The Structural Analysis of Wedge Joint in Composite Motor Case

복합재 연소관의 쐐기형 체결부 구조 해석

The joint parts was composed of inner AL(aluminum) ring, FRP wedge and motor case which was manufactured by filament wound method. Where the motor case consists of helical and hoop layer. The finite element analysis was performed for the design variable of joint parts to improve the performance of motor case. Where the adhesive layer was modeled to elasto-perfect plastic material and the contact condition of AL ring and wedge was modeled by using the contact surface element of ABAQUS. And the sliding distance of AL ring and the hoop strain of composite case were compared to hydro-static test results to verify the accuracy of analysis results. When wedge and AL ring was perfect bonding, though the hoop strain of joint part was reduced, the maximum shear stress was occurred at the adhesive layer. Thus the adhesive layer had failed due to the high shear stress before the failure was occurred at the case. And as another design method, when wedge and AL ring was contact condition, the shear stress on adhesive layer was decreased. But the hoop stress of joint part increased due to the sliding behavior of AL ring. Finally, the fail was occurred at the composite case of joint part. The improved joint method reinforced by hoop layer to the joint parts under contact condition for wedge and Al. ring reduced the joint part's hoop strain by constraint the sliding behavior of AL ring.

본 체결부는 필라멘트 와인딩으로 제작된 연소관, 복합재 쐐기 그리고 알루미늄 내부 링으로 구성된다. 여기서 연소관은 헬리컬 층과 후프 층으로 이루어져 있다. 이러한 복합재 연소관의 성능 향상을 위해 체결부의 설계 변수에 따른 유한 요소 응력 해석이 수행되었다. 이때 접착 층을 난-소성 거동 재질로, 쐐기부와 알루미늄 링간의 접촉 상태는 ABAQUS의 접촉 표면 요소로 모사 되었다. 또한 해석 결과의 정확성을 입증하기 위해 내압에 의한 체결부 밀림 변위와 연소관 몸체의 원주 방향 변형도를 수압 시험과 비교하였다. 쐐기와 알루미늄 링간의 완벽 접착은 쐐기와 연소관간의 접착 층에 높은 전단 변형을 발생시켜 체결부 조기 파괴의 원인이 된다. 쐐기와 알루미늄 링간의 미 접착은 쐐기와 연소관사이의 접착 층 전단 응력을 감소시키는 반면 내부 알루미늄 링의 미끄러짐 거동으로 체결부 복합재의 반경 방향 변형을 증가시켜 파괴를 유발하였다. 그러나 쐐기부와 알루미늄 링간의 미접착 상태에서, 원주 방향 와인딩으로 체결부 지점을 보강한 경우, 알루미늄 링의 미끌어짐이 억제되어 체결부 지점의 복합재 원주 방향 변형값이 감소했다.