In this paper, an optimal design procedure was suggested for axisymmetric filament wound structures under internal pressure. In the filament winding process, which is a popular technique for producing composite structures, a fiber bundle is placed on a rotating and removable mandrel. The process is consequently applied mainly to the manufacture of axisymmetric structures. The trajectory of the fiber path and the corresponding fiber angles cannot be chosen arbitrarily because of the stability requirement. The fiber path instability induced by the fiber slippage on a mandrel surface is too complicated to be predicted because it is affected by many parameters such as temperature, mandrel shape, fiber-resin combination, and surface treatment. So far, the results of the finite element analysis have been used only to understand the structural characteristics of filament wound structures because of the application of limited path equations to the analysis. Although finite element analysis is helpful for designing filament wound structures, most of the design and manufacturing of filament wound structures have been based on manufacturing experience and experiments. Thus, most designs have not been optimized to account for filament wound structures. Establishing an optimal design method for axisymmetric filament wound structures is therefore necessary. Such a method should do the following: improve finite element analysis, imply an adequate optimal design technique, consider manufacturing conditions and propose efficient designs. In the present study, the semi-geodesic path algorithm for filament wound structures was established. For this algorithm, the formulations of the winding angle and thickness were presented, and a numerical method of verifying the windability was explained. The path algorithm was verified through several representative applications of filament wound structures, And, finite element analysis of axisymmetric filament wound structures was performed with respect to internal pressure and thermal load. Several failure theories of composite structures were compared, and the method of progressive failure analysis was verified through a water-pressurizing test of composite pressure tanks with embedded fiber Bragg grating sensors. In addition, an optimal design procedure was suggested for axisymmetric filament wound structures. The method uses a semi-geodesic path algorithm, progressive failure analysis and a genetic algorithm. A modified sub-string genetic operator was suggested for improving the genetic algorithm; the operator was verified through basic designs. A code was programmed to materialize the established optimal design procedure. It was applied to several representative filament wound structures such as a standard test and evaluation tank, a high pressure hydrogen storage tank and a cryogenic tank. Finally, the optimal design procedure was verified and evaluated by comparing the design results with those of the original models.
필라멘트 와인딩 공법은 대표적인 복합재료 성형 방법의 하나로써 주로 축대칭 구조물의 제작에 적용된다. 그러나 제작에 관여하는 공정 변수가 매우 다양하기 때문에 설계 요구 조건에 부합하는 구조물을 제작하기 어려운 단점이 있다. 따라서 제작에 선행하여 필라멘트 와인딩 구조물의 거동을 미리 예측하기 위한 구조 해석 연구가 많이 수행되어 왔다. 그러나 한정된 와인딩 궤적 예측 방법들이 적용되었기 때문에 해석 결과들은 전체적인 경향을 설명하는 수준에서 활용되어 왔다. 그리고 대부분의 실제 설계는 해석과 시험 제작 및 실험을 반복하는 경험적인 방법으로 수행되기 때문에, 설계에 많은 시간이 소요되고 최종 설계 모델의 최적화 신뢰도 또한 낮다.
이와 같은 이유로 필라멘트 와인딩 된 복합재 축대칭 구조물의 최적 설계를 위한 체계적인 방법의 정립이 요구된다. 이를 위해서 기존의 유한요소해석이 갖는 문제점을 개선하는 연구, 필라멘트 와인딩 구조에 적합한 최적 설계 기법의 연구, 효율적인 설계 수행에 대한 연구 등이 필요하며, 이와 동시에 현장에서의 제작 여건 및 제작성을 고려하는 실제적인 연구도 필요하다.
본 논문에서는 필라멘트 와인딩 된 복합재 축대칭 구조물의 최적 설계 방법을 정립하고 제안하였다. 이를 위해 다음과 같은 단계로 연구를 수행하였다.
첫째, 필라멘트 와인딩 된 복합재 축대칭 구조물의 중요 와인딩 공정 변수에 대한 이론적인 접근을 수행하였고 제작성을 고려한 ‘준측지궤적 알고리즘’을 정립하였다. 균일한 와인딩 여부를 검증하는 수치적 방법을 제시하였고, 대표적인 와인딩 구조물에 적용하여 정립된 알고리즘을 검증하였다.
둘째, 내압과 열하중을 모두 고려한 와인딩 구조물의 유한요소해석을 수행하였다. 특히, 와인딩 구조물의 점진적 파손해석에 적합한 파손 이론에 대해 고찰하였으며, 내부에 광섬유 센서를 삽입한 압력탱크의 수압 실험을 통해서 해석을 검증하였다.
셋째, 정립된 준측지궤적 알고리즘과 유한요소해석 방법을 유전자 알고리즘에 적용한 필라멘트 와인딩 된 복합재 축대칭 구조물의 최적 설계 알고리즘을 정립하였다. 특히, 최적해의 신뢰성을 높일 수 있는 목적함수의 설정에 대한 고찰과 설계의 효율성을 높일 수 있는 유전자 알고리즘의 교배 및 변종 방법에 대한 연구를 수행하여 ‘수정된 sub-string 유전 연산법’을 제안하고 기본 설계를 통해 검증하였다.
넷째, 정립된 최적화 알고리즘의 수행을 위한 코드를 프로그래밍하였다. 그리고, 이를 대표적인 필라멘트 와인딩 구조물인 시험용 type 4 표준 압력탱크, 수소 기체 저장용 type 3 탱크, 발사체용 극저온 type 3 탱크에 적용하여 최적 설계를 수행하였고, 그 결과를 기존 결과와 비교함으로써 제안된 최적 설계 알고리즘의 성능을 평가 및 검증하였다.
본 연구 결과는 다양한 설계 요구 조건이 주어지는 실제 필라멘트 와인딩 된 복합재 축대칭 구조물의 설계 및 제작에 직접 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
