초고강도 섬유의 파열 및 강성 특성 분석에 기반한 중첩 구조 리프팅 체인 개발 연구 : 성능 시험과 수치해석 기반 설계 모델 개발 = Development of a Multi-Layered Lifting Chain Based on Rupture and Stiffness Analysis of Ultra-High-Strength Fibers

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study was conducted to develop a multi-layered lifting chain based on the analysis of the rupture and stiffness characteristics of ultra-high-strength fibers. Fiber chains offer notable advantages over conventional metallic chains, including reduced weight, superior corrosion resistance, and enhanced impact tolerance. However, their mechanical behavior is governed by complex nonlinear phenomena such as viscoelastic deformation, fracture sensitivity, stiffness variation associated with geometric configuration, and performance degradation arising from inter-fiber contact and friction. Accordingly, this research investigated the tensile response, stiffness, and fracture mechanisms of fiber chains through both experimental and numerical approaches, thereby establishing a comprehensive correlation among geometric design parameters, material properties, and structural strength. To select suitable yarns for fiber-chain fabrication, windward and leeward stiffness, dynamic stiffness were evaluated for three candidate fiber materials. A design characteristic curve representing rupture time as a function of applied tensile load was subsequently derived. The fundamental configuration of the fiber chain was defined as an elliptically looped webbing belt formed through multiple overlapped wrappings. An orthogonal array experimental design was composed to examine the relationships between the number of peaks, number of wrappings, and internal length and the resulting fracture strength. Main-effect analyses were performed to determine the influence of each parameter on the enhancement of fracture strength. Additionally, sensitivity analyses using delta values were conducted to quantify the degree of influence of each design parameter, and feasible parameter ranges corresponding to the target fracture strength were estimated.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 현황 7
• 1.3 연구 내용 11
• 제 2 장 관련 이론 13
• 2.1 리프팅 체인의 개요 13
• 2.2 리프팅 체인과 슈퍼섬유 16
• 2.3 리프팅 체인용 합성섬유 20
• 2.3.1 UHMWPE 섬유의 물리화학적 특성 20
• 2.3.2 LCP 섬유의 물리화학적 특성 24
• 2.4 섬유 리프팅 체인의 제조 공정 27
• 2.5 기계적 특성 평가 접근법 29
• 2.5.1 준정적 강성 시험 29
• 2.5.2 파단 강도 시험 31
• 2.5.3 파열 시간 시험 32
• 2.5.4 내마모 시험 34
• 제 3 장 리프팅 체인용 원사 기계적 특성 36
• 3.1 개요 36
• 3.2 재료 및 시험장치 36
• 3.3 시험 방법 38
• 3.3.1 준정적 강성 시험 38
• 3.3.2 파열 시간 시험 40
• 3.4 원사의 기계적 특성 42
• 3.4.1 준정적 강성 특성 분석 42
• 3.4.2 파열 시간 특성 분석 48
• 3.5 결론 51
• 제 4 장 섬유 리프팅 체인의 설계 52
• 4.1 개요 52
• 4.2 섬유 리프팅 체인 기본 설계 52
• 4.2.1 기본 형상 52
• 4.2.2 기본 설계 54
• 4.2.3 직조 설계 56
• 4.3 체인 원단의 유한요소 해석 방법 58
• 4.3.1 기하학적 모델 58
• 4.3.2 유한요소 해법 및 지배방정식 60
• 4.3.3 격자 및 경계 조건 64
• 4.3.4 재료 조건 66
• 4.4 체인 벨트의 유한요소 해석 결과 67
• 4.4.1 파단 거동 67
• 4.4.2 파단 강도 특성 비교 70
• 4.4.3 변형률 특성 비교 72
• 4.4.4 응력 분포 비교 74
• 4.4.5 결과 비교 및 분석 76
• 4.5 섬유 리프팅 체인 설계 형상 78
• 4.6 결론 81
• 제 5 장 섬유 리프팅 체인의 파단 강도 특성 82
• 5.1 개요 82
• 5.2 시험 방법 82
• 5.2.1 설계변수 범위 82
• 5.2.2 요인 설계 83
• 5.2.3 시험 방법 84
• 5.3 파단 강도 특성 85
• 5.3.1 초기장력 85
• 5.3.2 시험 결과 87
• 5.4 주효과 분석 89
• 5.5 등고선도 분석 91
• 5.6 결론 92
• 제 6 장 손상 강도 저하 특성 93
• 6.1 개요 93
• 6.2 내마모 시험 93
• 6.2.1 내마모 시험 방법 93
• 6.2.2 내마모 시험 결과 95
• 6.3 레이어 절단 시험 98
• 6.3.1 레이어 절단 시험 방법 98
• 6.3.2 레이어 절단 시험 결과 99
• 6.4 코팅 효과 100
• 6.4.1 코팅 방법 100
• 6.4.2 코팅 후 시험 결과 101
• 6.5 결론 102
• 제 7 장 결 론 103