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Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers - Vol. 26 , No. 3

[ Research Paper ]
Journal of the Korean Society of Propulsion Engineers - Vol. 25, No. 6, pp. 74-86
Abbreviation: KSPE
ISSN: 1226-6027 (Print) 2288-4548 (Online)
Print publication date 31 Dec 2021
Received 01 Sep 2021 Revised 30 Nov 2021 Accepted 05 Dec 2021
DOI: https://doi.org/10.6108/KSPE.2021.25.6.074

대형 복합재 격자구조체 개발 및 평가
김동건a ; 도영대a, * ; 김근상a ; 김명주b ; 이상우b

Development and Evaluation of Large Scale Composite Lattice Structures
Donggeon Kima ; Youngdae Doha, * ; Gensang Kima ; Myungjoo Kimb ; Sangwoo Leeb
aDesign Technology Center, Hankuk Fiber Group, Korea
bDefence Department, Hankuk Fiber Group, Korea
Correspondence to : * E-mail: dyddyd@hfiber.com


Copyright Ⓒ The Korean Society of Propulsion Engineers
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초록

복합재 격자구조체는 요구 하중을 최소한의 무게 및 두께로 지지하는 구조체로, 고강도 탄소섬유에 에폭시 수지를 함침시켜 필라멘트 와인딩 공법으로 제작된다. 구조적으로 반드시 필요한 부분만을 적층 및 제작하므로 항공기 동체, 위성발사체 및 유도무기 등에 적용하여 경량화를 극대화 할 수 있다. 본 논문에서는 대형 원통형 및 콘형 복합재 격자구조체의 설계, 해석, 제작 및 평가까지 전 순기에 해당하는 복합재 격자구조체 개발 및 평가를 수행하였다. 실제 발사체 및 유도무기에 적용이 가능하도록 직경 2,600 mm, 길이 2,000 mm의 원통형 격자구조체와 상단 직경 1,300 mm, 하단 직경 2,500 mm, 길이 900 mm의 콘형 격자구조체를 개발하였으며, 하중시험을 통해 대형 복합재 격자구조체의 성능을 평가하였다.

Abstract

The composite lattice structure is a structure that supports the required load with the minimum weight and thickness. Composite lattice structure is manufactured by the filament winding process using impregnating high-strength carbon fiber with an epoxy resin. Filament winding process can laminate and manufacture only structurally necessary parts, composite lattice structure can be applied to aircraft fuselages, satellite and launch vehicles, and guided weapons to maximize weight reduction. In this paper, the development and evaluation of the composite lattice structure corresponding to the entire process from design, analysis, fabrication, and evaluation of large-scale cylindrical and conical composites lattice structure were performed. To be applicable to actual projectiles and guided weapons, we developed a cylindrical lattice structure with a diameter of 2,600 mm and a length of 2,000 mm, and a conical lattice structure with an upper diameter of 1,300 mm, a lower diameter of 2,500 mm, and a length of 900 mm. The performance of the developed composite lattice structure was evaluated through a load test.


Keywords: Composite Lattice Structure, Rocket Launch Vehicle, Filament Winding
키워드: 복합재 격자구조체, 로켓 발사체, 필라멘트 와인딩

1. 서 론

복합재 격자구조체는 굽힘/압축/비틀림 등의 요구 하중을 최소한의 적층두께로 지지하는 구조체이다. 격자구조체는 Fig. 1과 같이 원주 방향으로 구성된 후프 리브(hoop rib)와 특정 각도(θ) 방향으로 구성된 헬리컬 리브(helical rib), 그리고 리브와 리브가 교차하는 노트부(knot)로 구성된다.


Fig. 1 
Shape of lattice structure.

최근 Fig. 2와 같이 항공기, 발사체 및 유도무기 등의 경량화를 위해 복합재 격자구조체에 대한 요구가 증가되는 추세이며, 국내 및 국외에서는 복합재 격자구조체에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.


Fig. 2 
Application of composite lattice structure.

