3-방향 직물복합재료 유효물성에 따른 초경량 유연 반사판의 구조적 특징 = Structural Characteristics of the Ultra-lightweight Flexible Reflector based on the Effective Mechanical Properties of Triaxial Woven Fabric Composites

국문 초록 (Abstract)

이 논문에서는 3-방향 직물과 실리콘과 같은 유연한 수지를 사용한 3-방향 직물복합재료(Triaxial Woven Fabric Composite)에 대한 유효 기계적 물성을 분석하였다. 3-방향 직물복합재료의 기계적 물성은 단위셀(Unit Cell)과 같은 중시적 척도(Meso scale)에서 강성행렬을 도출하는 방법과 시편 단위 모델을 이용한 거시적 척도(Macro scale)에서의 기계적 물성을 확인하는 방법을 이용하였다. 중시적 척도에서는 3-방향 직물복합재료가 준등방적(Quasi-isotropic) 기계적 성질을 가지는 것을 확인하였으나, 시편 단위에서의 해석에서는 3-방향 직물 복합재료의 섬유 직조방향의 구조적 영향으로 0˚ 방향의 강성은 90˚ 방향의 강성보다 크게 나타나는 이방성 거동을 확인하였다. 시편의 크기가 커짐에 따라 직물의 섬유 직조구조가 90˚ 방향의 강성에 미치는 영향이 감소하여 90° 방향의 강성은 0˚ 방향의 강성에 근접하는 특징이 확인되며, 따라서 시편의 사이즈가 커짐에 따라 준등방적 기계적 성질에 가까워질 것으로 사료된다.

3-방향 직물복합재료의 크기에 따른 이방성 유효물성은 구조물의 거동에 영향을 주기에 직물의 크기에 따른 이방성 유효물성과 단위셀의 준등방적 강성행렬을 고려한 안테나 반사판 유한요소모델의 구조해석을 진행하였다. 구조해석은 시편의 사이즈에 따라 달라지는 강성을 고려하여 준등방적 기계적 물성과 이방성 기계적 물성을 반사판에 적용한 경우에 대해 각각 진행하였다. 해석은 중력에 의한 반사판의 처짐, 반사판의 고유진동수 그리고 열환경에 의한 열변형을 확인하였다. 이러한 해석은 안테나의 표면 형상에 영향을 주는 기본적인 요인이며, 반사판의 형상 오차는 안테나의 성능을 저해하는 요인이 된다. 안테나 반사판을 제작하고 반사판의 표면 형상을 측정할 때, 반사판 형상에 영향을 주는 중력효과에 대해 확인하였으며, 반사판의 경량성에 의해 중력에 의한 형상오차는 미미함을 확인하였다. 준등방적 기계적 성질에서는 3-방향 직물복합재료 90˚ 방향의 유효강성이 0˚ 방향의 유효강성을 따라가기에 이방성 기계적 성질을 고려한 경우에 비해 형상오차가 적게 확인되었다.

반사판의 고유진동수 해석을 통해, 준등방적 기계적 물성을 적용한 반사판과 이방성 유효 물성을 적용한 반사판의 고유진동수 차이를 확인하였으며, 반사판의 유연성 및 중량에 의해 대체적으로 낮은 고유진동수가 확인이 되었다. 또한, 안테나 반사판이 우주 열환경에 노출되었을 때를 가정하여 반사판의 온도분포 및 그에 따른 열변형을 확인함으로써, 표면형상의 오차가 클 것으로 예상되는 온도차이에서도 안테나의 형상오차는 2 mm 이하인 것을 확인하였다. 3-방향 직물 복합재료 자체의 열팽창 계수는 작으나 반사판을 지지하고 있는 알루미늄 리브(Rib) 열팽창계수가 상대적으로 매우 높기에 형상오차가 상대적으로 크게 확인되었다. 반사판의 제작과정에서 반사판을 형성하는 3-방향 직물복합재료의 크기, 제작공정들을 확인하면서 반사판에 대한 형상오차를 확인하였고 제작에 대한 형상오차를 1 mm 이하로 줄일 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study investigates the mechanical properties of triaxial woven fabric composites (TWFC) using flexible matrix such as silicone and applies them to antenna reflectors to evaluate their structural characteristics. The mechanical properties of TWFC were analyzed through two approaches: deriving the stiffness matrix on a mesoscopic scale using unit cells, and evaluating mechanical properties using TWFC specimen models on a macroscopic scale. On the mesoscopic scale, TWFC exhibited quasi-isotropic mechanical behavior. However, macroscopic scale revealed anisotropic behavior, with higher stiffness in the 0˚ direction compared to the 90˚ direction. As specimen size increased, the stiffness in the 90˚ direction also increased, approaching that of the 0˚ direction. So TWFC will have quasi-isotropic mechanical behavior with larger specimens. The derived mechanical properties were utilized in finite element models to analyze the structural behavior of the antenna reflector, considering both quasi-isotropic and anisotropic properties depending on specimen size.

Optimal antenna performance is achieved when the reflector surface conforms to an ideal parabolic shape. Surface deformation due to gravitational effects was evaluated, and the lightweight design of the reflector ensured that gravitational deformation remained below acceptable limits. Reflectors designed with isotropic mechanical properties exhibited smaller surface errors compared to those anisotropic properties due to the dominance of 0˚ direction stiffness. Furthermore, differences in the natural frequencies of the reflector under quasi-isotropic and anisotropic conditions highlighted the importance of considering material directionality for reflector design.

Thermal deformation due to exposure to the space thermal environment was analyzed, revealing that surface errors remained within acceptable limits even under significant temperature gradients. By measuring the shape error of the fabricated reflector and identifying critical factors affecting its manufacturing process, the shape error was successfully reduced to below acceptable limits. This research establishes a foundational manufacturing process for reflectors using TWFC and demonstrates the structural feasibility of employing triaxial woven fabric composites in antenna reflectors. These findings contribute to minimizing shape errors and ensuring the structural functionality of TWFC-based antenna reflectors.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구배경 1
• 1.2 문헌조사 3
• 1.3 연구목적 6
• 제2장 3-방향 직물복합재료 유한요소 해석 7
• 2.1 3-방향 직물 복합재료 대표단위셀의 유한요소 모델 7
• 2.2 중시적 척도 3-방향 직물복합재료 단위셀의 강성행렬 계산 22
• 2.3 거시적 척도 3-방향 직물복합재료의 기계적 물성 계산 31
• 제3장 3-방향 직물복합재료의 기계적 물성 실험 35
• 3.1 시편 제작 공정 35
• 3.2 인장 시험 36
• 제4장 3-방향 직물복합재료를 이용한 초경량 유연 안테나 반사판 42
• 4.1 안테나 반사판 유한요소 해석 42
• 4.2 안테나 반사판 제작 및 실험 52
• 제5장 결 론 62
• 참 고 문 헌 64
• ABSTRACT 69