This study presents the structural analysis of a composite propeller considering CLPT-based equivalent stiffness and validation through structural tests. Continuously varying laminate configurations along the radial direction were incorporated by evaluating equivalent stiffness using classical laminate plate theory (CLPT), and a three-dimensional finite element model with solid elements was employed to capture the full strain field including out-of-plane deformation. The obtained strain tensor was transformed into the principal material coordinate of each ply to evaluate ply stresses. Structural testing was also conducted, and the measured strains were compared with analytical results. The comparison shows good agreement within approximately 10% difference. The results demonstrate that the proposed approach can effectively predict the structural behavior of composite propellers with continuously varying laminate configurations while considering three-dimensional stresses including out-of-plane shear stress.

본 연구에서는 CLPT 기반 등가강성을 고려한 복합재 프로펠러의 구조 설계/해석 및 시험을 통한 검증을 수행하였다. 반경 방향에 따라 연속적으로 변화하는 적층구성은 고전 적층판 이론(CLPT)을 이용한 등가강성 평가를 통해 반영했으며, 면외 방향 변형을 포함한 전체 변형률장을 고려하기 위하여 solid 요소 기반 유한요소 모델을 적용하였다. 유한요소 해석을 통해 얻어진 변형률 텐서는 각 단층의 재료 주축 좌표계로 변환하여 단층 응력을 산정했으며, 구조시험을 통해 측정된 변형률과 비교하였다. 해석과 시험 결과는 약 10% 내외의 범위에서 잘 일치하는 것으로 나타났으며, 본 연구에서 제안한 방법이 위치별로 적층구성이 연속적으로 변화하는 복합재 프로펠러에 대해 실제 적층 특성을 반영하면서도, 면외 전단응력을 포함한 3차원 응력 상태를 효율적으로 평가할 수 있는 것을 확인하였다.

Keywords: 복합재 프로펠러(Composite propeller), CLPT 기반 등가강성(CLPT-based equivalent stiffness), 3차원 유한요소해석(Three-dimensional finite element analysis), 구조 검증(Structural validation)