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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.16 No.4 pp.97-103
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2017.16.4.097

A Study on the Development of a Hybrid Fiber Reinforced Composite for a Type 4 CNG Vessel

Sung-min Cho*, Min-sik Cho**, Geunsung Jung***, Sun-kyu Lee*, Seung-kuk Lee*, Ki-dong Park*, Sung-Ki Lyu****#
*Institute of Gas Safety R&D, Korea Gas Safety Corporation
**Daeheung Precision Industrial co., LTD
***Korea Institute of Carbon Convergence Technology
****School of Mechanical & Aerospace Eng., ReCAPT, Gyeongsang National Univ
Corresponding Author : sklyu@gnu.ac.kr+82-55-772-1632, +82-55-772-1578
20170709 20170711 20170721

Abstract

The objective of this study is to develop and commercialize an on-board fuel storage system for CNG vehicles. A type 4 vessel is made of resin-impregnated continuous filament windings on a polyamide (PA6) liner. In particular, this study localized the PA6 liner’s fabrication and development. To analyze the filament winding, a specimen test was performed, and the results were verified values obtained using finite element analysis. In this study, the filament winding and fibers were optimized for a 207 bar composite cylinder in a compressed natural gas vehicle.


CNG용 Type 4 하이브리드 섬유 복합재 용기 개발에 대한 연구

조 성민*, 조 민식**, 정 근성***, 이 선규*, 이 승국*, 박 기동*, 류 성기****#
*한국가스안전공사 가스안전연구원
**(주)대흥정공
***한국탄소융합기술원
****경상대학교 기계항공공학부, 항공연

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    20143030040840 & 20162220100080

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1.서 론

    친환경 CNG 차량의 주행거리 확보를 위해서는 대용량, 경량화된 용기가 필수적으로 필요하다[1-4].

    현재 탄소섬유, 유리섬유 등의 보강섬유와 에폭 시 등의 수지를 사용하여 제조되는 복합재 용기가 비강도, 비강성도, 내피로 특성 등에서 가장 뛰어 난 성능을 가지고 있는 것으로 알려져 있어,[5] 이 에 따라 차량에 탑재되는 용기는 금속제 용기를 사용하던 과거와 달리, 2000년대부터 선진국 중심 으로 다양한 형태의 복합재 용기에 대한 연구개발 및 적용이 이루어지고 있다.

    복합재 용기는 제조방법에 따라 Type 2, Type 3, Type 4로 총 3가지 유형의 형태로 분류된다.[6]

    Type 4의 형태는 얇은 플라스틱 재질의 라이너 에 에폭시 수지를 묻힌 탄소섬유를 감아 경화시켜 제조되며, 밸브연결부만 금속형태를 가진다.[7-8]

    Type 4 복합재 압력용기를 제조하기 위해서는 플라스틱 라이너 제조공정, 필라멘트 와인딩 공정, 열경화공정 등 여러 복잡한 공정을 거치게 되며, 특히 와인딩 공정에서는 돔 부위의 곡률과 와인딩 각도가 연속적으로 변화하기 때문에 유한요소해석 을 통한 와인딩 패턴의 최적화가 요구된다.[9-20]

    본 연구에서는 207 bar, 50L급 복합재 압력용기 의 개발에 있어 안정적인 품질과 가격 경쟁력을 동시에 확보하고자, 탄소섬유와 유리섬유를 같이 적용한 하이브리드 압력용기를 개발하였다.

    와인딩 패턴 설계에서는 현재 유리섬유 가격의 최대 6배에 달하는 탄소섬유의 적용을 최소화하 며, 동시에 용기의 무게 및 파열압을 고려하였고, 전산해석을 통해서 탄소섬유모델, 유리섬유모델, 하이브리드섬유 모델의 와인딩 패턴 설계치를 분 석하였다. 하이브리드 모델의 경우 필라멘트 와인 딩 공정을 통한 제작 후 파열압 시험을 통해서 그 설계안을 검증하였다.

    2.소재 선정 및 복합재 분석

    2.1.소재선정

    본 연구에서는 일본 도레이(Toray)사의 T700 24K 탄소섬유가 사용되었으며, 유리섬유는 미국 오웬스 코닝(Owens Corning)사의 H-grass가 사용되 었으며, 레진 및 경화제는 제품인 미국 다우케미 컬(Dow Chemical)사의 필라멘트 와인딩 공법 전용 레진과 경화제인 Vorafoece 시리즈를 사용하였다.

