KR20210078754A - Segment type ring burst test apparatus for mechanical properties evaluation of composite pressure vessels and its design method - Google Patents

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KR20210078754A
KR20210078754A KR1020190170514A KR20190170514A KR20210078754A KR 20210078754 A KR20210078754 A KR 20210078754A KR 1020190170514 A KR1020190170514 A KR 1020190170514A KR 20190170514 A KR20190170514 A KR 20190170514A KR 20210078754 A KR20210078754 A KR 20210078754A
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Abstract

The present invention provides a segment-type ring burst test apparatus for mechanical property evaluation of a composite-material pressure vessel and a design method thereof. In accordance with one embodiment of the present invention, the segment-type ring burst test apparatus for mechanical property evaluation of a composite-material pressure vessel comprises: a ring burst device consisting of a vertical pillar, a segment, a lower plate, and PTFE based on data of a composite-material ring specimen; a structure system wherein a compressive load transferred from an all-purpose material tester is transferred in the radial direction of a cylindrical specimen through the vertical pillar and the segment, and the ratio of a transferred load varies in accordance with a contact angle between two components; an internal pressure test device wherein a radial displacement occurs in the segment when the vertical pillar receives a compressive load by the contact angle between the vertical pillar and the segment to allow a tensile force to be generated in a circumferential direction in the cylindrical specimen; a lower plate allowing the vertical pillar to be vertically moved by a maximum of 50mm, and arranged underneath the segment to support the segment; and an PTFE layer alleviating the non-uniformity of the pressure between the segment and the ring specimen and reducing the coefficient of friction. A mechanical property test considering the contact angle between the vertical pillar and the segment is possible in accordance with data of a ring-shaped specimen.

Description

복합재료 압력용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치 및 그 설계 방법{SEGMENT TYPE RING BURST TEST APPARATUS FOR MECHANICAL PROPERTIES EVALUATION OF COMPOSITE PRESSURE VESSELS AND ITS DESIGN METHOD}Segment type RING BURST TEST APPARATUS FOR MECHANICAL PROPERTIES EVALUATION OF COMPOSITE PRESSURE VESSELS AND ITS DESIGN METHOD

아래의 실시예들은 복합재료 압력용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치 및 그 설계 방법에 관한 것이다. The following examples relate to a segment-type ring burst test apparatus for evaluating the mechanical properties of a composite pressure vessel and a design method thereof.

최근 항공 우주 및 자동차 산업에서 연료 소비 및 CO2 배출에 관한 규제가 강화됨에 따라 온실가스 배출량을 줄이고 석유 의존도를 낮출 수 있는 새로운 환경 친화적인 연료를 사용하는 것에 대한 상업적 관심이 매우 높아졌다 [1]. OECD 기준 자동차를 포함한 화석연료를 사용하는 차량에서 나오는 오염물질은 약 3백만명의 죽음에 관여하고, 10억 달러의 사회적 비용을 소모한다고 한다. 이에 따라, 물 또는 임의의 에너지원으로부터 획득할 수 있는 수소연료 (H2)가 현재 대안적인 친환경 연료로서 각광받고 있다. 그러나, 수소 가스를 연료로 사용하기위해서는 압력용기에 고압 (30MPa ~ 70MPa)으로 압축되어 저장되어야 하고 수소를 저장하기위한 압력 용기를 설계하는데 있어서 그 안전성에 관한 평가가 필수적이다 [2, 3]. 압력용기의 설계에 있어서 차량의 연료 소비 및 배출가스의 규제를 따르기 위해 낮은 중량으로 제작되어야 하고 이와 더불어 고압조건에서 안전성이 있어야 하기 때문에 설계 시 그 재료의 선택이 중요하다. 하지만 기존의 금속으로 제작된 압력용기는 설계 시 중량대비 낮은 용량으로 인해 연료 효율이 좋지 못하다는 단점이 있다. 이에 대한 대체재로서, 상대적으로 높은 비 강도 및 강성을 갖는 복합재가 압력 용기의 설계 시 널리 사용되고 있다. 여러 연구 결과를 통해 복합 재료를 사용한 압력 용기의 제작은 최대 40 %의 무게 감소를 가져오고 기존의 금속으로 제작된 압력용기에 비해 높은 기계적 성능을 갖음으로 확인하였다 [4, 5]. 하지만 복합재를 압력 용기로 사용하기 위해서는 고압 상태에서의 안전성 검증이 필요하며 이러한 연구가 현재 진행 중이다Recently as the regulations on fuel consumption and CO 2 emissions strengthen the aerospace and automotive industries are highly increased commercial interest in using the new environmentally friendly fuel that can reduce greenhouse gas emissions, reduce oil dependency [1]. According to OECD standards, pollutants from vehicles powered by fossil fuels, including automobiles, are responsible for the deaths of about 3 million people and costing society $1 billion in social costs. Accordingly, hydrogen fuel (H 2 ) obtainable from water or any energy source is currently in the spotlight as an alternative eco-friendly fuel. However, in order to use hydrogen gas as a fuel, it must be stored under high pressure (30 MPa to 70 MPa) in a pressure vessel, and safety evaluation is essential in designing a pressure vessel for storing hydrogen [2, 3]. In the design of the pressure vessel, it is important to select the material when designing because it must be manufactured with a low weight in order to comply with the regulation of fuel consumption and exhaust gas of the vehicle, and it must also have safety under high pressure conditions. However, the conventional pressure vessel made of metal has a disadvantage in that it has poor fuel efficiency due to its low capacity to weight ratio when designed. As an alternative to this, a composite material having a relatively high specific strength and stiffness is widely used in the design of a pressure vessel. Through the results of several studies, it was confirmed that the manufacture of pressure vessels using composite materials resulted in a weight reduction of up to 40% and had higher mechanical performance compared to pressure vessels made of conventional metal [4, 5]. However, in order to use the composite material as a pressure vessel, safety verification under high pressure is required, and such research is currently underway.

