국부적 강성 저하법을 이용한 추진제 탱크 공통격벽의 적층 각도에 따른 좌굴 Knockdown Factor 연구 = A study on the buckling Knockdown Factor of a propellant tank common bulkhead according to the stacking angle using Localized Reduced Stiffness Method

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Hemispherical shell bulkheads are frequently used as part of pressure vessel structures in aerospace engineering, such as the common bulkhead of a propellant tank. For these thin-shell bulkheads, there is a significant difference between the theoretical buckling strength and the buckling strength obtained in actual experiments. Therefore, while measuring the buckling strength of a structure through experiments is ideal, this method is time-consuming and cost-intensive.
For this reason, various methods have been studied to derive the lower limit of the Knockdown Factor (KDF), which is the ratio of the theoretical buckling strength to the actual buckling strength of a structure, through simulation of initial defects without relying on measurements. Among them, the Localized Reduced Stiffness Method (LRSM) is one that derives the actual buckling strength by reducing the stiffness of a portion of the shell structure to resemble an actual defect.
This study examined how the KDF changes according to each ply angle while increasing the area of stiffness reduction at a constant rate using LRSM on a hemispherical common bulkhead with a CFRP laminated structure, and examined the differences from an isotropic structure. As a result, the unidirectional and orthogonal lamination showed resistance to defects with a gradual decrease in KDF, and showed a tendency to continuously decrease without convergence.
Therefore, in this case, it is more appropriate to derive the lower limit of KDF using the Reduced Stiffness Method (RSM) rather than the LRSM. The KDF of the 4-direction lamination rapidly decreased before converging to a specific value as the isotopic material. Therefore, it is reasonable to derive a lower bound for the KDF using LRSM. Furthermore, it was confirmed that orthogonal lamination, which has high defect resistance, is not affected by multiple defects, and local stiffness reduction does not affect the buckling of the entire structure, is most suitable for application to hemispherical shell structures subjected to uniform surface pressure, such as common bulkhead structures.

국문 초록 (Abstract)

반구형 쉘 격벽은 항공우주공학에서 추진제 탱크의 공통격벽(common bulkhead)과 같이 압력 용기 구조물의 일부로 자주 사용된다. 이러한 얇은 쉘 격벽의 경우, 이론적 인 좌굴강도와 실제 실험에서 얻어지는 좌굴강도에 상당한 차이가 있다. 따라서 실험 을 통해 구조물의 좌굴강도를 측정하는 것이 가장 이상적이나, 이는 시간과 비용에 제 약이 있다. 이러한 이유로 측청에 의존하지 않고 초기 결함의 시뮬레이션을 통해 이론 적인 좌굴강도 대비 실제 구조물의 좌굴강도의 비((KDF, Knockdown Factor)의 하한을 도출하는 여러 가지 방법이 연구되어 왔으며, 그 중에서 실제의 결함과 유사하게 쉘 구조물 일부분의 강성을 저하시켜 실제 좌굴강도를 도출하는 국부적 강성 저하법 (LRSM, Localized Reduced Stiffness Method)이 있다.
본 연구는 CFRP 적층구조가 적용된 반구형 공통격벽에 국부적 강성 저하법(LRSM) 을 이용하여 강성 저하 적용 면적을 일정한 비율로 증가시키면서 각 적층각도에 따라 KDF가 어떻게 변화하는지를 확인하고 등방성 구조와의 차이점을 검토하였다. 그 결과 단방향 적층과 직교 적층은 KDF가 완만하게 감소하면서 결함에 대한 저항을 보였으 며, 수렴하지 않고 계속 감소하는 경향을 보였다. 따라서 이 경우에서 LRSM 보다는 전체 강성 저하법(RSM)을 사용하여 KDF를 도출하는 것이 타당하다. 사방 적층은 등방 성 구조와 거의 유사한 거동을 보였으며, KDF가 급격하게 감소하다가 특정값에 수렴 하였다. 따라서 LRSM을 통해 KDF의 하한을 도출하는 것이 타당하다. 또한 결함에 대 한 저항성이 높고 다수의 결함에 영향을 받지 않으며, 국부적 강성 감소가 전체 구조 물의 좌굴에 영향을 주지 않는 직교 적층을 공통 격벽 구조와 같이 균일한 표면 압력 을 받는 반구형 쉘 구조에 적용하는 것이 가장 적합하다는 것을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ.서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 연구 내용 4
• II. 이론 전개 4
• 1. 반구형 쉘 KDF의 이론적 계산 5
• 2. 초기 결함 민감도 관련 설계 개념 9
• 3. 초기 결함 적용을 위한 주요 불완전성 모델(imperfection model) 9
• III. 해석적 연구 과정 16
• 1. 해석 프로그램 검증 16
• 2. 해석 모델링 18
• 3. 재료 물성치 입력 23
• 4. 경계 조건 및 하중 조건 입력 23
• 5. 결과 24
• VII. 결론 39
• 참고문헌 40
• 부록 45
• 영문초록 117