    2.2.복합재 물성분석

    필라멘트 와인딩 공정을 통한 복합재의 기계적 물성치를 확인하고 전산 구조해석을 위한 물성 자 료를 확보하기 위하여 시편을 제작하여 기계적 성 능평가를 진행하였다.

    시험시편의 제작은 압력용기에 섬유를 와인딩 하는 제조공정과 동일하게 와인딩 속도, 장력 등 의 공정변수를 설정하고 시편제작용 평면 지그를 회전시키며 섬유를 와인딩하고 실제 압력용기의 경화조건과 동일하게 후처리를 통하여 일방향 (UD) 시험시편을 제작이 이루어졌다.Table 1Table 2

    시험시편은 탄소섬유와 유리섬유 시편을 0°, 90°인장(Tensile), 0°, 90°압축(Compression) 및 평면 전단(In-plane shear) 시험에 대하여 제작하였으며, 각 시험시편에 대한 시험 규격은 ASTM D3039, ASTM D3410, ASTM D3518에 따라서 각각 수행 하였다.

    유리섬유 시편의 경우 0° 시편의 인장강도 값은 평균 1188.6 MPa로 제조사에서 제공한 값은 1260 MPa에 비해서 약간 낮은 값을 보였으며, 90° 시 편의 인장강도 값은 약 27.8 MPa를 나타내었다.

    시편 시험을 통해서 얻은 탄소섬유 복합재에 대 한 물성 값은 Table 3에 나타내었다.Fig. 1Fig. 2Fig. 3

    3.CNG 저장용기의 설계 및 해석

    3.1.용기 라이너 형상 설계

    일반적으로 복합재 압력용기에 가장 많이 적용 되는 등장력 돔(Isotensoid dome)의 형상은 식은 망목이론(Netting Theory) 및 곡면상의 섬유방향 장력이 일정하다는 가정으로부터 유도되어 식(1) 과 같이 표현할 수 있다.

    d ζ d ρ = ρ 3 ( 1 ρ o 2 ) 1.2 [ ρ 2 ρ o 2 ( 1 ρ o 2 ) ρ 6 ] 1 / 2
    (1)

    여기서, ρ 는 실린더의 반경, ζ 는 돔의 높이를 무차원화한 값이며, ρ 는 실린더의 반경, ζ 는 돔 의 높이, ρo는 실린더 반경과 보스(Boss)의 비율로 정의되는 오프닝 비율(Opening ratio)이다.

    이 식을 적분하면 등장력 돔의 형상을 구할 수 있다. 적분된 식을 통해 오프닝 비율에 따른 돔의 형상을 표현하여 Fig. 4에 보였다.

    최종적인 라이너의 형상은 등장력 돔 형상, 용 기의 내용적, 실린더의 외경 및 보스의 크기 등을 고려하여 Fig. 5와 같이 확정하였다.

    3.2.와인딩 패턴설계 및 전산해석

    와인딩 패턴의 설계는 섬유가 내압에 의한 하중 을 모두 담당한다는 망목이론에서 시작하여, 이에 따라 압력용기에 필라멘트 와인딩 각도에 따른 후 프 층과 헬리컬 층의 두께비의 초기 값을 가정하 고 각각의 경우에 대한 면내 합 응력을 설계 압력 과 함께 식(2), 식(3)으로 표현 할 수 있다.

    σ α t α cos 2 α = p R 2
    (2)

    σ α t α sin 2 α + σ h t h = p R 2
    (3)

    여기서, σα는 헬리컬 파이버(Helical fiber) 인장강 도, tα는 헬리컬층 두께, σh 는 후프파이버(Hoop fiber) 인장강도, th는 후프층 두께, p는 설계압력, R은 실린더 반지름이다.

    이에 따른 분석 값을 기초로 압력용기의 탄소섬 유만 적용된 경우, 유리섬유만 적용된 경우, 유리 섬유와 탄소섬유가 같이 적용된 경우 등 3가지 전 산모델에 대하여 와인딩 패턴을 정립하고 전산 구 조해석을 수행하였다.

    특히, 각 모델에 대한 와인딩 패턴은 Fig. 6에 보인 것처럼 압력용기의 파열이 돔 부위에서 발생 하지 않도록 유도하였다.