복합재료 압력용기의 안정성을 평가하기 위해 기존에는 압력용기 전체 모델을 사용하여 시험하였고 이는 가장 정확한 시험방법이지만 높은 비용이 요구된다는 단점이 있다. 따라서 최근 압력용기의 일부분인 링 형상 시편의 파괴시험 장치가 개발되고 있지만 링 시편을 사용한 기존의 시험 방법은 여러가지 단점이 존재하고, 복합재료 압력용기의 신뢰성 있는 기계적 물성 평가를 위해 개선될 필요가 있다. 일반적으로 링 파단 시험은 크게 수압을 직접적으로 가하는 방법과 기계적 구조물로 압력을 전달하는 두가지 방법이 있다. 직접적으로 수압을 가하는 수력파열 시험 장치 [6] (Hydro burst test fixture)에서는 원환형 고무 튜브 (Rubber tube)의 확장으로 인해 시편 내부 뿐 만 아니라 모서리 부분에도 접촉이 발생하여 시편의 모서리 부분부터 예기치 못한 이른 파단이 발생하며 이를 방지하기 위해 불필요한 보강재가 시편 모서리에 부분에 부착되어야 한다는 단점이 있다. 기계적 구조물을 사용하는 경우 미국 표준 시험법 (American Standard Test Method, ASTM)인 분할디스크 (Split disk test fixture) 시험장치 [7] 에서는 장치의 구조적 한계로 인해 하중이 부가될 시 시편에 국부적인 굽힘 모멘트가 발생하여 반지름 방향으로 균일한 압력을 전달하지 못한다는 단점이 있다. 이를 보완하기위해 링 시편에 반지름 방향으로 균일한 압력 전달이 가능한 세그먼트 타입 (Segment-type)의 시험장치 [8]가 개발되었지만 세그먼트사이의 틈으로 인한 압력의 불 균일성과 장치와 시편 사이의 마찰에 의한 영향을 고려하지 못 하였다. 또한 압력 전달 매개체로서 알루미늄을 사용하였기에 시험을 수행하기 위해 높은 하중조건이 요구된다는 단점이 있다.In order to evaluate the stability of the composite material pressure vessel, it was previously tested using the full model of the pressure vessel, which is the most accurate test method, but it has the disadvantage of requiring high cost. Therefore, although a fracture test apparatus for a ring-shaped specimen, which is a part of a pressure vessel, has recently been developed, the existing test method using a ring specimen has several disadvantages, and it needs to be improved for reliable evaluation of mechanical properties of a composite pressure vessel . In general, the ring rupture test is largely divided into two methods: a method of directly applying hydraulic pressure and a method of transmitting pressure to a mechanical structure. In the hydro burst test fixture [6] that directly applies hydraulic pressure, due to the expansion of the annular rubber tube, contact occurs not only in the inside of the specimen but also in the corners of the specimen. Early fracture occurs, and to prevent this, unnecessary reinforcement must be attached to the part at the edge of the specimen. In the case of using a mechanical structure, in the Split disk test fixture [7], which is an American Standard Test Method (ASTM), a local bending moment is applied to the specimen when a load is applied due to the structural limit of the device. It has a disadvantage in that it cannot transmit uniform pressure in the radial direction. To compensate for this, a segment-type test device [8] that can transmit pressure uniformly in the radial direction to the ring specimen was developed, but the pressure unevenness due to the gap between the segments and friction between the device and the specimen were developed. influence was not taken into account. In addition, since aluminum is used as a pressure transmission medium, there is a disadvantage that high load conditions are required to perform the test.

