양자 어닐링 기반 적층 순서 최적화 및 천연 하이브리드 복합재의 충격 성능 평가 = Quantum Annealing-Based Stacking Sequence Optimization and Impact Performance Evaluation of Natural Hybrid Composites

국문 초록 (Abstract)

천연 하이브리드 복합재는 친환경성, 경량성, 저비용 등의 장점으로 인해 기존 합성 복합재를 대체할 수 있는 유망한 소재로 간주되고 있다. 본 연구에서는 이러한 복합재의 충격 흡수 성능을 극대화하기 위한 방안으로 양자 어닐링(Quantum Annealing, QA)이 적용되었다. 적층 순서의 최적화는 6종의 천연섬유(Bamboo, Flax, Hemp, Ramie, Jute, Kenaf)와 19가지 섬유 각도의 조합으로 구성된 총 114개의 변수에 대해 수행되었으며, 각 조합의 굽힘 특성은 고전 적층판 이론에 기반한 곡률 반경 분석을 통해 산정되었다. 이 곡률 반경은 충격 하중 하에서의 변형 저항성을 반영하는 지표로 활용되었으며, 목적함수는 QUBO(Quadratic Unconstrained Binary Optimization) 형태로 변환되어 양자 어닐러에 임베딩되었다. 비중 및 비용에 대한 제약 조건이 반영된 QA 기반의 조합 최적화가 수행되었고, 도출된 적층 조합은 샤르피 충격 해석을 통해 평가되었다. 분석 결과, Ramie와 Jute 섬유가 상호보완적으로 적층된 조합 D에서 가장 높은 충격 흡수 에너지가 기록되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Natural hybrid composites are considered promising alternatives to conventional synthetic composites due to their eco-friendliness, light weight, and low cost. In this study, quantum annealing (QA) was applied as a strategy to maximize the impact energy absorption performance of such composites. The stacking sequence optimization was performed on 114 variables derived from the combinations of six natural fibers (Bamboo, Flax, Hemp, Ramie, Jute, and Kenaf) and 19 fiber orientation angles. The bending characteristics of each combination were evaluated through radius of curvature analysis based on classical laminate theory, and the resulting values were used as indicators of deformation resistance under impact loading. The objective function was reformulated into a Quadratic Unconstrained Binary Optimization (QUBO) model and embedded into a quantum annealer. QA-based combinatorial optimization was conducted under specific gravity and cost constraints, and the resulting stacking configurations were evaluated through Charpy impact simulation. The analysis revealed that combination D, in which Ramie and Jute fibers were complementarily stacked, achieved the highest impact energy absorption.