O Analysis of Filament Wound Pressure Tank Considering Winding Angle Variation In Thickness Direction

두께 방향의 와인딩 각도 변화를 고려한 필라멘트 와인딩 된 압력탱크의 해석

  • 김철웅 (한국과학기술원 기계공학과) ;
  • 박재성 (한국과학기술원 기계공학과) ;
  • 홍창선 (한국과학기술원 기계공학과) ;
  • 김천곤 (한국과학기술원 기계공학과)
  • Published : 2000.04.01

Abstract

Filament wound pressure vessels have been studied for the efficient design tool to consider the variation of fiber angles through-the thickness direction. Filament winding patterns were simulated from semi-geodesic fiber path equation to calculate fiber path on arbitrary surface. Finite element analyses were performed considering fiber angle variation in longitudinal and thickness directions by ABAQUS. For the finite element modeling of the pressure tank, the 3-dimensional layered solid element was utilized. From the stress results of pressure tanks, maximum stress criterion in transverse direction was applied to modify material properties for failed region. In the end of each load increment, resultant layer stresses were compared with a failure criterion and properties were reduced to 1/10 for a failed layer. Results of progressive failure analysis were compared with two experimental data.

본 논문에서는 두께 방향의 와인딩 각도 변화를 고려한 필라멘트 와인딩 된 압력탱크의 해석을 수행하였다. 두께방향의 와인딩 각도를 고려하기 위하여 임의의 맨드릴 표면에 대한 필라멘트 와인딩 궤적을 찾아낼 수 있는 semi-geodesic path식을 도입하였다. 필라멘트 와인딩 된 압력탱크의 유한요소 모델링을 위하여 3차원 적층고체요소를 사용하였으며, 상용프로그램ABAQUS를 이용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석에서는 모재 파손에 의한 강성저하를 모사하기 위하여 재료 비선형성을 고려하였으며, 이를 위하여 각 하중 증분 후에 섬유 수직방향 응력을 모재의 인장강도와 비교하는 최대응력파손이론을 도입하였고, 파손이 일어난 층에 대해서 모재 방향의 재료 상수를 1/10로 저하시켰다. 그리고, 점진적 파손해석을 수행한 결과를 문헌에 주어진 실험데이터와 비교하였다.

Keywords

References

  1. Design Method in Solid Rocket Motors, Lectrues Series no.150 Composite Motor Case Design Evans
  2. 과학기술처 연구보고서 섬유강화 복합재료의 개발과 응용 (FRP 압력기의 개발) 홍창선(외.)
  3. Journal of Reinforced Plastics nad Composites v.14 no.12 Progressive Failure Analysis for Filament Wound Pressure Vessel Y.D. Doh;C.S. Hong
  4. 동경대학 우주항공연구보고서 v.15 no.4 CFRP 로켓 모타의 개발연구 M. Uemura
  5. 제8차 유도무기학술대회논문집 필라멘트 와인딩 압력용기의 구조 설계 변수 해석을 통한 복합재 연소관의 성능 향상에 관한 연구 황태경(외.)
  6. Composite Structures v.32 Filament-wound pressure vessel with thick metal liner J.M. Lifshitz
  7. Composites Manufacturing v.5 no.1 Computer-intergrated filament winding: Computer-integrated design, robotic filament winding and robotic quality control J. Scholliers;H. Van Brussel
  8. KAIST, MAE Thesis 원공이 존재하는 필라멘트 와인딩 압력 용기의 거동해석 주상건
  9. SAMPE Journal Development of the Standard Test and Evaluation Bottle(STEB) N.L. Newhouse;W.D. Humphrey
  10. Composites Manufacturing v.5 no.1 Design principles in filament winding M. Lossie;H.Van Brussel