[1]Berry GD, Aceves SM. The case for hydrogen in a carbon constrained world. Journal of Energy Resources Technology. 2005;127(2):89-94.[1]Berry GD, Aceves SM. The case for hydrogen in a carbon constrained world. Journal of Energy Resources Technology. 2005;127(2):89-94. [2]Ciancia A, Pede G, Brighigna M, Perrone V. Compressed hydrogen fuelled vehicles: reasons of a choice and developments in ENEA. International journal of hydrogen energy. 1996;21(5):397-406. [2]Ciancia A, Pede G, Brighigna M, Perrone V. Compressed hydrogen fueled vehicles: reasons of a choice and developments in ENEA. International journal of hydrogen energy. 1996;21(5):397-406. [3]von Helmolt R, Eberle U. Fuel cell vehicles: Status 2007. Journal of Power Sources. 2007;165(2):833-43.[3]von Helmolt R, Eberle U. Fuel cell vehicles: Status 2007. Journal of Power Sources. 2007;165(2):833-43. [4]Kabir MZ. Finite element analysis of composite pressure vessels with a load sharing metallic liner. Composite Structures. 2000;49(3):247-55.[4]Kabir MZ. Finite element analysis of composite pressure vessels with a load sharing metallic liner. Composite Structures. 2000;49(3):247-55. [5]Lark R. Recent advances in lightweight, filament-wound composite pressure vessel technology. 1977.[5]Lark R. Recent advances in lightweight, filament-wound composite pressure vessel technology. 1977. [6]Hwang, Tae-Kyung, Jae-Beom Park, and Hyoung-Geun Kim. "Evaluation of fiber material properties in filament-wound composite pressure vessels." Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 43.9 (2012): 1467-1475.[6]Hwang, Tae-Kyung, Jae-Beom Park, and Hyoung-Geun Kim. "Evaluation of fiber material properties in filament-wound composite pressure vessels." Composites Part A: Applied Science and Manufacturing 43.9 (2012): 1467-1475. [7]ASTM D2290-19, Standard Test Method for Apparent Hoop Tensile Strength of Plastic or Reinforced Plastic Pipe, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019, www.astm.org.[7]ASTM D2290-19, Standard Test Method for Apparent Hoop Tensile Strength of Plastic or Reinforced Plastic Pipe, ASTM International, West Conshohocken, PA, 2019, www.astm.org. [8]Wakayama, Shuichi, Akihiro Horide, and Masanori Kawahara. "FRACTURE ANALYSIS OF FILAMENT-WOUND FRP COMPOSITES USING RING BURST TEST.“[8]Wakayama, Shuichi, Akihiro Horide, and Masanori Kawahara. “FRACTURE ANALYSIS OF FILAMENT-WOUND FRP COMPOSITES USING RING BURST TEST.“

본 발명에서는 기존 시험 방법의 단점을 보완하고 보다 균일한 압력을 전달이 가능한 세그먼트 타입의 링 버스트 장치의 개발 방법을 제안함으로서 실제 압력용기 전체 모델의 시험 조건과 동일한 효과를 내어 보다 경제적이고 신뢰성 있는 복합재료 압력용기의 기계적 물성평가 장치를 개발하였다.The present invention supplements the shortcomings of the existing test method and proposes a method for developing a segment-type ring burst device capable of delivering more uniform pressure, resulting in the same effect as the test conditions of the actual pressure vessel model, making it more economical and reliable A device for evaluating the mechanical properties of a material pressure vessel was developed.

일 실시예에 따른 복합재료 압력용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치는, 복합재료 링 시편의 제원을 기준으로 수직 기둥, 세그먼트, 하부 판 그리고 PTFE로 구성된 링 버스트 장치; 만능재료시험기로부터 전달된 압축하중은 수직 기둥과 세그먼트를 통해 원통형 시편의 반지름 방향으로 전달되고 두 부품 사이의 접촉 각도에 따라 전달되는 하중의 비율이 달라지는 구조 시스템; 수직기둥과 세그먼트 사이의 접촉 각도로 인해 수직기둥이 압축하중을 받으면 세그먼트는 반지름 방향으로 변위가 발생하고 이를 통해 원통형 시편은 원주방향으로 인장력 발생이 가능한 내압시험장치; 상기 수직 기둥이 수직방향으로 최대 50mm 이동이 가능하도록 하고 세그먼트의 아래 배치되어 세그먼트를 지지하는 하부 판; 및 세그먼트와 링 시편 사이에 압력의 불 균일성을 완화하고 마찰 계수를 감소시키는 PTFE 층을 포함하고, 링 형상 시편의 제원에 맞게 수직기둥과 세그먼트 사이의 접촉각을 고려한 기계적 물성시험을 가능하게 할 수 있다. A segment-type ring burst test apparatus for evaluating mechanical properties of a composite material pressure vessel according to an embodiment includes: a ring burst apparatus consisting of a vertical column, a segment, a lower plate, and PTFE based on the specifications of a composite ring specimen; A structural system in which the compressive load transmitted from the universal testing machine is transmitted in the radial direction of the cylindrical specimen through vertical columns and segments, and the ratio of the transmitted load varies according to the contact angle between the two parts; When the vertical column receives a compressive load due to the contact angle between the vertical column and the segment, the segment is displaced in the radial direction, and through this, the cylindrical specimen can generate tensile force in the circumferential direction; a lower plate that allows the vertical column to move up to 50 mm in the vertical direction and is disposed below the segment to support the segment; and a PTFE layer that relieves pressure non-uniformity between the segment and the ring specimen and reduces the coefficient of friction, and enables a mechanical property test considering the contact angle between the vertical column and the segment according to the specifications of the ring-shaped specimen. have.

최근 기존 화석연료를 활용한 자동차의 생산이 줄고 전기차의 연구 개발과 생산이 늘어나는 변환기를 맞아 수소연료로 전기를 생산하는 수소 전기차의 연구개발이 증가하고 있다. 이에 따라 수소연료를 저장하는 압력용기의 용량을 늘리면서 내구성을 향상시키기 위해 비강도 및 비강성이 높은 복합재료로 설계되고 있고 이에 따라 복합재료로 제작된 압력용기의 기계적 물성 평가가 필수적이다.Recently, as the production of automobiles using fossil fuels decreases and R&D and production of electric vehicles increase, R&D of hydrogen electric vehicles that produce electricity using hydrogen fuel is increasing. Accordingly, in order to increase the capacity of the pressure vessel for storing hydrogen fuel and improve durability, a composite material with high specific strength and specific rigidity is being designed. Accordingly, it is essential to evaluate the mechanical properties of the pressure vessel made of the composite material.