Vasiliev와 Barynin, Razin[1]는 복합재 격자구조체의 기초 설계단계에서 적용 가능한 설계 이론을 제안하였으며, Qing Zheng 등[2]은 복합재 격자구조체의 리브 두께, 폭, 간격을 변수로 유한요소해석을 수행하고 이론식과 유한요소해석 결과를 비교하는 등 다양한 연구가 수행되었다.[3, 4]

국내에서는 축소형 원통형 및 콘형 격자구조체에 대한 최적설계 및 구조해석을 수행한 후 Fig. 3과 같이 실리콘 몰드 위에 필라멘트 와인딩 공정을 통해 격자구조체를 제작하였다. 제작 과정에서 Fig. 4와 같이 롤러를 사용한 압착 공정을 수행하였다. 압착 공정을 통해 리브와 노트부의 두께는 동일하며, 노트부의 섬유 부피분율은 리브보다 크게 제작된다. 이후 Fig. 5와 같이 하중시험을 수행하였으며, 설계/해석 기법 및 제작 공정에 대한 검증을 수행하였다[5-7].


Fig. 3 
Manufacture of composite lattice structure.


Fig. 4 
Compression process of knot part.


Fig. 5 
Test equipment and failure of composite lattice structure.

발사체 및 유도무기의 동체 및 인터스테이지는 원통 형상이며, 페이로드 페어링은 콘 형상으로 제작된다. 또한 발사체 및 유도무기는 운용 중 추진력에 의해 압축하중이 작용하게 되며, 복합재 격자구조체를 발사체 및 유도무기에 적용하기 위해서는 요구되는 압축하중에 대해 강도 및 좌굴파손이 발생하지 않아야 한다.

본 연구에서는 직경 2,600 mm, 길이 2,000 mm, 무게 92 kg 이하의 원통형 격자구조체와 상단부 직경 1,300 mm, 하단부 직경 2,500 mm, 길이 900 mm, 무게 35 kg 이하의 콘형 격자구조체를 개발 목표로 선정하였다.

관련논문을 참고하여 검증된 격자구조체 설계 및 해석 기법을 통해 대형 원통 및 콘형 복합재 격자구조체를 설계하였으며, 파손하중을 예측하기 위해 ABAQUS/CAE를 사용하여 구조해석을 수행하였다. 이후 필라멘트 와인딩 공정을 통해 격자구조체를 제작하였으며, 제작된 구조체의 성능을 평가하기 위해 5 MN급의 하중시험기를 사용하여 구조체에 압축하중을 부가하는 하중시험을 수행하였다. 하중시험을 통해 설계 및 제작된 복합재 격자구조체의 성능을 평가하였으며, 설계, 해석, 제작 및 평가까지 전 순기에 해당하는 복합재 격자구조체 개발을 수행하였다.


2. 본 론
2.1 복합재 격자구조체 구조 설계

본 논문에서는 직경 2,600 mm, 길이 2,000 mm의 원통형 격자구조체와 상단부 직경 1,300 mm, 하단부 직경 2,500 mm, 길이 900 mm의 콘형 격자구조체를 설계 모델로 선정하였다. 대형 원통형 격자구조체의 요구 압축하중은 210 ton으로 선정하였으며, 대형 콘형 격자구조체의 요구 압축하중은 180 ton으로 선정하였다. Eq. 1~3과 같이 Vasiliev의 설계 이론을 토대로 격자구조체를 설계하였다. 각 식의 변수는 Fig. 1과 같다.

σhelical=P4πRHbhelicalahelicalcos2θ(1) 
σhoop=σhelicalnhoopbhelicalnhoop+1bhoopsinθ(2) 
Fgb=223πt2cos2θEbhoopbhelicalahoopahelical(3) 
2.2 대형 원통형 복합재 격자구조체 구조 설계

대형 원통형 격자구조체는 2가지 안으로 설계 되었다. 1안은 설계 목적함수로 하중 최대화를 선정하여, 무게는 크지만 최대한의 압축하중을 지지하도록 설계하였다. 2안은 설계 목적함수로 무게 최소화를 선정하여, 최소한의 무게로 요구 압축하중인 210 ton을 지지하도록 설계되었다.

