In recent years, plain-woven fabrics have been used as structural materials in inflatable/deployable structures such as temporary shelters, tents and space structures. The advantages of inflatable structures in aerospace are extremely lightweight and have volume savings in the launch configuration.
In this research, the material properties of membrane made of plain-woven fabric for stratospheric airship are experimentally investigated. Mechanical tensile properties of the membrane material at room, high and low temperature are measured using instron with thermal chamber. The tearing strength is measured to determine the resistance to further tearing after the material has been cut. The non-linear stress and strain curves are observed experimentally at room and high temperature due to the interchanges tows and flexible polyurethane resin.
In order to simulate the material non-linearity, hyperelastic numerical model is applied with finite element program of ABAQUS. Comparing with experimental results, the hyperelastic model using the Mooney-Itivlin strain-energy function is the better approximation than the elastic model.
To figure out how the structural stiffness of an inflated cylindrical boom is influenced by internal pressure levels, the bending behavior as well as the dynamic characteristics of boom structure are experimentally and numerically investigated. The deflections of inflated boom structure are measured as changing of inflation pressure and bending load. As the results of numerical analysis, hyperelastic model can predict the deflection behavior of boom structure before wrinkling. The dynamic characteristics of membrane boom structure are investigated by experiments using a scanning laser vibrometer and shaker. Finite element analyses of the inflated boom structure shows that shell modes are dominated in the high frequency, which are difficult to measure using the scanning laser vibrometer. Therefore, the comparison of experimental and numerical modal results shown in this study is only for bending motions of the boom structure and does not involve the shell behavior.
최근, 평직 직물복합재료는 임시 거주공간, 텐트, 우주 구조물과 같은 팽창형/전개형 구조물의 구조 재료로서 활발히 사용되고 있다. 특히 항공우주분야에서 팽창형 구조물은 극히 경량이며, 적은 부피를 차지하는 장점을 가지고 있다. 본 연구에서는 성층권 비행선용으로 만들어진 평직 직물복합재료를 기반으로 한 막 재료의 물성을 인장 실험을 통해 규명하였다. 열 챔버를 이용하여 상온, 고온, 저온에서 각각 막 재료의 기계적 강도를 측정하였다. 인장 실험 결과 상온과 고온에서 각각 섬유 다발의 상호 작용과 유연한 폴리우레탄 기지로 인하여 응력-변형률 곡선에 비선형이 발생하였다. 인장 실험 결과 발생한 비선형을 모사하기 위하여, 상용유한요소 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 초탄성으로 해석을 수행하였다. 해석 결과 변형률에너지 함수인 무니리빌린(mooney-rivlin)을 이용한 초탄성 해석이 탄성 모델보다 더 실험적 결과를 잘 묘사함을 알 수있었다. 개발된 막 재료를 기반으로 한 붐(boom)과 같은 팽창형 구조물이 재료의 비선형성에 따른 강성 값이 압력 변화에 따라 구조물의 정적, 동적 특성 변화에 어떤 영향을 미치는지를 실험과 해석적인 방법을 이용하여 살펴보았다. 팽창형 붐 구조물의 쳐짐을 압력과 굽힘 하중의 변화에 따라 측정하였다. 또한 팽창형 붐 구조물의 동적 특성을 비접촉식 레이져 센서와 세이커를 이용하여 모드 실험을 수행하였다. 팽창형 막 구조물의 유한요소해석에서 고차 주파수 영역에서는 쉘 모드가 두드러지게 나타났으며, 이러한 국부적인 쉘 모드는 실험적으로 측정할 수 없었다. 따라서 본 논문에서는 붐 구조물의 굽힘 모드에 대해서만 실험과 수치 해석 결과를 비교하였다.
