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화학기상침투법 반응로 내부 유동에 따른 탄소/탄소 복합재 밀도화
김혜규 ( Hye-gyu Kim ),지우석 ( Wooseok Ji ),권향주 ( Hyang Joo Kwon ),윤성태 ( Sungtae Yoon ),김정일 ( Jung-il Kim ) 한국복합재료학회 2021 Composites research Vol.34 No.4
본 논문에서는 화학기상침투법(CVI) 공정으로 제작되는 탄소/탄소 복합재의 밀도화 과정을 수치해석적으로 연구하였다. 이를 위해 선행 연구에서 개발된 전산유체역학 모델과 반응로 내 주요 화학 반응 모델을 연계한 다중물리 수치해석 모델을 이용하여, 섬유 프리폼의 밀도와 공극률 변화를 다양한 측면에서 분석하였다. 특히 프리폼 주변 기체 유동의 형태에 따른 밀도화 변화를 알기 위해, 특정 형상의 구조물을 프리폼 주변에 배치시켜 유동을 변화시킨 후 프리폼의 밀도화를 계산하였다. 총 4가지 다른 형태의 구조물로 해석한 결과 프리폼 주변의 유동 형태 및 속도 분포를 구조물 형상으로 제어할 수 있었으며, 프리폼의 평균 밀도를 높이거나 밀도 편차를 감소시키는 것이 가능함을 확인하였다. 본 연구에서는 실제 산업 현장에서 사용되는 반응로와 공정 조건을 모델로 이용하였다. In this paper, the densification of a carbon/carbon composite during a chemical vapor infiltration (CVI) process is studied using a chemo-mechanical model. The multi-physics numerical model, developed in the previous research, couples computational fluid dynamics and major chemical reactions in the reactor. The model is especially utilized to study the effect of flow behavior around the preform on the densification. Four different types of “flow-guide” structures are placed to alter the gas flow around the preform. It is shown that the flow pattern and speed around the preform can be controlled by the guide structures. The process simulations demonstrate that the average density and/or density distribution of the preform can be improved by controlling the gas flow around the perform. In this study, a full industrial-scale reactor and process parameter were used.
단방향 연속 섬유 복합재 횡단면에서 섬유 배열에 따른 응력 분포 변화
최수훈 ( Soohoon Choi ),지우석 ( Wooseok Ji ) 한국복합재료학회 2020 Composites research Vol.33 No.1
단방향 연속 섬유 강화 복합소재에 대하여 섬유 배열에 따른 응력 분포 양상을 연구하기 위해 단면 형상을 대표하는 체적 요소를 생성하였다. 대표 체적 요소에 횡방향 하중을 가하였을 때, 섬유와 기지재 강성의 차이로 인해 섬유 둘레에서 응력 집중 현상이 발생하며, 섬유 간 좁은 간격 때문에 집중된 응력이 중첩되며 섬유 주변에서 높은 응력이 구해질 것이라 쉽게 예측할 수 있다. 본 연구에서는 섬유 둘레 응력 증감이 단순히 섬유 간 간격 뿐 아니라 섬유의 상대적 위치가 하중 방향과 이루는 각도에 의해서도 결정됨을 보여준다. 정규 육각 구조를 가지는 대표 체적 요소의 중앙에 위치한 섬유를 다양한 방향으로 이동시키며 횡방향 하중을 가하여, 섬유 주변 응력이 증가하거나감소하는 양상을 유한요소해석 기법을 이용해 측정하였다. 섬유 간 거리가 최소이면서 두 섬유의 중심을 잇는 선분의 방향이 하중 방향과 일치할 때 응력이 최대로 증가하였으며, 섬유 간 거리가 최소라 하더라도 하중 방향에 수직일 때 최대 응력은 오히려 감소한다는 것을 보여준다. Stress distributions dependent on fiber arrangements are studied using the two-dimensional representative volume element (RVE) model for uni-directionally continuous fiber-reinforced composites subjected to transverse tensile loading. It is easily expected that the stresses around the fibers are concentrated mainly due to the stiffness mismatch between the fiber and matrix materials. In this presentation, it is shown that the stresses are not always increased although the distance between two fibers is shortened. The 2D RVE models, originally having a regular hexagonal fiber array, is utilized to study the effect of the fiber locations on the stress distributions. As the central fiber is relocated, the stress distributions around the fiber are obtained through finite element analysis. It is found that the stresses around the fiber are strongly dependent on the fiber distance as well as the angle between the loading direction and the line connecting two fibers.
다단계 화학반응과 밀도화 모델을 이용한 탄소/탄소 복합재 화학기상침투 공정의 확산 및 유동 수치해석
김혜규 ( Hye-gyu Kim ),지우석 ( Wooseok Ji ),조남춘 ( Namchun Jo ),박종규 ( Jonggyu Park ) 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.1
본 연구에서는 탄화수소를 이용한 탄소/탄소 복합재의 화학기상침투 공정에 대해 프리폼의 밀도 변화, 공극률 변화와 다단계 화학반응을 고려한 수치해석 모델을 개발하였다. 프리폼을 다공성 매질로 가정하여 공극률에 따른 확산 및 유동 특성의 변화를 도입하였다. 검증을 위하여 프리폼 내부 유동이 0으로 제약된 경우와 유동해석을 통해 계산된 경우에 대해 수치해석을 수행하였으며, 해석 결과가 문헌의 실험치와 일치하는 것을 보였다. In this paper, a model is developed to simulate carbon/carbon composite fabrication using chemical vapor infiltration, considering density and porosity change in the preform and multi-step hydrocarbons reactions. The model considers the preform as a porous medium whose diffusion and flow properties changes due to the porosity. To verify the theoretical model, two numerical analyses were performed for the case that the flow inside the preform is zero and the case that the flow inside the preform is calculated by fluid mechanics. The numerical results showed good agreement with the experimental data.
