주기적 피로 하중을 받는 수소 탱크의 최적화 설계 프로그램 개발

Abstract

전 세계적으로 환경오염과 지구온난화에 대한 경각심이 증가하고 있다. 따라서 선진국에서는 2050년까지 배출한 탄소만큼 탄소를 없애는 탄소중립 시나리오를 화석연료 에너지로 제품을 생산하는 모든 산업에 적용하는 시나리오를 주도하고 있다. 대한민국 정부 또한 세계정세에 맞추어 2050 탄소중립 추진전략을 내세우며 현재 화석에너지 중심의 산업 및 에너지 정책을 저탄소 및 신재생에너지 경제구조로 전환하기 위한 그린뉴딜을 제시했다. 이런 국내외 저탄소 정책에 발맞춰 자동차 산업에서는 수소전기자동차 시장의 폭발적인 성장을 예측하고 기술력 확보에 박차를 가하고 있다.

본 연구에서는 수소전기자동차의 핵심부품 중 하나인 수소탱크(수소압력용기)의 개발에 있어 성능 분석 및 해석에 필요한 FEM 툴과 최적설계 프로그램을 연동하여 수소탱크 제작 변수에 따른 최적의 성능을 확보하고자 한다.

많은 연구소 및 회사에서 복합재료 Type 4 압력용기 제작에 사용되는 필라멘트와인딩 공법 관련 이론을 토대로 설계된 Abaqus Plug-In 프로그램인 WCM(Wound- Composite-Modeler)을 활용하고 있다. 본 논문에서는 최적설계 프로그램인 PIANO를 연동하여 활용하기 위해 자체 프로그램을 제작하였다.

본 논문에서는 프로그램을 통해 수소탱크 라이너 형상과 적층 각도를 최적화, 섬유의 Strain을 제시 하며 성능 지표 중 하나인 Tank Storage Density 향상시키는 형상 변수를 제시한다. |There is an increasing awareness of environmental pollution and global warming worldwide. Therefore, developed countries are leading the scenario of applying carbon-neutral scenarios that eliminate carbon as much as carbon emitted by 2050 to all industries that produce products with fossil fuel energy. The Korean government also proposed a ‘Green New Deal’ to transform fossil energy-oriented industrial and energy policies into low-carbon and renewable energy economic structures, citing a 2050 carbon neutrality promotion strategy in line with the global situation. In line with these low-carbon policies at home and abroad, the automobile industry is spurring to predict the explosive growth of the hydrogen-electric vehicle market and secure technology. In the development of a hydrogen tank (hydrogen pressure container), one of the core components of a hydrogen electric vehicle, this study aims to secure optimal performance according to the hydrogen tank manufacturing variable by linking the FEM tool and optimal design program required for performance analysis and analysis. Many research institutes and companies are using the Round-Composite-Modeller (WCM), an Abaqus Plug-In program designed based on the theory related to the filament winding method used in the production of composite material Type 4 pressure vessels. In this paper, a self-program was produced to link and utilize PIANO, the optimal design program. This paper presents a shape variable that optimizes the shape of a hydrogen tank liner and stacking angle through a program, presents the strain of fibers, and improves Tank Storage Density, one of the performance indicators.