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[Altair & Cadfil] 멀티스케일 시뮬레이션을 통한 수소 압력 탱크의 개발

  • C2ES
  • 2020-07-20 13:39:00
  • 125.133.101.16

오늘은 저희 회사가 가지고 있는 구조 설계와 최적화 분야 솔루션인 <Altair>와 컴퓨터 프로그래밍 (NC) 제어 Filament Winding 머신을 위한 소프트웨어인 <Cadfil>과 CIKONI 외 다양한 파트너들이 협업하여 개발 중인 수소 압력 탱크의 간략한 소개 글을 안내해 드리려고 합니다.

최근 환경문제와 더불어 경량화를 위해 수소 또는 전기 차량이 많이 개발되고 있습니다. 이를 충족시키기 위해 엔지니어들은 가볍고 튼튼한 소재를 찾고 있으며 탄소 섬유를 사용하여 이를 해결하고자 하고 있습니다. 비록, 해결돼야 할 문제들이 남아있지만 여러 가지 시도 끝에 점차 정답에 가까워지고 있습니다.

저희 C2ES KoreaAltairCadfil의 국내 공식 파트너이며 매우 긴밀한 협업을 통해 "소프트웨어 공급, 교육지원, 기술지원 및 정부 및 기업의 프로젝트 지원"을 수행하고 있으며, "한국탄소융합기술원, 한국화학연구원, 한국생산기술연구원, 재료연구소 및 대기업과 대학교"에 대한 정기교육, 기술지원등 다양한 업무를 수행하고 있습니다.

구조 설계와 최적화을 위한 AltairHyperWorks 또는 Filament Winding을 위한 Cadfil에 대해 궁금하시거나 문의 사항 있으시면 언제든 하단의 연락처로 연락 부탁드립니다. 빠르게 도움 드릴 수 있도록 하겠습니다.

감사합니다.


 

멀티스케일 시뮬레이션을 통한 수소 압력 탱크의 개발

이론적으로, 수소는 배출물과 부산물 없이 재생 가능한 에너지로서 전기분해를 통하여 생산될 수 있습니다. 그리고 수소가 연료 전지에 사용되었을 때에도, 전기와 함께 물만 추가로 만들어집니다. 하지만, 수소가 자동차에 상업적으로 사용되기 전에 엔지니어들이 해결해야 할 많은 과제가 남아있습니다. 특히, 수소는 현존하는 분자 중 가장 작기 때문에 수소를 저장하는 것은 매우 어렵습니다. 현재, 차량을 위한 압력 탱크에는 최대 700bar까지 저장할 수 있습니다. 이 압력 용기를 만들 때 사용된 재료가 탄소섬유이며, 다른 어떤 물질도 탄소섬유처럼 가볍고 수소를 고압으로 저장할 수 없음으로 재료의 강점을 보여줍니다. 하지만 탄소섬유는 비싸기 때문에 현명하게 사용되어야 합니다. 그러므로, 경량 설계 및 이동 질량 감소 측면에서도 중량을 절약하는 것이 매우 중요합니다. 또한, CFRP 압력 탱크의 하중 지지 용량은 모든 부하 상황에서의 안전성이 보장되어야 합니다.

 
 

<Cadfil를 이용한 Filament Winding 모습>

 

CFRP Type IV 압력 탱크의 전체적인 개발

CIKONI는 고압 수소 탱크 설계 요건을 충족하는 애플리케이션 시뮬레이션 모델을 제공하는 전문 엔지니어링 파트너입니다. 따라서, FE 시뮬레이션을 진행할 때, 다음과 같은 문제를 해결하도록 합니다:

- 모든 시나리오에서 부하 용량 및 압력 저항의 보장

- 탱크와 연결 구성 요소들의 지오메트리 정의

- 재료 선택 및 하이브리드 재료 콘셉트의 정의

- 돔과 쉘 영역의 레이어 구조 사양

- 생산 계획 및 실행 가능성 검증 시행

- 비용 절감을 위한 최적의 전력 대 중량 비율의 수치와 자재 절감의 수치

- 추정되는 비용

물론, CIKONI는 업스트림과 다운스트림 단계에서 재료 특성화, 테스트 및 생산 계획과 같은 시뮬레이션 그 이상의 정보들을 고객과 협력하고 있습니다. 또한, 현재 CIKONI는 혁신적인 CFRP 고압 탱크를 위해 설치 공간 효율이 더 높은 새로운 생산방식을 개발 중에 있습니다.

<Altair의 HyperWorks의 모습>

새로운 시뮬레이션 방법과 가상 프로토타이핑

이제 Altair, Crescent Consultants (영국의 Cadfil) 및 여러 파트너와 함께, CIKONI는 시뮬레이션 모델의 정확성을 한 발짝 더 최적화하였습니다. 먼저 micro-model 접근 방식을 사용하여 재료의 특성을 가상으로 파악한 후 macro-model에 전달하는 멀티스케일 접근 방식을 사용하였습니다. 따라서, 돔 영역의 겹침 또는 불연속 섬유 볼륨 컨텐츠와 같은 와인딩의 특정 특성을 더 잘 나타낼 수 있습니다. 이로써, 시간이 중요한 재료 특성화 (소위 “쿠폰 테스트”라고 불리는)가 감소하고 시뮬레이션 품질이 향상되기 때문에 더 빠른 개발이 가능합니다. 또한, 생산 자체를 더 잘 표현하고 특별한 방법을 이용하여 실제 모델에 적용할 수 있습니다.

<CFRP 타입 4 압력 탱크의 모습>

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