    하이브리드 모델의 경우 유리섬유 층이 압력하 중의 분담과 동시에 외부의 충격에서 탄소섬유를 보호할 수 있도록 유리섬유의 헬리컬 와인딩 층을 3층(Ply) 이상인 경우만을 고려하였다.Fig. 7

    3가지 압력용기 모델 모두 와인딩 패턴은 전산 구조해석에서 55 MPa에서의 파열압을 목표로 각 각 최적화를 수행하였다.

    최종 최적화된 3가지 모델의 와인딩 수는 Table 4에 보였으며, 이때 모델별 파열압은 탄소섬유 모 델, 유리섬유모델, 하이브리드 모델이 각각, 55.5 MPa, 55.5 MPa, 56.2 MPa를 나타내었다.

    설계상으로 최적화된 각 모델은 섬유 및 레진의 예상 소요량과 실제 라이너 및 기타 부품의 무게 를 고려하여 그 무게와 생산 원가를 예상 할 수 있다. 각 모델별 예상무게와 탄소섬유 모델을 기 준으로 한 모델별 예상가격의 비교를 아래의 Table 5에 보였다.

    4.시제품 제작 및 시험

    하이브리드 모델의 파열압 분석을 위하여 필라멘 트 와인딩 공법을 통한 시제품 제작을 수행하였다.

    등장력 돔 형상의 라이너는 PA6 소재를 적용하 고, 블로우 몰딩(Blow molding) 공법을 활용하여 일 체형 라이너를 구현하였다.

    최적화된 하이브리드 모델은 총 5개의 시제품을 제작하여 그 특성을 분석 하였으며 하이브리드 모 델 시제품은 제품중량의 경우 평균 20.6 kg으로 설 계를 통한 예상치 보다 4% 정도 가볍게 나타났다.

    파열압의 경우 평균 59.2 MPa을 나타내어 약 5% 정도의 오차를 보였다.Fig. 8Fig. 9Fig. 10

    5.결 론

    본 연구는 CNG용 type 4 복합재 압력용기의 개 발에서 제품의 성능과 시장에서의 가격 경쟁력을 동시에 확보하고자 탄소섬유와 유리섬유를 혼합 사 용한 하이브리드 압력용기를 개발하였다.

    전산설계 및 구조해석을 통하여 탄소섬유 모델, 유리섬유 모델, 및 하이브리드 섬유모델 각각을 설 정된 파열압에서 파열이 발생하도록 최적화를 수행 한 후, 각 모델에 대한 소요섬유 및 경화제의 양을 분석하여 제조원가를 비교하였다.

    특히 하이브리드 모델은 시제품의 제작을 통해서 제품의 설계안을 검증하였으며, 이때 하이브리드 제품은 순수 탄소섬유 모델을 기준으로 140% 정도 의 중량을 보이며, 80% 정도 소재비용이 소요됨을 확인하였다.

    이때 순수 유리섬유 모델은 탄소섬유 모델에 비 해서 271%의 중량을 보이면서 소재비용 또한 유리 섬유의 과다사용에 따른 레진 량의 증가로, 오히려 하이브리드 모델보다 비싼 86%의 소재비용이 소요 됨을 확인할 수 있었다.

    후 기

    본 연구는 산업통상자원부 에너지기술개발사업 (20143030040840 & 20162220100080) 및 소재부품 기술개발사업(10049636)의 연구비 지원에 의하여 연구되었습니다.

    Figure

    KSMPE-16-97_F1.gif
    Test specimen
    KSMPE-16-97_F2.gif
    Load-elongation curve(Glass tensile 0°, Specimen 1 to 7)
    KSMPE-16-97_F3.gif
    Load-elongation curve(Glass comp. 0°, Specimen 1 to 4)
    KSMPE-16-97_F4.gif
    Dome shape curve
    KSMPE-16-97_F5.gif
    Liner design
    KSMPE-16-97_F6.gif
    Dome fracture
    KSMPE-16-97_F7.gif
    FE analysis results
    KSMPE-16-97_F8.gif
    Liner and boss assembling
    KSMPE-16-97_F9.gif
    Filament winding
    KSMPE-16-97_F10.gif
    Hybrid model after burst test

    Table

    Carbon fiber properties
    Glass fiber properties
    Carbon fiber composite properties
    Winding properties of each model
    Model comparison by design

