35MPa 수소가스 자동차용 복합소재 압력용기의 응력특성에 관한 강도안전성 연구

Abstract

본 논문에서는 알루미늄 라이너와 탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시로 구성된 복합소재 압력용기에 대한 응력 안전성 연구결과를 제시하고 있다. 9.2L의 저장용량을 갖는 수소가스 자동차용 복합소재 압력용기에는 35MPa의 충전압력으로 수소가스를 압축한 경우이다. FEM 해석결과는 미국의 수소가스 압력용기에 대한 DOT-CFFC와 한국의 KS B ISO 인증기준에 기반하여 평가하였다. FEM 해석결과에서 알루미늄 라이너에 걸리는 응력 247MPa는 알루미늄 항복강도(272MPa)의 95%에 해당하는 안전기준에 비해 충분히 낮다는 결과이다. 그리고 알루미늄의 표면에 감은 탄소섬유 복합소재는 후프방향과 헤리컬방향에서 발생한 최대탄소섬유응력이 29.43%와 28.87% 수준으로 각각 나타났기 때문에 최소파열압력에서의 최대섬유응력 대비 30% 이하를 유지해야 한다는 안전기준에 부합하므로 안전하다. 또한, 탄소섬유 복합소재에 대한 응력비는 후프방향과 헤리컬방향에 대해 3.4와 3.46으로 각각 예측되었기 때문에 최소안전기준인 2.4보다 높아 안전한 것으로 나타났다. This paper presents a stress safety of a composite pressure cylinder in which is composed of an aluminum liner and composite layers with carbon fiber/epoxy and glass fiber/epoxy resigns. The composite pressure cylinder for a hydrogen gas vehicle contains 9.2 liter hydrogen gas, and hydrogen gases are compressed by a filling pressure of 35MPa. The FEM computed results are analyzed based on the US DOT-CFFC basic requirement for a hydrogen gas cylinder and KS B ISO specification. The FEM results indicate that the stress, 247MPa of an aluminum liner is sufficiently low compared with that of 272MPa, which is 95% level of a yield stress for aluminum. And, the carbon fiber composite layers in which are wound on the surface of an aluminum cylinder are safe because the maximum carbon fiber stresses from 29.43% to 28.87% in hoop and helical directions are below 30% for a given minimum required burst pressure level, respectively. The carbon fiber composite layers are also safe because the stress ratios from 3.40 to 3.46 in hoop and helical directions are above 2.4 for a minimum safety level, respectively.