This study investigates the structural performance of Type IV hydrogen pressure vessels reinforced with triaxial braided composites. Two models were evaluated: a baseline model and lightweight model in which the metallic boss components were simplified for weight reduction. This modification led to a reduction of approximately 32% in the weight of the metallic parts. Finite element analysis (FEA) was conducted under internal pressures of 105 MPa and 157.5 MPa, which correspond to standard performance and minimum burst conditions, respectively. A symmetry-reduced model was adopted by utilizing the vessel’s geometric symmetry for computational efficiency. The simulation results showed that all major components maintained safety factors greater than unity. In the baseline model, axial stress was concentrated near the sleeve junction. This area closely matched the failure location observed in the burst test. The predicted burst pressure from the simulation was 166.5 MPa, showing a 3.9% deviation from the experiment result of 173.36 MPa. This confirms that simulation-based analysis can accurately predict both the failure location and failure mode.

본 연구에서는 브레이딩 복합재를 적용한 Type IV 수소압력용기의 구조적 안정성과 파열 특성을 평가하였다. 기존 모델(Baseline model)과 금속 보스 형상에서 중량을 32% 절감한 경량화 모델(Lightweight model)을 비교 대상으로 설정하고, 유한요소 해석을 통해 내부압력에 따른 구조 응답을 분석하였다. 내압 성능 평가 기준(105 MPa)과 최소 파열압 조건(157.5 MPa)에서 해석한 결과, 모든 구성 부품에서 안전계수가 1을 초과하여 구조적 건전성이 확보되었음을 확인하였다. 파열 수준의 압력 조건에서는 기존 모델의 슬리브 접합부에서 축 방향 응력이 집중되며 파열이 예상되었고, 이는 실제 파열시험에서 관찰된 손상 부위와 정확히 일치하였다. 이러한 결과는 해석 기반의 구조 평가 기법이 수소압력용기의 파열 위치와 양상 예측에 효과적으로 활용될 수 있음을 실험적으로 검증한 것이다. 본 연구는 복합재 압력용기의 설계 최적화와 구조 건전성 평가에 실질적으로 기여할 수 있는 가능성을 보여준다.

Keywords: 수소압력용기(Hydrogen Pressure Vessel), 경량화(Lightweight Design), 브레이딩 복합재(Braided Composite), 유한요소 해석(Finite Element Analysis)