본 발명에서는 압력용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치에 대한 설계 방법의 기준을 제시하고 링 형상의 다양한 복합재 및 폴리머 재료의 시험이 가능하도록 한다. 또한 본 장치의 신뢰성 검증을 위해 이론적인 수식과 함께 수치해석을 통한 변형률 분포 특성을 비교하였고 실험을 통해 이를 검증하였다. 따라서 링 형상의 압력용기의 신뢰성 높은 기계적 물성 평가를 위한 최적의 장치 설계 방법을 제안함으로써 다양한 재료 혹은 다양한 치수의 압력용기의 정확한 기계적 물성 평가가 가능한 장치를 설계할 수 있도록 한다.In the present invention, a standard for a design method for a segment-type ring burst test apparatus for evaluation of mechanical properties of a pressure vessel is presented, and a variety of ring-shaped composite materials and polymer materials can be tested. In addition, to verify the reliability of this device, the strain distribution characteristics were compared through numerical analysis along with theoretical equations, and this was verified through experiments. Therefore, it is possible to design an apparatus capable of accurately evaluating the mechanical properties of pressure vessels of various materials or various dimensions by proposing an optimal device design method for the reliable evaluation of mechanical properties of a ring-shaped pressure vessel.

세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치를 사용함으로써 고무튜브의 무분별한 확장으로 인한 시편 모서리에 접촉이 발생하는 기존 평가장치의 단점을 보완하고 이로 인한 시편의 예상치 못한 이른 파단을 방지하였다. 또한 세그먼트 구조를 사용하였을 때 고압의 시험조건도 시험이 가능하다는 장점이 있다. 또한 세그먼트 사이의 틈으로 인한 압력의 불 균일성을 세그먼트 수와 일정 두께의 PTFE를 사용함으로써 감소시켰고 강성이 낮은 PTFE를 사용하였기 때문에 기존 시험범에서 단점이었던 하중 전달 매개체의 변형을 위한 높은 하중이 요구되지 않는다는 장점이 있다. 그리고 PTFE를 사용하였을 때 링 시편과 세그먼트 사이의 마찰계수를 현저하게 줄일 수 있어 시편의 원주방향 변형률의 편차의 감소가 가능하였다. 최종적으로 본 시험장치를 사용하였을 때 기존의 압력용기 시험방법에 준하는 시험조건을 형성하였기에 링 시편의 압력용기 시험에 있어서 본 장치를 사용하였을 때 보다 경제적이고 신뢰성 있는 시험 평가가 가능하다는 장점이 있다.By using a segment-type ring burst test device, the disadvantages of the existing evaluation device, which occurred in contact with the specimen edge due to indiscriminate expansion of the rubber tube, were supplemented, and the unexpected early fracture of the specimen was prevented. In addition, when using the segment structure, it has the advantage of being able to test under high-pressure test conditions. In addition, the non-uniformity of pressure caused by the gap between segments was reduced by using the number of segments and PTFE of a certain thickness, and because PTFE was used with low rigidity, a high load was required for deformation of the load transfer medium, which was a disadvantage in the existing test group The advantage is that it doesn't. In addition, when PTFE was used, the friction coefficient between the ring specimen and the segment could be significantly reduced, thus reducing the deviation of the specimen's circumferential strain. Finally, when this test apparatus is used, the test conditions equivalent to the existing pressure vessel test method are formed, so there is an advantage that more economical and reliable test evaluation is possible when this apparatus is used in the pressure vessel test of ring specimens.

도 1은 일 실시예에 따른 수력 파열 시험 장치의 개략도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 수력 파열 시험 장치의 사용시 링 시편의 파단 형상 (a) 보강재를 부착하지 않았을 때, (b) 보강재를 부착하였을 때 [1]이다.
도 3은 일 실시예에 따른 분할 디스크 시험 장치의 개략도 [2]이다.
도 4는 일 실시예에 따른 12개의 세그먼트를 사용한 링 버스트 장치 [3]이다.
도 5는 일 실시예에 따른 세그먼트 타입 링 버스트 창지의 하중 관계도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 서로 다른 운동마찰계수에 따른 하중 전달율이다.
도 7은 일 실시예에 따른 초기 반지름 값으로 표준화된 Z 방향의 변위의 접촉각과 변형율에 따른 변화이다.
도 8은 일 실시예에 따른 링 시편의 원주방향 변형률 오차 [%]이다.
도 9는 일 실시예에 따른 세그먼트의 수와 PTFE 두께에 따른 원주방향 변형률의 변동계수이다.
도 10은 일 실시예에 따른 장치와 시편사이의 마찰계수에 의한 변형률 편차 비교이다.
도 11은 일 실시예에 따른 세그먼트 타입 링 버스트 창지의 조립도이다.
1 is a schematic diagram of a hydraulic rupture test apparatus according to an embodiment.
Figure 2 shows the fracture shape of the ring specimen when using the hydraulic rupture test apparatus according to an embodiment (a) when no reinforcing material is attached, (b) when the reinforcing material is attached [1].
3 is a schematic diagram [2] of a divided disk testing apparatus according to an embodiment.
4 is a ring burst device [3] using 12 segments according to an embodiment.
5 is a load relation diagram of a segment type ring burst window according to an embodiment.
6 is a load transfer rate according to different coefficients of kinetic friction according to an embodiment.
7 is a graph illustrating a change according to a contact angle and a strain rate of displacement in the Z direction normalized to an initial radius value according to an exemplary embodiment.
8 is a circumferential strain error [%] of a ring specimen according to an embodiment.
9 is a coefficient of variation of circumferential strain according to the number of segments and PTFE thickness according to an embodiment.
10 is a comparison of strain variation due to the friction coefficient between the device and the specimen according to an embodiment.
11 is an assembly view of a segment type ring burst window according to an embodiment.