이때 격자구조체의 제작 금형 및 실리콘 몰드의 수정, 가공 과정을 고려하여, 두께 및 리브 폭만을 조절하여 2가지 안에 대한 설계를 수행하였다. 하중 최대화로 설계된 원통형 격자구조체 1안의 경우 리브 폭이 8.3 mm, 리브 두께가 21 mm로 설계되었으며, 요구 무게 92 kg에 대해 약 10%의 무게 마진을 갖도록 설계되었다. 무게 최소화로 설계된 원통형 격자구조체 2안의 경우 리브 폭이 6 mm, 리브 두께가 20 mm로 설계되었으며, 최소한의 무게로 압축하중을 지지하도록 설계되었다.

2.3 대형 콘형 복합재 격자구조체 구조 설계

격자구조체의 후프 리브는 헬리컬 리브가 교차하는 노트부의 중간에 위치하게 된다. 콘형 격자구조체는 헬리컬 리브의 상단 각도가 하단 각도보다 크게 설계되며, 하단부 후프 리브의 간격이 상단부 후프 리브의 간격보다 큰 형상으로 설계된다. 이에 따라 콘형 격자구조체에 압축하중이 가해질 경우, 구조체 하단부 형상에 의해 좌굴에 취약하게 된다.

따라서 본 논문에서는 콘형 격자구조체의 압축하중에 대한 구조안전성을 증가시키기 위해 구조체 하단부 후프 리브의 간격을 조정한 후 3개의 후프 리브를 추가하였다. 리브 폭은 6.7 mm, 리브 두께는 24.75 mm, 압축하중 180 ton을 지지하도록 설계되었다.

설계된 대형 원통 및 콘형 격자구조체의 설계 변수는 Table 1과 같다.

Table 1. 
Design parameters of lattice structures.
Large Cylindrical Lattice Structure Large Conical Lattice Structure
(1st model, Max load) (2nd model, Min weight)
Diameter
(mm)
2,600 2,600 1,300-2,500
Height
(mm)
2,000 2,000 900
Width
(mm)
8.7 6 6.7
Thickness
(mm)
21 20 24.75
Numbers of Helical 52 52 42
Numbers of Hoop 14 14 10
Angle of Helical(deg) 28.8 28.8 16.65-33.04

2.4 복합재 격자구조체 구조해석

본 논문에서는 CATIA V5(R20)을 사용하여 복합재 격자구조체의 형상을 모델링 하였다. Fig. 6과 같이 전개된 원통 및 콘형 형상 위에 격자구조체의 리브를 디자인 한다. 이후 각 리브의 각도, 간격, 두께 및 폭을 입력한 후, Sheetmetal design의 Fold/Unfold 기능을 사용하여 격자구조체의 형상을 모델링하였다. 설계된 격자구조체의 형상은 FIg 7, 8과 같다.


Fig. 6 
Design of conical lattice structure.


Fig. 7 
Cylindrical composite lattice structure.


Fig. 8 
Conical composite lattice structure.

구조해석은 ABAQUS/CAE를 사용하였다. 3D Solid 요소를 사용하였으며, 생성된 요소망 형상은 Fig. 9, 10과 같다. 리브 및 노트부의 물성은 섬유 부피분율을 고려하여 Table 2와 같이 입력하였으며, 각 부분의 밀도를 통해 대형 원통 및 콘형 격자구조체의 무게를 계산하였다.


Fig. 9 
Element of cylindrical lattice structure.


Fig. 10 
Element of conical lattice structure.

Table 2. 
Material properties of composite Rib & Knot.
(Unit : MPa) Rib
(υf=0.3)
Knot
(υf=0.6)
E11 74,820 134,000
E22 6,640 8,080
G12 2,280 5,330
Poisson's ratio 0.33 0.33
Density(g/cm3) 1.42 1.55
S11T 1,437 2,480
S11C -678 -1,170
S22T 39 44
S22C -114 -129

구조해석 해석 조건은 Fig. 11과 같이 구조체 하단부에 6자유도 구속조건을 입력하였다. 구조체 상단에 압축하중을 입력하기 위해 상단의 중심부에 Reference point를 생성하여 상단 Surface와 Coupling조건을 입력하였다.


