In this study, probabilistic analysis and experimental tests are conducted to predict the probabilistic deformation and strength of composite pressure vessels subjected to inner pressure loading. For a probabilistic evaluation of deformation and strength, an integrated probabilistic progressive failure analysis code has been developed. The material non-linear laminated shell theory, progressive failure model, Monte-Carlo simulation, and Edgeworth expansion method have been integrated into the probabilistic strength analysis code. Probabilistic progressive failure model is also incorporated with a commercial FEA code (ABAQUS) to predict the reliability of composite pressure vessel including an AFT dome part. The probabilistic analysis code considers the uncertainties in material properties as well as in the composite fabrication process parameter. Three design random variables with uncertainties were selected: (1) composite elastic constants, (2) lamina strength; and (3) the thickness of the helical and hoop layer. In addition, volumetric size effect on the fiber strength is considered in the design random variables. As an analytical method, the Weibull weakest link model and the modified sequential multi-step failure model are considered and mutually compared. The accuracy of probabilistic analysis was verified by comparing the predicted results with the experimental hoop strain or with the burst pressure obtained by a hydro-test with ten composite pressure vessels. The sensitivities of each response to the design random variables were evaluated and conclusions are drawn concerning the relative importance of these variables in the design problem. Improvement of the structural design based on the probabilistic analysis is also discussed.
본 논문을 통해, 확률 강도 해석과 시험을 이용한 복합재 압력 용기의 내압 확률 변형및 강도 예측이 이루어졌다. 복합재 압력 용기의 내압 확률 변형및 강도 예측을 위해 확률 강도 해석과 연속 파손 이론이 연계된 해석 코드가 개발되었다. 적용된 이론은 재료 비선형 성이 고려된 적층 쉘 이론, 연속 파손 이론 그리고 확률 강도 해석으로서 몬테카를로스 방법과 Edgeworth expansion방법이 해석 코드에 포함되었다. 또한 복합재 압력 용기의 돔 부위까지 포함한 확률 강도 해석을 위하여 확률 연속 파손 모델을 상용 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS와 연계한 해석도 수행하였다. 설계 확률 변수는 재료 물성뿐아니라 복합재 제작 공정 변수까지 포함하였다. 설계 확률 변수로서 1) 복합재 탄성 계수, 2) 복합재 강도, 3) 헬리컬과 후프 층의 적층 두께가 확률 강도 해석 입력 값으로 이용되었다. 추가하여, 섬유 강도의 부피 크기 효과가 설계 확률 변수 결정에 이용되었고, 이를 위하여 해석적 방법으로 웨이블 최약 링크 모델과 개선된 다 단계 연속 파손 모델이 사용되었다. 이와같이 코딩된 확률 강도 해석 프로그램의 타당성은 약10개의 복합재 압력 용기 수압 변형및 파열 압력 값과의 비교를 통해 입증하였다. 또한 설계 확률 변수의 민감도 해석을 통해, 각 확률 변수가 복합재 압력 용기의 변형및 파열 압력에 미치는 영향을 평가하였고, 이를 통해 각 확률 변수가 복합재 압력 용기 구조 설계에 미치는 상대적 중요성을 확인하였다. 그리고 확률 강도 해석 결과을 이용한 구조 설계 개선이 논의되었다.