본 발명은 복합재료 압력용기의 기계적 물성 평가 장치인 링 버스트 시험장치 (Ring burst test method)의 구조 설계에 관한 방법을 제공한다. 도 5은 세그먼트 타입의 링 버스트 장치의 하중 관계도에 관한 모식도이다. 링 버스트 시험 장치는 수직 기둥 (Vertical column), 세그먼트(Segments), PTFE 그리고 하부 지지판 (Bottom plate)으로 구성되며 복합재료 링 (Ring)시편을 장착하여 내압시험을 수행할 수 있는 구조로 되어있다. 본 장치의 원리는 우선 만능 재료시험기를 사용하여 전달받은 압축하중이 세그먼트를 통해 일정한 각도 (

Figure pat00001
)를 갖으며 반지름 방향의 압력으로 전달되고 이는 PTFE를 거쳐 최종적으로 시편에 내압을 가할 수 있는 구조이다. 수식 1은 축 대칭이라 가정한 링 버스트 장치의 평형 방정식에서 유도된 하중 관계식이다.
Figure pat00002
은 만능 재료시험기로부터 장치에 가해지는 압축력,
Figure pat00003
는 최종적으로 시편 내부에 가해지는 힘이다.
Figure pat00004
,
Figure pat00005
는 부품 사이의 마찰 계수,
Figure pat00006
는 수직 기둥과 세그먼트 사이의 각도를 의미한다. 최종적으로 수식1을 통해 시편에 가해지는 하중을 관계식을 통해 계산할 수 있으며 시편의 길이 (
Figure pat00007
)로 나누었을 때 시편에 직접적으로 가해지는 내압 (
Figure pat00008
)의 도출이 가능하다.The present invention provides a method for designing a structure of a ring burst test method, which is an apparatus for evaluating mechanical properties of a composite pressure vessel. It is a schematic diagram regarding the load relationship diagram of the ring burst device of a segment type. The ring burst test device is composed of a vertical column, segments, PTFE and a bottom plate, and has a structure that can perform a pressure test by mounting a ring specimen of a composite material. The principle of this device is that the compressive load received using the universal material testing machine passes through the segment at a certain angle (
Figure pat00001
) and transmitted by radial pressure, it is a structure that can finally apply internal pressure to the specimen through PTFE. Equation 1 is a load relation derived from the equilibrium equation of the ring burst device, which is assumed to be axially symmetric.
Figure pat00002
is the compressive force applied to the device from the universal material testing machine,
Figure pat00003
is the final force applied to the inside of the specimen.
Figure pat00004
,
Figure pat00005
is the coefficient of friction between the parts,
Figure pat00006
is the angle between the vertical column and the segment. Finally, through Equation 1, the load applied to the specimen can be calculated through the relational expression, and the length of the specimen (
Figure pat00007
) divided by the internal pressure directly applied to the specimen (
Figure pat00008
) can be derived.

Figure pat00009
Figure pat00009

수식 1. 세그먼트 타입 링 버스트 장치의 하중 관계식Equation 1. Load Relational Expression of Segment Type Ring Burst Device

세그먼트 타입 링 버스트 시험 장치는 수직 기둥과 세그먼트를 사용하여 압축 하중을 시편에 전달한다. 이들 사이의 접촉각 (α)은 매우 중요한 설계 요소로서 하중 전달 비율과 수직 기둥의 최대 변위를 결정한다. 따라서 링 버스트 시험 장치를 설계할 때 최적화된 접촉각을 결정하는 것이 중요하다. 접촉각과 운동 마찰 계수에 따른

Figure pat00010
에서
Figure pat00011
의 하중 전달 비율은 수식 (1)에 의해 결정될 수 있다. 운동마찰계수는 크게 마찰이 없는 경우 (
Figure pat00012
), 윤활이 된 경우 (
Figure pat00013
) 그리고 윤활되지 않은 경우 (
Figure pat00014
) 총 3가지 경우로 나누어 도시하였으며 그 그래프는 도 6와 같다.Segment-type ring burst testing rigs use vertical posts and segments to transmit compressive loads to the specimen. The contact angle (α) between them is a very important design factor that determines the load transfer rate and the maximum displacement of the vertical column. Therefore, it is important to determine the optimized contact angle when designing a ring burst test rig. According to the contact angle and the coefficient of kinetic friction
Figure pat00010
in
Figure pat00011
The load transfer ratio of can be determined by Equation (1). When there is no significant friction (
Figure pat00012
), when lubricated (
Figure pat00013
) and if not lubricated (
Figure pat00014
) was divided into three cases, and the graph is shown in FIG. 6 .

수직 칼럼과 세그먼트 사이의 접촉각을 결정하기 위한 또 다른 고려 사항은 링 시편이 파손될 때까지 필요한 압력을 전달하기 위한 수직 칼럼의 변위이다. 링 버스트 시스템의 기하학적 특성을 고려하고 이를 강체로 가정하면, 접촉각 (α)과 시편의 후프 변형률 (

Figure pat00015
) 그리고 초기 내부 반지름 (
Figure pat00016
에 따른 수직 기둥 (
Figure pat00017
)의 변위는 도 7과 같다. Another consideration for determining the contact angle between the vertical column and the segment is the displacement of the vertical column to deliver the necessary pressure until the ring specimen fails. Considering the geometrical properties of the ring burst system and assuming that it is a rigid body, the contact angle (α) and the hoop strain of the specimen (
Figure pat00015
) and the initial inner radius (
Figure pat00016
vertical column according to (
Figure pat00017
) is the same as in FIG. 7 .

