In this paper, the effect of the natural aging on the strength distribution and structural service life of a Filament Wound (FW) composite pressure vessel was studied. The fiber failure strain, which is varied significantly, was considered as the design random variable and the strength analysis was carried out by probabilistic numerical approach. The progressive failure analysis technique and the First Order Reliability Method (FORM) were embedded in this numerical model. As the calculation results, the probability of failure was obtained for each aging time steps and it is found that the strength degradation in FW composite pressure vessel, due to the natural aging, appears within 10 year-aging-time. As an example of the life prediction under natural aging using arbitrary laminated model, the service lifetime of 13 years was predicted based on the probability of failure of 2.5% and the design pressure of 3,250 psi.

본 논문에서는 자연 노화가 필라멘트 와인딩으로 제작된 압력용기의 강도 분포와 구조 사용 수명에 미치는 영향을 연구하였다. 자연 노화에 따라 변화되는 섬유 방향 파괴 변형률을 설계 확률 변수로 하는 확률 강도 해석을 수행하였다. 이때 확률 강도 해석은 정확한 파열 압력을 예측하기 위해 연속 파손 모드가 고려되었고, 비선형 한계식의 해를 구하기 위해 FORM방법이 이용되었다. 해석을 통해 노화 시간별 파괴 확률 분포 선도를 구하였다. 복합재 구조물의 특성상 재료 물성 및 제작 공정 변수 영향으로 제품의 성능 변동성이 비교적 크게 나타났고, 노화로 인한 압력용기의 파열 압력 저하 현상은 대부분 10년 이내에서 발생하였다. 임의 적층의 복합재 압력 용기를 모델로 하여 수명을 평가한 결과, 파괴 확률 2.5%와 안전율 1.3을 고려한 설계 압력 3,250psi기준으로 약 13년의 사용 수명이 평가되었다.

Keywords: composite pressure vessel, natural aging, reliability, service life

Keywords: 복합재압력용기, 자연 노화, 신뢰도, 사용수명