    Reference

    1. Cho S M , Kim K S , Kim C J , Lyu G J , Lee Y J , Jo Y S , Lyu S K (2015) “Temperature Variations of Air Pocket in Type-3 Composite Vessel during Ambient Hydraulic Cycling Test” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14 (5) ; pp.120-125
    2. Choi K S , Park J H , Park J H (2015) “A Structural Analysis by Finite Element Method under the Dropping Condition of Standardized IP-2 Metal Container for DecommissioningRadwaste Transportation” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14 (6) ; pp.35-40
    3. Jang J H , Ha C K , Chu B S , Park J Y (2016) “Development of Fault Diagnosis Technology Based on Spectrum Analysis of Acceleration Signal for Paper Cup Forming Machine” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (6) ; pp.1-8
    4. Lee H R , Ahn J H , Shin J H , Kim H Y (2016) “Design of a Cylinder Valve Solenoid for a CNG Vehicle using Electromagnetic Field Analysis” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (2) ; pp.89-96
    5. Park J S , Cheung S S , Chung J H , Cho S M , Kim T W (2008) “Development of Type 3 Composit Cylinder for Fuel Cell Vehicle“ , Journal of the Koran Society for New and Renewable Energy, Vol.4 (3) ; pp.51-57
    6. Kim C J , Cho S M , Kim E J , Yoon K B (2013) “The Study on the Internal Temperature Change of Type 3 and Type 4 Composite Cylinder During Filling” , Proceedings of the 5thInternational Conference on Hydrogen Safety,
    7. Akansu S O , Dulger Z , Kaharman N , Veziroglu T N (2004) “Internal Combustion Engines Fueled by Natural Gas-Hydrogen Mixtures” , International Journal of Hydrogen Energy, Vol.29 (14) ; pp.1527-1539
    8. Kim E S , Kim J H , Park Y S , Kim C , Choi J C (2003) “Development of an Automated Design System of CNG Composite Vessel using Steel Liner Manufactured by DDI” , Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol.20 (1) ; pp.205-213
    9. Sun X K , Du S Y , Wang G D (1999) “Bursting Problem of Filament wound Composite Pressure Vessels” , International Journal of Pressure Vessels and Piping, Vol.76 (1) ; pp.55-59
    10. Kabir M Z (2000) “Finite Element Analysis of Composite Pressure Vessels with a Load Sharing Metallic Liner” , Composite Structure, Vol.49 (3) ; pp.247-255
    11. Park J. S. Jeung S S , Chung J H (2006) “Cycling Life Prediction Method Considering Compressive Residual Stress on Liner for the Filament-wound Composite Cylinders with Metal Liner” , The Korean Society for Composite Materials, Vol.19 (1) ; pp.22-28
    12. Cho S M , Kim K S , Kim C J , Lyu G J , Lee Y J , Jo Y S , Lyu S K (2015) “Temperature Variations of Air Pocket in Type-3 Composite Vessel during Ambient Hydraulic Cycling Test” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14 (5) ; pp.120-125
    13. Choi K S , Park J H , Park J H (2015) “A Structural Analysis by Finite Element Method under the Dropping Condition of Standardized IP-2 Metal Container for Decommissioning Radwaste Transportation” , Journal of the KoreanSociety of Manufacturing Process Engineers, Vol.14 (6) ; pp.35-40
    14. Jang J H , Ha C K , Chu B S , Park J Y (2016) “Development of Fault Diagnosis Technology Based on Spectrum Analysis of Acceleration Signal for Paper Cup Forming Machine” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (6) ; pp.1-8
    15. Lee H R , Ahn J H , Shin J H , Kim H Y (2016) “Design of a Cylinder Valve Solenoid for a CNG Vehicle using Electromagnetic Field Analysis” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (2) ; pp.89-96
    16. Yang Y S , Kim D Y , Bae K Y (2016) “Analysis of Welding Distortion during the Production ofFuel Tanks for Excavators” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (6) ; pp.24-34
    17. Park J H , Park H S , Kim S T , Kang G M (2016) “A Study on the Temperature Uniformity for the Anti-Corrosion Coating Process of Large-Sized Water Pipes” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (6) ; pp.35-40
    18. Kang T Y , Ahn H S , Shin D M , Hong S W , Kim K J , Lee D H (2016) “CharacteristicAnalysis of Nano-hole Array Optical Filter having Psychological Protection for Color Recognition” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (6) ; pp.95-100
    19. Kim D H , Zhang Y , Jung D W (2016) “A Study of Spring-back Effect According to the Number of Roll Passes in the Roll Forming Process” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.15 (1) ; pp.42-49
    20. Hur J W , Shin B C (2015) “Effect on the Stress and Displacement of Aluminum Profiles Fastening Methods” , Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol.14 (2) ; pp.99-104