축 대칭조건에서 원주방향으로 균일하게 변형한다 가정하였을 때, 시편의 원주방향 변형은 내부 반경에 반비례하므로 링 시편의 파손은 시편의 외부가 아닌 내부에서 먼저 발생한다는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 접촉각과 원주방향 변형율에 따른 수직 기둥의 z 방향에서의 변위를 내부 반경으로 나눈 값은 수식 2를 사용하여 표현 가능하고 도 7과 같이 도시할 수 있다.Assuming uniform deformation in the circumferential direction under the axial symmetry condition, since the circumferential deformation of the specimen is inversely proportional to the inner radius, it can be confirmed that the breakage of the ring specimen occurs first inside the specimen, not outside. Therefore, the value obtained by dividing the displacement in the z direction of the vertical column according to the contact angle and the circumferential strain by the inner radius can be expressed using Equation 2 and can be shown as shown in FIG. 7 .

Figure pat00018
Figure pat00018

수식 2. 접촉각과 원주 변형율에 따른 수직 기둥의 z 방향에서의 변위Equation 2. Displacement in the z-direction of the vertical column according to the contact angle and the circumferential strain

이러한 관계를 고려하여, 접촉각은 하중 관계식과 수직 기둥의 허용 변위를 고려하여 링 시편이 파단할 수 있도록 6 °로 결정하였다. 이 경우, 복합재료 링 시편은 최대 5%의 파단 변형률을 가지며 바닥 판의 최대 길이는 50cm 미만으로 설계되었다. 또한, 접촉각이 6° 일 때, 전달된 하중 (

Figure pat00019
)은 적용된 하중 (
Figure pat00020
)보다 약 2 배 높다.Considering this relationship, the contact angle was determined to be 6° so that the ring specimen could be fractured by considering the load relation equation and the allowable displacement of the vertical column. In this case, the composite ring specimen had a maximum strain at break of 5% and the maximum length of the bottom plate was designed to be less than 50 cm. Also, when the contact angle is 6°, the transmitted load (
Figure pat00019
) is the applied load (
Figure pat00020
) is about twice as high.

장치의 설계에 관한 내용으로서 본 링 버스트 시험장치는 최종적으로 압력용기 모델의 수압 실험과 유사한 시험조건을 형성할 수 있도록 설계되었으며 링 시편의 반지름방향으로 균일한 압력이 전달되기 위해 세그먼트와 PTFE를 활용하였다. FE analysis를 통해 사용되는 세그먼트의 수가 많아질수록 전달되는 압력 편차가 작아지고 시편에 발생하는 변형률 편차도 작아져 평균 파단 변형률 또한 실제 수압의 조건일 때와 유사한 것을 확인하였으며 가공조건을 고려하여 최종적으로 24개의 세그먼트를 사용하였을 때 링 시편의 원주방향 변형률의 표준편차는

Figure pat00021
0.02%임을 확인하였고 이를 도 8에 도시하였다. As for the design of the device, this ring burst testing device is finally designed to form a test condition similar to the hydraulic test of the pressure vessel model, and utilizes segments and PTFE to deliver uniform pressure in the radial direction of the ring specimen. did. Through FE analysis, as the number of segments used increases, the transmitted pressure deviation becomes smaller and the strain deviation occurring in the specimen also becomes smaller, so that the average breaking strain is also similar to that of the actual hydraulic pressure condition. When 24 segments were used, the standard deviation of the circumferential strain of the ring specimen was
Figure pat00021
It was confirmed that it was 0.02%, and it is shown in FIG. 8 .

또한, 기존의 압력용기 모델과 같이 반지름 방향으로 균일한 압력전달을 위해 세그먼트와 시편 사이에 PTFE 층을 두었고 시편의 변형률 편차를 도 9에 도시하였다. 원주방향 변형률의 좀 더 세밀한 비교를 위해 상대적 표준편차인 변동계수 (Coefficient of variation) 값을 사용하였고, 최종적으로 시편 내부의 원주방향의 변형률이

Figure pat00022
0.02% 표준편차,
Figure pat00023
0.98% 변동계수를 갖도록 2t의 PTFE를 사용한 링 버스트 장치를 설계하였다. In addition, as in the conventional pressure vessel model, a PTFE layer was placed between the segment and the specimen for uniform pressure transmission in the radial direction, and the strain deviation of the specimen is shown in FIG. 9 . For a more detailed comparison of the circumferential strain, a value of the coefficient of variation, which is a relative standard deviation, was used, and finally, the circumferential strain inside the specimen was
Figure pat00022
0.02% standard deviation,
Figure pat00023
A ring burst device using 2t of PTFE was designed to have a coefficient of variation of 0.98%.