Fig. 11 
Boundary condition of structure.

대형 원통형 격자구조체의 경우 Reference point에 집중하중 210 ton, 콘형 격자구조체는 180 ton을 입력하여 압축하중에 대한 구조해석을 수행하였다. 추가적으로 동일한 위치에 1 N의 하중을 입력하여 좌굴해석을 수행하였다. 해석 결과를 토대로 목표하중(대형 원통형 : 210 ton, 대형 콘형 : 180 ton)에 대한 구조안전성 및 좌굴파손하중을 계산하였다.

2.5 복합재 격자구조체 구조해석 결과

노트부 및 리브 밀도에 따른 각 복합재 격자구조체의 무게를 계산하였으며, 구조안전성을 판단하기 위해 Maximum stress theory를 적용하여 파손 발생 예상 지점인 노트부의 최대응력과 파손강도를 비교하여 구조안전성을 검토하였다.

리브와 노트부의 파손강도는 Eq. (4)~(7)과 같이 계산하였으며, 구조해석에 입력된 리브와 노트부의 물성 및 강도는 Table 2와 같다[7].

S11T=Sf,11Tυf+υmEmEf(4) 
S11C=Sf,11Cυf+υmEmEf(5) 
S22T=Sm,T1-υf-υf1-EmEf1-4υυπ1-υf(6) 
S22C=Sm,C1-υf-υf1-EmEf1-4υυπ1-υf(7) 
* S=strength, E=Elastic modulus,
v=poisson;s ratio

각 구조체에 요구 압축하중(대형 원통형 : 210 ton, 대형 콘형 : 180 ton)을 입력하였을 때, 구조체 상단부의 변위, 섬유방향 및 섬유 수직방향 최대 응력, 강도 파손하중을 계산하였다. 추가적으로 좌굴해석을 수행하여 좌굴 파손하중을 계산한 후, 목표 하중에 대한 좌굴 안전계수를 계산하였다. 구조해석 결과는 Table 3Fig. 12~19와 같다.

Table 3. 
Result of finite element analysis.
Large Cylindrical Lattice Structure Large Conical Lattice Structure
(1st model, Max load) (2nd model, Min weight)
Weight (kg) 82.6 54.4 33.3
Disp (mm) 5.45 8.17 4.03
σ11,max (MPa) -414.90 -622.30 -500.20
σ22,max (MPa) -11.80 -19.20 -57.70
Maximum failure index 2.81 1.88 2.33
Failure load
(Strength, ton)
590.10 394.80 421.03
Failure load
(Buckle, ton)
454.53 303.01 242.66
Safety factor for buckle 2.16 1.44 1.34


Fig. 12 
FEA result; displacement of large cylindrical lattice structure(1st design).


Fig. 13 
FEA result; σ11,max of large cylindrical lattice structure(1st design).


Fig. 14 
FEA result; displacement of large cylindrical lattice structure(2nd design).


Fig. 15 
FEA result; σ11,max of large cylindrical lattice structure(2nd design).


Fig. 16 
Buckling analysis of large cylindrical lattice structure(1st design).


Fig. 17 
Buckling analysis of large cylindrical lattice structure(2nd design).


Fig. 18 
FEA result; displacement of large conical lattice structure.


Fig. 19 
Buckling analysis of large conical lattice structure

요구 압축하중을 입력하였을 때 대형 원통형 격자구조체 1안의 상단부 변위는 5.45 mm, 2안은 8.17 mm, 대형 콘형 격자구조체의 상단부 변위는 4.03 mm로 계산되었다. 대형 원통형 격자구조체 1안의 강도 파손하중은 590.10 ton, 2안은 394.80 ton으로 계산되었으며, 대형 콘형 격자구조체의 강도 파손하중은 421.03 ton으로 계산되었다. 좌굴해석 결과, 대형 원통형 격자구조체 1안의 좌굴 파손하중은 454.53 ton, 2안은 303.01 ton으로 계산되었으며, 대형 콘형 격자구조체의 좌굴 파손하중은 242.66 ton으로 계산되었다.

