수소저장용기 제작을 위한 건식필라멘트 와인딩용 토우프리프레그 평가 방법 연구

김경주(Kyoung-ju Kim),이후관(Hoo-kwan Lee),김병진(Byung-jin Kim),박용민(Yong-min Park),정연중(Yean-jung Jeong) 한국추진공학회 2020 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2020 No.7

수소저장용기는 기체 상태의 수소를 고압으로 압축하여 저장하는 용기로 가스 상태인 수소의 기밀을 유지하고 700기압 이상의 내압성능을 확보하기 위해 뼈대가 되는 라이너 위에 연속으로 탄소섬유를 감는 복합재료 성형법인 필라멘트와인딩(Filament Winding) 공법으로 제작한다. 필라멘트와인딩 공법은 습식과 건식으로 분류되며, 와인딩 정밀도가 높고 섬유와 수지의 체적비 조절이 쉬운 건식와인딩 방법으로 대체되는 추세이다. 토우프리프레그는 건식와인딩을 위해 토우 한 가닥을 수지에 미리 함침시켜 놓은 프리프레그의 한 종류로서 수지/섬유 체적비가 일정하고 기계적 물성, 내열성, 내화학적 특성의 컨트롤이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 본 연구는 수소저장용기 제작을 위해 제조된 토우프리프레그의 소재의 중요 물성평가 방법을 서술하고 있다. The hydrogen storage container is a container for compressing and storing gaseous hydrogen at high pressure, and is a composite material forming method that continuously wraps carbon fibers on a liner that serves as a skeleton to maintain gas-tightness of hydrogen in the gaseous state and secure pressure resistance of over 700 atm. It is manufactured by the filament winding method. The filament winding method is classified into wet and dry, and is replaced by a dry winding method with high winding precision and easy control of the volume ratio of fibers and resins. Tow prepreg is a kind of prepreg in which one strand of tow is pre-impregnated with resin for dry winding. It has the advantage of constant resin/fiber volume ratio and control of mechanical properties, heat resistance, and chemical properties. This study describes an important method for evaluating material properties of tow prepreg manufactured for the production of hydrogen storage containers.

필라멘트 와인딩된 카본/에폭시 복합재의 층간파괴인성에 미치는 온도 영향

임재문(JaeMoon Im),신광복(KwangBok Shin),황태경(Taekyung Hwang) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.5

본 논문은 필라멘트 와인딩 공법으로 제작된 구배 단면을 갖는 돔 분리형 복합재 압력용기 접착체결부의 온도영향에 따른 층간파괴인성 평가를 위해 모드 I, II 그리고 혼합모드의 시험적 평가를 수행하였다. 모드 I과 혼합모드 층간파괴인성은 DCB 시편을 사용하였으며, 모드 II 층간파괴인성은 ENF 시편을 사용하여 평가하였다. 와인딩 각도는 [±10°]6, [±27°]6 그리고 ([±10°]3/FM73/[±10°]3 )이며 곡면 단면을 고려하였다. 시험 평가에 적용된 온도 환경은 환경 챔버와 전기로를 이용하여 -30℃ 에서 60℃로 조성하였다. 층간파괴인성에 온도가 미치는 영향을 평가한 결과, 층간파괴인성은 저온에서 높게 나타났으며, 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 확인하였다. 시편 종류별 결과에서는, 돔부와 헬리컬부가 접착 체결된 [±10°]3/FM73/[±10°]3 와인딩 시편이 가장 높은 층간파괴인성을 가짐을 확인하였다. This paper reports an experimental study for evaluating the effect of temperature on the mode I, mode II and mixed-mode interlaminar fracture toughness of adhesive joints with a curved cross-section of filament-wound dome-separated composite pressure vessel. Mode I and mixed-mode interlaminar fracture toughness were evaluated using DCB specimens, while mode II interlaminar fracture toughness was determined using ENF specimens. [±10°]6, [±27°]6 and ([±10°]3/FM73/[±27°]3) winding specimens with the curved cross-section were considered. In-situ temperature environments were simulated with a range of -30℃ -60℃ using an environmental chamber and furnace. Experimental results on the effect of temperature indicate that interlaminar fracture toughness tends to be high at low temperature and is degraded with increase in temperature. For specimen types, it was found that interlaminar fracture toughness of [±10°]3/FM73/[±27°]3 winding specimens considered as adhesive joints of dome and helical part was higher than other specimens.