또한, 세그먼트와 링 시편 사이의 마찰에 의해 시편의 변형률 편차가 커지는 경향을 파악하였을 때 PTFE를 세그먼트와 시편 사이에 배치한다면 그 편차를 현저히 줄일 수 있고 이 효과를 도 10에 도시하였다. 따라서 실제 압력용기 전체 모델의 수압시험 조건과 유사한 시험조건을 갖는 본 장치를 사용하였을 때 동일 내압조건에서 보다 경제적이고 신뢰성 있는 압력용기의 기계적 물성 평가가 가능한 장점이 있다.In addition, when the tendency of the strain variation of the specimen to increase due to friction between the segment and the ring specimen is understood, if PTFE is disposed between the segment and the specimen, the deviation can be significantly reduced, and this effect is shown in FIG. 10 . Therefore, there is an advantage in that it is possible to evaluate the mechanical properties of the pressure vessel more economically and reliably under the same internal pressure condition when using this device, which has test conditions similar to the hydraulic test conditions of the actual pressure vessel model.

복합재료 압력용기의 기계적 물성 평가를 위한 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치 및 그 설계 방법은 다음과 같다. The segment-type ring burst test apparatus and its design method for evaluating the mechanical properties of a composite pressure vessel are as follows.

복합재료 링 시편의 제원을 기준으로 수직 기둥, 세그먼트, 하부 판 그리고 PTFE로 구성된 링 버스트 장치, 만능재료시험기로부터 전달된 압축하중은 수직 기둥과 세그먼트를 통해 원통형 시편의 반지름 방향으로 전달되고 두 부품 사이의 접촉 각도에 따라 전달되는 하중의 비율이 달라지는 구조 시스템, 수직기둥과 세그먼트 사이의 접촉 각도로 인해 수직기둥이 압축하중을 받으면 세그먼트는 반지름 방향으로 변위가 발생하고 이를 통해 원통형 시편은 원주방향으로 인장력 발생이 가능한 내압시험장치, 상기 수직 기둥이 수직방향으로 최대 50mm 이동이 가능하도록 하고 세그먼트의 아래 배치되어 세그먼트를 지지하는 하부 판, 및 세그먼트와 링 시편 사이에 압력의 불 균일성을 완화하고 마찰 계수를 감소시키는 PTFE 층을 포함하고, 링 형상 시편의 제원에 맞게 수직기둥과 세그먼트 사이의 접촉각을 고려한 기계적 물성시험을 가능하게 하는 세그먼트 타입 링 버스트 장치의 설계 방법으로 구성된다.Based on the specifications of the composite ring specimen, the compressive load transmitted from the universal testing machine, a ring burst device composed of a vertical column, segment, lower plate, and PTFE, is transmitted in the radial direction of the cylindrical specimen through the vertical column and segment, and is transmitted between the two parts. Structural system in which the ratio of transmitted load varies according to the contact angle of the vertical column. When the vertical column receives a compressive load due to the contact angle between the vertical column and the segment, the segment is displaced in the radial direction. A pressure test device capable of generating, allowing the vertical column to move up to 50 mm in the vertical direction, and a lower plate disposed below the segment to support the segment, and to alleviate the non-uniformity of pressure between the segment and the ring specimen and reduce the coefficient of friction It is composed of a design method of a segment-type ring burst device that includes a PTFE layer that reduces the mechanical properties and enables a mechanical property test considering the contact angle between the vertical column and the segment according to the specifications of the ring-shaped specimen.

수직기둥과 세그먼트 사이의 각도를 링 형상 시편의 파단 변형률과 수직기둥의 최대 변위를 고려하여 6°로 정한 설계법에 따를 수 있다. The angle between the vertical column and the segment can be set as 6° considering the breaking strain of the ring-shaped specimen and the maximum displacement of the vertical column, according to the design method.

축 대칭 조건에서 평형 방정식을 통해 세그먼트 타입의 링 버스트 장치의 부품간 마찰계수를 고려한 하중 관계식의 유도 방법을 따를 수 있다. The method of deriving the load relational expression considering the friction coefficient between the parts of the segment-type ring burst device can be followed through the equilibrium equation in the axisymmetric condition.

부품간 하중 관계식을 사용하여 최종적으로 링 시편에 작용하는 압력을 이론적으로 도출하는 유도 방법을 따를 수 있다. Finally, it is possible to follow the derivation method to theoretically derive the pressure acting on the ring specimen by using the load relation between parts.

세그먼트 타입의 구조 장치로서 세그먼트의 개수를 조절하여 링 시편에 전달되는 압력의 불 균일성을 낮출 수 있도록 24개의 세그먼트를 사용한 설계 방법을 따를 수 있다.As a segment type structural device, the design method using 24 segments can be followed so that the number of segments can be adjusted to lower the non-uniformity of the pressure transmitted to the ring specimen.

세그먼트와 시편 사이에 배치되며, 세그먼트를 통해 전달되는 압력의 편차를 줄이고 마찰계수가 낮아 부품간 마찰의 영향을 줄일 수 있는 PTFE를 사용한 설계 방법을 따를 수 있다. It is placed between the segment and the specimen, and can follow the design method using PTFE, which can reduce the variation in pressure transmitted through the segment and reduce the effect of friction between parts due to its low coefficient of friction.

시편에 작용하는 변형률 편차를 줄일 수 있도록 PTFE의 두께를 조절한 설계 방법을 따를 수 있다. A design method in which the thickness of the PTFE is adjusted can be followed to reduce the variation in strain acting on the specimen.