좌굴 파손하중이 강도 파손하중보다 낮게 계산되어 실제 시험 시 좌굴에 의한 파손이 발생할 것으로 예상되며, 구조체 하단 노트부에서 파손이 발생할 것으로 예상하였다.

2.6 복합재 격자구조체 제작

복합재 격자구조체의 격자형상을 정밀하게 구현하기 위해서 Fig. 20과 같이 실리콘 몰드를 개발하였다. 격자구조체 제작 금형은 조립 및 탈형을 위해 분리형으로 개발되었으며, 실리콘 몰드의 후면은 핀과 나사를 통해 금형과 체결된다. 체결된 금형 및 몰드 형상은 Fig. 21, 22와 같다.


Fig. 20 
Silicon mold of lattice structure.


Fig. 21 
Mandrel and mold of cylindrical lattice structure.


Fig. 22 
Mandrel and mold of conical lattice structure.

실리콘 몰드를 금형에 설치한 후, 몰드의 홈을 따라 T700급의 탄소섬유를 필라멘트 와인딩 공정을 통해 적층한다. 섬유 적층 과정에서 리브와 리브가 만나는 노트부는 섬유가 교차되어 리브 에 비해 약 2배의 두께로 와인딩 되는 현상이 발생하므로, 그 두께를 균일하게 하기 위해 롤러를 사용하여 노트부를 압착하며 필라멘트 와인딩 공정을 진행한다. 해당 공정에 따라 섬유가 교차되는 노트부는 리브에 비해 2배 가량의 섬유 부피분율을 가지게 된다.

필라멘트 와인딩 공정(Fig. 23) 이후, 와인딩 공정 중 발생할 수 있는 공정 결함인 기공 등을 고려하여 수축필름을 구조체 외부에 부착하여 진공 압착 공정을 수행한다. 압착된 구조체는 오븐에서 성형되며, 중력에 의해 수지가 쏠리는 현상을 방지하기 위해 멘드릴을 회전시키며 성형하며, 수지의 성형 조건에 맞추어 성형한다.


Fig. 23 
Filament winding process of lattice structure.

성형 이후 수축필름, 실리콘 몰드 및 금형을 제거한 후 후가공 공정을 거쳐 복합재 격자 구조체를 제작 완료하였다.

제작된 복합재 격자구조체의 형상은 Fig. 24, 25와 같다. Fig. 26과 같이 3차원 측정장비를 사용한 치수 검사 결과, 대형 원통형 격자구조체 직경 및 길이에서 1안은 최대 0.04%, 2안은 최대 0.08%, 대형 콘형 격자구조체의 경우 최대 0.07%의 제작오차가 발생하여 설계 안 대비 매우 정교하게 구조체가 제작됨을 확인하였다. 복합재 격자구조체 공정 중 롤러를 사용하여 압착을 수행하게 되는데, 수작업으로 진행되는 압착공정의 특성 상 일부 리브에서는 균일한 압착이 진행되지 않아 수지가 더 많거나 적은 부분이 발생하여 이에 따라 설계 및 제작품의 무게 오차가 최대 3.75%가량 발생하게 되었다. 제작된 구조체의 제원은 Table 4와 같다.

Table 4. 
Design parameters of lattice structures.
Large Cylindrical Lattice Structure Large Conical Lattice Structure
(1st model, Max load) (2nd model, Min weight)
Weight
(kg)
79.5 56.3 34.5
Diameter
(mm)
2,601.15 2,602.08 1,300.85 - 2,500.60
Height
(mm)
2,000.13 2,000.14 899.47
Shape error (%) 0.04 0.08 0.07


Fig. 24 
Cylindrical lattice structure.


Fig. 25 
Conical lattice structure.


Fig. 26 
Dimensional measuring equipment.

2.7 복합재 격자구조체 하중시험

Fig. 27과 같이 제작된 대형 원통형 및 콘형 복합재 격자구조체에 대한 하중시험을 수행하였다. 목표 하중 조건에 대한 격자구조체의 구조안전성을 평가하였으며, 하중시험은 공인된 기관의 장비를 활용하여 전문가 입회하에 수행되었다. 하중시험은 500 ton 급 하중시험 장비를 사용하여 0.5 mm/min의 속도로 수행되었으며, 시험을 통해 대형 원통형 및 콘형 격자구조체의 압축하중 및 파손시점을 확인하였다.


