기존에 사용되는 탄소섬유 대신 수중 환경에 더 적합한 유리섬유를 이용해 심해용 수소압력용기를 제작할 순 없을까?
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수중 임무 증가 및 수중 무인 이동체 수요 증가로 인한 수중 환경에 적합한 연료용 압력용기 필요
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현재 사용되는 탄소섬유 기반의 압력용기 사고 사례(2023년 OceanGate사 잠수정 폭파 사고)
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대부분의 압력용기는 지상 환경에서 내압 조건만을 만족하도록 제작되므로 정수압에 의한 좌굴을 고려할 필요가 있음
기존 방식의 문제점
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기존에 사용되는 재료인 탄소섬유(CFRP)는 해양 환경에서 전기전도성으로 인한 갈바닉 부식이 일어남
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기존에 사용되는 재료인 탄소섬유(CFRP)는 압축 시 심한 국부 손상이 일어남
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기존에 비슷한 환경에서의 압력용기 설계는 복합재의 직교이방성을 고려하지 않은 거시적 단일 물성 해석으로 돔 부위의 섬유 배향 제어가 불가함
핵심 아이디어
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CFRP보다 내수성과 내부식성이 우수한 재료인 유리섬유 강화 폴리머(GFRP)를 사용한 새로운 압력용기 설계
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섬유 강화 복합재의 적층각, 복합재 층의 두께 비 등을 설계변수로 설정, 내압 안정성, 외압 안정성을 모두 충족하는 최적 해 도출
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섬유 강화 복합재의 섬유 배향각을 고려하여 시뮬레이션(FEM, 전산해석)을 할 수 있는 ACP(ANSYS Composite PrePost) 프로그램 사용을 통한 해석 정확성 확보
활용된 핵심 기술 또는 이론
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고체역학(직교이방성 재료의 거동, 복합재의 거동)
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유한요소해석(국부 좌표계를 반영한 이방성 강성 행렬 기반 수치해석)
기존 방식과의 차별성
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지금까지 수중 환경에 사용되지 않았던 재료인 GFRP를 사용함
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다중 목적함수(내압 안정성, 외압 안정성)을 만족시키기 위한 새로운 안전지표 (J) 제안
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ACP를 이용하여 압력용기 설계 단계에서 제작 가능성 검증 및 섬유 강화 복합재에 대한 정확한 구조해석
문제 해결 과정
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주제 선정 및 자료조사
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시편 구매 및 재료 시험
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모델링 및 전산 해석
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Parametric study를 통한 설계변수 최적화
최종 사용자
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심해 탐사 로봇, 잠수정 제작자
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수중 임무를 위한 잠수정을 제작하는 방산기업
기대효과
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기존 규격에 맞는 사이즈로 제작하여 사용이 용이
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규정에 맞는 안전계수를 도입하여 설계하였으므로 신뢰성이 높음
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극심한 수압을 갖는 심해 환경에서 적용할 수 있는 압력용기 제작으로, 아직 밝혀지지 않은 심해 환경 탐사의 발판 마련
참여 정보
팀명
뭉탱이들
수강 교과목
심화종합설계
지도 교수
조성진
참여 개발자
최민서(기계공학부), 이상우(기계공학부), 최영주(기계공학부)
