유한요소해석을 이용한 복합재료 압력용기 실린더의 적층 설계에 따른 충격 손상 및 내압성능 분석
Analysis of Impact Damage and Internal Pressure Performance of a Composite Pressure Vessel according to Stacking Sequence Design Using Finite Element Analysis
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초록
본 연구에서는 탄소섬유 강화 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP) 압력용기 실린더의 적층 순서가 충격 손상 및 잔류 파열압력에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 연속체 손상역학(Continuum Damage Mechanics, CDM) 기반의 손상 모델을 적용한 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 수행하여, 충격 에너지에 따른 실린더의 충격 거동, 손상 양상 및 파열압력을 평가하였다. 분석 결과, 복합재 적층 순서에 따라 충격 거동과 손상이 크게 달라지는 것으로 나타났다. 특히, 후프층과 헬리컬층을 교차 적층할 경우, 내부적으로 층간분리 손상은 증가하지만, 후프층의 섬유 손상이 억제되어 파열압력의 급격한 저하는 방지되는 것을 확인하였다.
Abstract
This study analyzes the effect of the stacking sequence of a carbon fiber reinforced polymer(CFRP) pressure vessel cylinder on impact damage and residual burst pressure. To achieve this, finite element analysis(FEA) incorporating a continuum damage mechanics(CDM)-based damage model was conducted to evaluate the impact behavior, damage patterns, and burst pressure of the cylinder under different impact energy levels. The results indicate that the impact behavior and damage characteristics vary significantly depending on the stacking sequence of the composite material. In particular, when hoop and helical layers are alternately stacked, interlaminar delamination damage increases internally. However, the dispersion of impact energy effectively suppresses fiber damage in the hoop layers, preventing a significant reduction in burst pressure.