필라멘트 와인딩으로 제작된 킥모터 연소관의 파열 성능 시험

이무근(Mookeum Yi),길경섭(Gyoungsub Kil),조인현(Inhyun Cho),박재성(Jaesung Park),김중석(Joongsuk Kim) 한국추진공학회 2008 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2008 No.5

필라멘트 와인딩으로 제작된 고체 모터 연소관의 파열특성을 확인하기 위한 해석 및 수압시험을 수행하였다. 본 연소관의 파손 요구조건으로서 운용 중 최대 예상압력(MEOP)의 1.5배 이상의 압력에서 실린더 파손이 일어나야함을 제시하였다. 해석 결과 연소관 내부의 압력이 2088psig 일 때 실린더 파손이 일어나는 것으로 나타났으며 수압시험을 수행하여 2200psig 수준에서 실린더가 파열됨을 검증하였다. 두 결과를 통하여 파열 요구조건을 만족하는 것을 알 수 있다. Both structural analysis and hydraulic test have been conducted to confirm the burst characteristics of filament wound solid motor case. Failure criteria have been defined with bursting above 150% of MEOP and failure in the cylinder. The results of analysis showed that filament fiber in the cylinder should be broken at about 2088psig. From a hydraulic test the same failure mode and the level of 2200psig of burst pressure have been proved. With these results, it is verified that a filament wound case meets burst requirements.

대형 풍력발전용 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 좌굴 해석

한정영(Jeong-Young Han),홍철현(Cheol-Hyun Hong) 한국해양공학회 2011 韓國海洋工學會誌 Vol.25 No.2

The purpose of this study was to investigate the buckling load of filament-wound composite towers for large scale wind-turbines using the finite element method (FEM). To define the material properties, we used both the effective property method and stacking properties method. The effective properties method assumes that a composite consists of one ply. The stacking properties method assumes that a composite consists of several stacked plies. First, a linear buckling analysis of the tower, filament-wound with angles of [±30], was carried out using the two methods for composite material properties: the stacking method and effective method. An FE analysis was also performed for the composite towers using the filament winding angles of [±30], [±45], and [±60]. The FE analysis results using the stacking properties of the composite were in good agreement with the results from the effective properties method. The difference between the FEM results and material. properties method was approximately 0~2.3%. Above the angle of [±60], there was little change in the buckling load.

GUI를 이용한 필라멘트 와인딩 복합재료 실린더 해석

김치완,김위대,정철곤,안상태 한국항공우주학회 2012 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2012 No.4

복합재료 적층방법 중 Filament-wound공법이 많이 사용되고 있는데 복합재료를 감는 층 수, 적층 방향에 따라 응력분포가 달라진다. 일반적인 상용 프로그램을 사용하면 모델링 및 solver과정을 거쳐야 하고 또한 적층 수의 증가와 다양한 적층 각 때문에 node수가 증가하고 해석시간도 오래 걸린다. 따라서 본 논문은 일반적으로 사용하는 상용 프로그램을 사용하지 않고 LabVIEW를 사용하여 GUI(Graphic User Interface)를 구축하여 반지름, 물성치, 적층 각, 및 적층 수 등의 값을 입력하여 복합재료 적층수에 따른 응력분포와 적층 각에 따른 응력분포를 구할 수 있다. Filament-wound method is most popular way of stacking method of composite materials. Its stress distribution depends on stacking number of composite and angle of composites. Using Commercial Program needs procedure of modeling and solver. So It needs more time to analysis because of increasing node through the number of stacking and angle of composite. Therefore, In this paper, We can calculate stress distribution of different number of stacking and stress distribution of different angle of composite by putting value of radius, physical properties, angle of composites and number of stacking, etc on GUI(Graphic User Interface) making by LabVIEW.

대형 풍력 발전용 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 고유 진동수 해석에 관한 연구

홍철현(Cheol-Hyun Hong) 한국해양공학회 2011 韓國海洋工學會誌 Vol.25 No.2

The purpose of this study was to investigate the natural frequency of filament-wound composite towers for large scale wind-turbines using the finite element method (FEM). To define the material properties, we used both the effective property method and the stacking properties method. The effective properties method assumes that a composite consists of one ply. The stacking properties method assumes that a composite consists of several stacked plies. First, a modal analysis of the tower, filament-wound with angles of [±30], was carried out using the two methods for composite material properties, the stacking method and effective method. Then, an FE analysis was performed for composite towers using filament winding angles of [±30], [±45], and [±60]. The FE analysis results using the stacking properties of the composite were in good agreement with the results from the effective properties method. The difference between the FEM and material properties methods was approximately 0~0.6%.

대구경 파이프용 필라멘트 와인딩을 위한 UV 경화시스템

최재원(Jae Won Choi),김세일(Seil Kim),정용찬(Yong-Chan Chung),전병철(Byoung Chul Chun) 한국청정기술학회 2010 청정기술 Vol.16 No.4

