 이용한 근사해 정의 22
• 2.3 이론식 기반 계산 프로그램 개발 27
• 2.3.1 프로그램 구성 27
• 2.3.2 프로그램 검증 28
• Ⅲ. 경량화 설계 기법 31
• 3.1 상세 유한요소해석을 통한 좌굴 해석 31
• 3.2 경계 고정성 평가 방법 44
• Ⅳ. 설계 기법 검증 50
• 4.1 설계 기법 검증 방법 50
• 4.1.1 검증 모델 정의 50
• 4.1.2 상세 유한요소 모델링 및 해석 54
• 4.2 기법의 효용성 검증 59
• 4.2.1 검증 방법 59
• 4.2.2 검증 결과 64
• Ⅴ. 결론 70