Fig. 27 
Test for cylindrical lattice structure.

리브 폭이 8.3 mm, 리브 두께가 21 mm인 하중 최대화를 목적으로 설계 및 제작된 1안 원통형 격자구조체 하중시험 결과, 목표하중인 210 ton에서 구조체가 안전함을 확인하였으며, 추가적으로 408 ton까지 하중시험을 수행하였다(Fig. 28).


Fig. 28 
Test result of cylinderical lattice structure(1st design).

리브 폭이 6 mm, 리브 두께가 20 mm인 무게 최소화를 목적으로 설계 및 제작된 2안 원통형 격자구조체 하중시험 결과, 목표하중인 210 ton에서 구조체가 안전함을 확인하였으며, 추가적으로 217 ton까지 하중시험을 수행하였다(Fig. 29).


Fig. 29 
Test result of cylinderical lattice structure(2nd design).

500 ton 용량의 시험장비를 통해 하중시험을 수행하였으나, 직경이 2,600 mm, 높이가 2,000 mm로 직경 및 높이가 큰 대형 원통형 격자구조체가 200 ton 이상의 하중에서 파손이 발생할 경우 시험장비의 안전성에 영향이 있을 것으로 판단하였다. 이에 따라 구조해석을 통해 계산된 좌굴 파손하중 부근까지 하중시험을 수행하였으며, 시험 이후 육안으로 시편을 확인한 결과 구조체에 Delamination 및 Crack이 발생하지 않은 것을 확인하였다.

대형 콘형 격자구조체 하중시험 결과 요구 하중조건인 180 ton에 대해 구조체가 안전함을 확인하였으며, 추가적으로 압축하중을 부가하였을때, 211 ton에서 파손이 발생하였다(Fig. 30).


Fig. 30 
Test result of conical lattice structure.

시험 결과 구조체 하단부에서 층간분리 및 좌굴에 의한 파손이 발생한 것을 확인하였다. 대형 콘형 격자구조체 시험 형상 및 파손 형상은 Fig. 31과 같다.


Fig. 31 
Test for conical lattice structure.

2.8 복합재 격자구조체 해석 및 시험 비교 분석

대형 원통 및 콘형 격자구조체의 해석 및 시험 결과는 Table 5와 같다.

Table 5. 
Design parameters of lattice structures.
Large Cylindrical Lattice Structure Large Conical Lattice Structure
(1st model, Max load) (2nd model,
Min weight)
Weight for design
(kg)
82.6 54.4 33.3
Actual weight
(kg)
79.5 56.3 34.5
Disp at FEA
(mm)
5.45 8.17 4.03
Failure load at FEA
(ton)
454.53 303.01 242.66
Disp at test
(mm)
4.94 8.13 5.18
(4.26*))
Failure load at test
(ton)
Safe at 408**) Safe at 217**) Fail at 211
Disp error
(%)
9.35 0.48 22.20
(5.39*))
*) Predicted displacement during linear behavior of large conical lattice structures.
**) Suspension of load test considering safety of test equipment.

구조해석 결과, 대형 원통형 격자구조체 1안의 좌굴 파손하중은 454.53 ton, 2안은 303.01 ton으로 계산되었으며, 대형 콘형 격자구조체의 좌굴 파손하중은 242.66 ton으로 계산되었다.

하중시험 결과 시험장비의 안전성에 따라 대형 원통형 격자구조체의 파손하중은 확인하지 못했다. 요구하중 210 ton을 가했을 때 시험에서 측정된 1안 구조체의 변위는 4.94 mm, 2안 구조체의 변위는 8.13 mm로 측정되었으며, 구조해석에서 계산된 1안 구조체의 변위는 5.45 mm, 2안 구조체의 변위는 8.17 mm로 오차율 10% 미만의 유사한 경향성을 보이며, 실제 시험에서도 해석에서 계산된 좌굴하중에서 파손이 발생할 것으로 판단된다.