복합재료 링 시편을 사용하여 압력용기 전체 모델의 시험법에 준하는 압력 조건을 갖을 수 있도록 한 시험장치의 설계 방법을 따를 수 있다. It is possible to follow the design method of the test device so that it can have pressure conditions equivalent to the test method of the entire pressure vessel model using the composite material ring specimen.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.As described above, although the embodiments have been described with reference to the limited embodiments and drawings, various modifications and variations are possible from the above description by those skilled in the art. For example, the described techniques are performed in a different order than the described method, and/or the described components of the system, structure, apparatus, circuit, etc. are combined or combined in a different form than the described method, or other components Or substituted or substituted by equivalents may achieve an appropriate result.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (8)

복합재료 링 시편의 제원을 기준으로 수직 기둥, 세그먼트, 하부 판 그리고 PTFE로 구성된 링 버스트 장치;
만능재료시험기로부터 전달된 압축하중은 수직 기둥과 세그먼트를 통해 원통형 시편의 반지름 방향으로 전달되고 두 부품 사이의 접촉 각도에 따라 전달되는 하중의 비율이 달라지는 구조 시스템;
수직기둥과 세그먼트 사이의 접촉 각도로 인해 수직기둥이 압축하중을 받으면 세그먼트는 반지름 방향으로 변위가 발생하고 이를 통해 원통형 시편은 원주방향으로 인장력 발생이 가능한 내압시험장치;
상기 수직 기둥이 수직방향으로 최대 50mm 이동이 가능하도록 하고 세그먼트의 아래 배치되어 세그먼트를 지지하는 하부 판; 및
세그먼트와 링 시편 사이에 압력의 불 균일성을 완화하고 마찰 계수를 감소시키는 PTFE 층
을 포함하고,
링 형상 시편의 제원에 맞게 수직기둥과 세그먼트 사이의 접촉각을 고려한 기계적 물성시험을 가능하게 하는, 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치.
Ring burst device composed of vertical column, segment, lower plate and PTFE based on the specifications of the composite ring specimen;
A structural system in which the compressive load transmitted from the universal testing machine is transmitted in the radial direction of the cylindrical specimen through vertical columns and segments, and the ratio of the transmitted load varies according to the contact angle between the two parts;
When the vertical column receives a compressive load due to the contact angle between the vertical column and the segment, the segment is displaced in the radial direction, and through this, the cylindrical specimen can generate tensile force in the circumferential direction;
a lower plate that allows the vertical column to move up to 50 mm in the vertical direction and is disposed below the segment to support the segment; and
PTFE layer to relieve pressure inhomogeneity and reduce coefficient of friction between segment and ring specimen
including,
A segment-type ring burst test device that enables mechanical property testing considering the contact angle between a vertical column and a segment according to the specifications of a ring-shaped specimen.
제1항에 있어서,
수직기둥과 세그먼트 사이의 각도를 링 형상 시편의 파단 변형률과 수직기둥의 최대 변위를 고려하여 6°로 정한, 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치.
According to claim 1,
Segment-type ring burst test apparatus in which the angle between the vertical column and the segment is set to 6° in consideration of the breaking strain of the ring-shaped specimen and the maximum displacement of the vertical column.
제1항에 있어서,
축 대칭 조건에서 평형 방정식을 통해 세그먼트 타입의 링 버스트 장치의 부품간 마찰계수를 고려한 하중 관계식의 유도 방법을 통해 설계되는, 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치.
According to claim 1,
A segment-type ring burst test apparatus designed through a method of deriving a load relational expression considering the friction coefficient between parts of a segment-type ring burst apparatus through an equilibrium equation under an axisymmetric condition.
제2항에 있어서,
부품간 하중 관계식을 사용하여 최종적으로 링 시편에 작용하는 압력을 이론적으로 도출하는 유도 방법을 통해 설계되는, 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치.
3. The method of claim 2,
A segment-type ring burst test device designed through an induction method that theoretically derives the pressure acting on the ring specimen in the end using the load relation between parts.
제1항에 있어서,
세그먼트 타입의 구조 장치로서 세그먼트의 개수를 조절하여 링 시편에 전달되는 압력의 불 균일성을 낮출 수 있도록 24개의 세그먼트를 사용한, 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치.
According to claim 1,
As a segment type structural device, 24 segments are used to control the number of segments to reduce the non-uniformity of the pressure transmitted to the ring specimen, and a segment type ring burst test device.
제1항에 있어서,
세그먼트와 시편 사이에 배치되며, 세그먼트를 통해 전달되는 압력의 편차를 줄이고 마찰계수가 낮아 부품간 마찰의 영향을 줄일 수 있는 PTFE를 사용한, 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치.
According to claim 1,
A segment-type ring burst test device using PTFE, which is disposed between the segment and the specimen and can reduce the variation in pressure transmitted through the segment and reduce the effect of friction between parts due to its low coefficient of friction.
제4항에 있어서,
시편에 작용하는 변형률 편차를 줄일 수 있도록 PTFE의 두께를 조절한, 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치.
5. The method of claim 4,
Segment-type ring burst testing device with the thickness of PTFE adjusted to reduce the strain variation acting on the specimen.
제4항 또는 제6항에 있어서,
복합재료 링 시편을 사용하여 압력용기 전체 모델의 시험법에 준하는 압력 조건을 갖을 수 있도록 한, 세그먼트 타입의 링 버스트 시험 장치.
7. The method of claim 4 or 6,
A segment-type ring burst test device that uses a composite ring specimen to have pressure conditions equivalent to the test method of the entire pressure vessel model.
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