복합재 격자구조물의 점검창 형상에 따른 구조안전성 해석

김동건,배주찬,손조화,이상우 한국추진공학회 2018 한국추진공학회지 Vol.22 No.6

The purpose of designing composite lattice structure which applied to launching vehicle and tactical missile body is to minimize the thickness and weight for applied load. It is usually made of carbon fiber; fabricating with filament winding process over silicon mold, and provided with a window opening for inspection purpose if necessary. In this paper compression test is conducted without window opening in lattice structure and preliminary FEA is carried out to confirm its accuracy. And then FEA is performed for the case of window opening to evaluate the soundness and the safety factor of the structure. We have calculated for two kinds of window shape; rectangular one and hexagonal one. And we have calculated safety factors of the lattice structure with window opening in every case based on failure strength of rib and knot with varying the thickness and location of the window for hexagonal shape. Through our investigation, we have found out the followings; (1) the hexagonal shaped window is shown higher safety factor than rectangular one, (2) a window in a certain location is shown higher safety factor than others, (3) although the soundness of window structure is improved as increasing its thickness, a window of a certain thickness is shown higher safety factor than others because of stress concentration. 발사체 및 유도무기 기체에 사용되는 복합재 격자구조물은 구조물에 작용하는 하중을 고려하여 최소한의 두께와 무게로 설계되는 구조물이다. 이를 위하여 실리콘 몰드에 탄소섬유를 와인딩하는 공정으로 격자구조물을 만들며, 이때 발사체 및 유도무기 기체 내부의 장비 등을 점검하기 위하여 점검창을 설치하는 것이 일반적으로 요구된다. 본 논문에서는 필라멘트 와인딩 공정으로 제작된 실린더형 격자구조물에 대하여 압축시험을 수행하고, 이 구조물에 대한 유한요소해석을 수행하여 얻은 해석 결과를 설치된 격자구조물에 대하여 유한요소해석을 수행하였다. 또한 구조물의 리브(Rib)와 노트(Knot)의 파손강도를 통해 육각형 점검창의 두께 및 위치를 변수로 선정하여 수행한 유한요소해석 결과는 다음과 같다; (1) 육각형 점검창의 안전계수가 사각형 점검창 보다 높게 계산되었으며, (2) 수직 점검창이 상단 헬리컬 리브의 중간에 위치할 때 안전계수가 높게 계산되었고, (3) 구조안전성 확보를 위하여 점검창의 두께를 증가시킬 경우 구조물의 불연속 부분에 응력집중이 발생하므로 유한요소 해석을 통해 안전계수가 가장 높은 점검창 형상을 선정해야 한다.

2 MW급 대형 수평축 풍력발전시스템을 위한 필라멘트 와인딩 복합재 타워의 최적설계에 관한 연구

임성진 ( Sung Jin Lim ),공창덕 ( Chang Duk Kong ),박현범 ( Hyun Bum Park ) 한국복합재료학회 2012 Composites research Vol.25 No.2

본 연구에서 유리섬유/에폭시 복합재를 이용한 2 MW 풍력터빈 시스템 타워에 대한 특정 구조설계 절차가 하중 분석, 단계적 설계 변경 통한 최적 구조설계 및 해석을 통해 새로이 제안되었다. 최적 타워 설계는 풍력터빈 시스템 단가의 20% 이상을 차지하는 중요한 구조물 이다. 타워 구조 설계 시, 풍하중, 블레이드, 나셀, 타워 등에 의한 자중, 블레이드 공기 역학적 항력 등의 3가지 하중이 고려된다. 초기의 복합재 구조설계는 단순 설계기법과 혼합설계기법을 병용 하였다. 상용 유한요소해석 프로그램인 MSC.NASTRAN/PATRAN을 통하여 구조적 안전성을 검토 하였다. 최종 제안한 타워 형상은 모든 설계 요구조건을 충족함을 확인하였다. In this study, a specific structural design procedure for 2 MW class glass/epoxy composite wind turbine system towers is newly proposed through load case study, trade-off study, optimal structural design and structural analysis. Optimal tower design is very important because its cost is about 20% of the wind turbine system`s cost. In the structural design of the tower, three kinds of loads such as wind load, blades, nacelle and tower weight and blade aerodynamic drag load should be considered. Initial structural design is carried out using the netting rule and the rule of mixture. Then the structural safety and stability are confirmed using a commercial finite element code, MSC NASTRAN/PATRAN. The finally proposed tower configuration meets the tower design requirements.

CNG용 Type 4 하이브리드 섬유 복합재 용기 개발에 대한 연구

조성민(Sung-min Cho),조민식(Min-sik Cho),정근성(Geunsung Jung),이선규(Sun-kyu Lee),이승국(Seung-kuk Lee),박기동(Ki-dong Park),류성기(Sung-Ki Lyu) 한국기계가공학회 2017 한국기계가공학회지 Vol.16 No.4

The objective of this study is to develop and commercialize an on-board fuel storage system for CNG vehicles. A type 4 vessel is made of resin-impregnated continuous filament windings on a polyamide (PA6) liner. In particular, this study localized the PA6 liner’s fabrication and development. To analyze the filament winding, a specimen test was performed, and the results were verified values obtained using finite element analysis. In this study, the filament winding and fibers were optimized for a 207 bar composite cylinder in a compressed natural gas vehicle.