대형 콘형 격자구조체의 경우, 시험에서 측정된 변위는 5.18 mm, 해석에서 계산된 변위는 4.03 mm로 약 22% 차이가 발생하였다. 대형 콘형 격자구조체 하중시험 시, 시험 치구의 각 모서리에 변위측정센서(LVDT)를 부착하여 각 모서리의 변위를 측정한 결과, 시험 도중 시험기 상단 치구가 기우는 현상(Tilting)이 발생한 것을 확인하였다.

대형 콘형 격자구조체의 상단부 직경은 1,300 mm로 대형 원통형 격자구조체의 상단부 직경인 2,600 mm에 비해 직경이 작아 시험기 상단 치구가 대형 콘형 격자구조체에 하중을 가하는 도중 하중이 한쪽 모서리로 치우쳐 시험기 상단 치구가 하중 시험 중 기우는 현상이 발생한 것으로 판단되며, 이에 따라 격자구조체에 순수한 압축하중 뿐만 아니라 굽힘 하중이 복합적으로 작용하여 비선형 거동이 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 32와 같이 콘형 격자구조체 시험 선도를 선형으로 가정하였을 때, 180 ton에서 변위는 약 4.26 mm로, 해석에서 계산된 변위인 4.03 mm와 약 5%의 차이가 발생한다. 또한 구조체의 파손은 시험 하중인 211 ton 보다 높은 하중에서 발생하여 구조해석 결과와 유사한 시험결과가 도출될 것으로 판단된다.


Fig. 32 
Linear line of conical lattice structure.


3. 결 론

본 논문에서는 직경 2,600 mm, 길이 2,000 mm의 원통형 격자구조체와, 상단부 직경 1,300 mm, 하단부 직경 2,500 mm, 길이 900 mm의 콘형 격자구조체에 대해 Vasiliev 설계 이론을 토대로 복합재 격자구조체를 설계하였으며, ABAQUS/CAE를 사용하여 구조해석을 수행하였다. 이후 필라멘트 와인딩 공정을 통해 격자구조체를 제작하였으며, 하중시험을 통해 요구하중에 대한 구조체의 구조안전성을 평가하였다.

대형 원통형 격자구조체는 최대한의 하중을 지지할 수 있는 1안 구조체와, 최소한의 무게로 요구하중을 지지할 수 있는 2안 구조체를 설계하였으며, 콘형 격자구조체는 형상 특성을 고려하여 구조체 하단부에 후프리브를 보강하여 격자구조체를 설계하였다. 설계된 안에 대해 필라멘트 와인딩 공정으로 구조체를 제작하여, 3차원 측정장비로 제작된 제품의 제원을 측정한 결과, 길이 및 직경 기준 형상오차가 최대 0.08%로 매우 정교한 복합재 격자구조체를 제작한 것을 확인하였다.

제작된 구조체에 대해 500 ton급 시험기를 사용하여 하중시험을 수행하였으며, 대형 원통 및 콘형 격자구조체 모두 요구 압축하중(대형 원통형 : 210 ton, 대형 콘형 : 180 ton)에 대해 구조적으로 안전함을 확인하였다.

대형 원통형 격자구조체 하중시험 시 시험장비의 안전성을 고려하여 파손하중까지 시험을 수행하지 못하였으나, 시험에서 측정한 변위와 해석에서 계산된 변위를 비교한 결과 약 10% 이내의 차이가 발생하여 신뢰성 있는 구조 설계 및 해석을 수행한 것으로 판단하였다.

본 연구을 통해 복합재 격자 구조체의 설계, 해석, 제작 및 평가까지 전 순기에 해당하는 개발과정을 수행하였으며, 시험평가를 통해 복합재 격자구조체의 설계, 해석 및 제작 기법을 검증하였다.본 연구 결과를 토대로 추후 우주발사체, 유도무기 등 다양한 방산 분야 및 민간 분야에 복합재 격자구조체를 적용할 예정이다.


Acknowledgments

본 연구는 민군협력진흥원(ICMTC)의 재원으로 복합재 격자구조체 기술개발(15-CM-MA-12)의 지원을 받아 수행한 연구과제이다.


References
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