전기자동차 플라스틱 배터리 팩 케이스의 측면 충돌 해석
장성복(Sungbok Jang),이용석(Yongsuk Lee),신철민(Cheolmin Shin),김경찬(Gyeongchan Kim),지우석(Wooseok Ji) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
전기자동차의 경우 내연기관 자동차와 마찬가지로 운행 중에 다양한 환경에 노출되며 도로에 있는 다양한 사물에 의해 차량 측면에 충격을 가하는 경우가 발생하며, 이 경우 배터리 팩 케이스 내부에 데미지를 가하여 배터리에 위해를 가할 뿐만 아니라 폭발로 이어져 차량 화재가 발생할 수 있다. 상기 측면 충돌로 인한 배터리 폭발을 막기 위하여 대부분의 배터리 팩은 케이스 외각에 충돌흡수 구조체를 부착하여 배터리에 가해지는 충돌에너지를 최소화하고 있다. 배터리가 측면 충돌에 대하여 안전성을 가지기 위해서는 배터리 팩 케이스 내부에 있는 횡부재가 충돌 흡수 구조체를 강건하게 지지하여 측면 충돌 시 충돌 에너지를 원활하게 흡수할 수 있게 설계되어야 한다. 본 연구에서는 불연속/연속/불연속 섬유가 혼합된 적층형 열가소성 복합재료를 적용한 배터리 팩 케이스에 대하여 측면 충돌 해석을 수행하였다. 복합재료는 커버 및 캐리어에만 적용되었고, FEM은 Fig.1과 같이 모델링 되었으며, 전체 289,625개의 요소가 사용되었다. 경계 및 하중 조건은 Fig.2와 같이 미국 교통부 충돌 실험 기준 (Rigid pole impact test, U.S.NHTSA, 2012)으로 설정되었다. 측면 충돌 해석 결과는 Fig.3에 나타낸 바와 같이, 충돌 흡수 구조체와 배터리 케이스 간의 분리가 확인되었다. 이로 인하여 배터리에 충돌에너지가 일부 가해지는 것을 확인할 수 있다. 본 해석을 통하여 측면 충돌 시 배터리 팩 케이스의 변형 형상, 충돌지점 등에 대한 예측을 할 수 있었으며, 향후에는 측면 충돌시의 하중의 전달 경로 등을 분석하여, 배터리에 가해지는 충돌 에너지를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 추 후에는 본 연구결과를 바탕으로 하부 충돌(Ground Impact)에 대한 배터리 팩 케이스의 구조 건전성을 평가할 수 있을 것으로 기대된다.
전기자동차 플라스틱 배터리 팩 케이스 캐리어의 압축 성형 해석
장성복(Sungbok Jang),이용석(Yongsuk Lee),신철민(Cheolmin Shin),이수영(Sooyoung Lee),지우석(Wooseok Ji) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
성형공정에 있어서, 성형결과를 예측하는 것은 매우 중요한 연구중의 하나이며, 해당 연구를 통하여 금형 설계 수정 비용 절감, 원재료 배치/성형 사이클 예측을 통한 원재료 절감 및 섬유 배향 예측을 통한 구조 건전성 확보에 기여할 수 있다. 본 연구에서는 불연속/연속/불연속 섬유가 혼합된 적층형 열가소성 복합재료를 적용한 배터리 팩 케이스 캐리어에 대하여 압축 성형 해석을 수행하였다. 일반적인 상용 성형해석 Tool은 유동해석 기반인 Moldflow 및 Moldex3D가 있으며, draping 해석 기반인 Pam-form 및 Aniform이 있다. 본 해석에 적용된 불연속(유동)/연속(비유동)/불연속(유동) 섬유가 혼합된 복합재료는 재질 특성 상 기존 상용 성형해석 tool로는 수행 불가능하여, Abaqus의 VUMAT을 이용하여 압축 성형 해석을 수행하였다. 빠른 해석 수행을 위하여, 소재와 금형면 과의 마찰은 없다고 가정하였다. 불연속 층은 점성 유동이 가능할 수 있게, Abaqus의 VUMAT을 이용하여 적용하였으며, 연속 층은 일반적인 구조해석 시 사용되는 선형 탄성 이론을 적용하여 모사하였다. 또한, 기존 캐리어 형상에서 원활한 성형을 위하여 Fig.1과 같이 형상 수정을 수행하였다. 불연속 층에 대한 지배적인 물성인 신장 점도는 Ref. [1]와 같이 디스크 형태의 압축치구를 이용하여 응력 및 변형률을 측정하여 계산되었다. 연속 층에 대한 물성측정은 일반적으로 복합재료 구조해석 시 적용되는 이방성 물성을 측정하여 적용되었다. 압축 성형 해석 결과에 대하여, Fig.2와 같이 압축 성형 공정을 4개의 Step으로 분리하여, 나타내었으며, Fig.3에 섬유배향 및 잔류응력 분포를 나타내었다. 성형된 파트의 모서리 부분에서 섬유가 45˚ 혹은 -45˚ 방향으로 정렬됨을 확인할 수 있으며, 이로 인해 모서리 굴곡 부에서 높은 전단 응력이 관측되는 것을 확인할 수 있다. 향후 본 연구에서 수행된 섬유 배향 예측 결과를 구조해석 시 반영하면 배터리 팩 케이스 캐리어의 구조 건전성 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.