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Moreover, two types of AUVs, which are designed by CFRP-Autocalve and CFRP-VaRTM, have sufficient mechanical properties compared to previous metal AUV designs. Finally, the manufacturing processes for two types of AUV models were designed, and the environmental safety was clearly confirmed by the moisture absorption test result.

서론

이전에는 무인잠수함의 압력선체를 제작하는 데 Al 합금, Ti 합금 등의 재료가 사용되어 왔습니다. 본 연구를 통해 무인잠수함 선체 설계 시 재료 및 공정 최적화를 통한 설계 최적화를 시도하였다.

설계 프로세스

재료의 선정

재료 선정의 기준

금속 재료

섬유강화복합재료

섬유강화복합재료의 특징
항공산업에서의 섬유강화 복합재료
섬유강화 복합재료의 경제성

복합 재료, 플레이크 복합 재료 및 골격 복합 재료로 나눌 수 있습니다. 섬유강화복합재료의 특성을 요약하면 다음과 같습니다. 이로 인해 금속에 비해 재료의 표준화가 다소 부족합니다.

섬유강화 복합재료는 “경량화, 고성능, 안정성이 요구되는” 항공기용 필수 소재라고 할 수 있다. 초기 섬유강화 복합재료는 불포화 폴리에스터를 기재로 사용하였으며, 최. 섬유 강화 복합 재료의 가격 수준은 일반적으로 금속 재료의 가격 수준보다 훨씬 높습니다.

또한, 섬유강화복합재료는 금속재료에 비해 수리비용이 거의 들지 않아 경제성이 뛰어난 재료라고 할 수 있다.

Table 5. The comparison of damping factors between steel materials and FRP materials [3]

공정의 선정

공정 선정의 기준
Hand Lay-up
진공백 성형(Vacuum Bag Molding)
VaRTM(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding)

진공백주조는 탄소섬유, 유리섬유 등의 보강재로 프리프레그를 사용하여 복합재료를 주조하는 공정이다. 프리프레그는 에폭시 수지 등의 기재를 부분 경화(B스테이지)한 상태로 혼합한 소재로, 경화 후 강화섬유와 에폭시 수지의 중량비는 일반적으로 6:4이다. 진공백 성형 공정은 수동 포설 공정에 비해 생산성과 작업성이 뛰어난 공정입니다.

VaRTM 성형공정은 RTM의 변형된 버전으로, 금형의 한쪽면에 강화섬유를 적층하고 진공상태에서 수지를 빠르게 함침시켜 복합재료 구조를 형성하는 공정이다. 이 공정은 한쪽 끝의 진공압력이 진공백 내부의 기포를 배출하고, 대기압은 진공백 표면에 수직으로 작용하기 때문에 성형품 내부의 기공이 적고 섬유 함량이 높다는 장점이 있습니다. . VaRTM 공정은 오토클레이브 장비를 사용해야 하는 진공백 성형 공정에 비해 성형 비용이 저렴하고 공정이 간단합니다.

또한, 이 공정은 수작업 공정에 비해 섬유 함량이 높아 내부 결함이 발생할 가능성이 적습니다.

Fig. 6. Schematic of Hand Lay-up process

시험편 제작 및 물성치 산정

시험편 제작

물성치 산정

따라서 선행연구에서 개발된 수동부설 방식의 무인잠수체는 시뮬레이션에 의한 구조해석값과 실제 압력시험에 의한 실험값 사이에 큰 차이가 있을 가능성이 있다고 판단된다. 또한, 성형과정에서 발생하는 기포는 무인잠수체 선체의 기계적 성질을 저하시킬 것으로 예상된다.

Table 9. Mechanical properties of metal specimens [7]

CFD 유동 해석을 통한 최적 선체 모델의 선정

무인 잠수정 설계 및 해석

무인 잠수정의 선체 설계

또한, GFRP는 기존 소재에 비해 상당한 중량 절감 효과도 기대할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 FRP 소재를 활용한 무인잠수함을 제작할 경우 기존 소재를 활용한 잠수함 대비 약 2배 정도의 추가 임무수행 장비가 장착될 것으로 예상할 수 있다. 표 12에서 확인된 경량화 효과를 고려하면, 오토클레이브 진공 백 주조법이나 VaRTM 주조법으로 CFRP 소재를 사용하여 제작한 무인 수중선은 기존 금속 소재를 사용하여 제작한 무인 수중선에 비하여 상당한 소재적 이점을 갖는다. 무인잠수정용 소재 및 공정.

또한, FRP는 금속에 비해 수리가 덜 필요하고 치수안정성이 있는 소재입니다. 그러나 이 소재는 습기 등 외부 환경에 약하고 가격 경쟁력이 떨어진다는 단점이 있다. 여기서 가격경쟁력은 무인잠수함이 군사적 목적, 수중탐사 등 최고의 성능을 발휘해야 하는 임무용으로 소재를 사용하는 것에 대한 명분이라고 할 수 있다.

그러나 수분 등 외부 환경에 취약한 섬유강화 복합재료의 특성은 수중임무를 수행하는 무인잠수체 소재로서 치명적인 약점이 될 수 있어 소재에 대한 내구성 검증이 필요하다.

Table 12. Weights of various types of AUV pressure vessels Specimen name Weights of pressure vessel

흡습에 의한 영향 고찰

시험 조건

시험 결과

성형 방식에 관한 고찰

이 섹션에서는 이러한 두 가지 복합 무인 수중 차량의 프로세스를 설계합니다. 먼저, 복합 무인잠수정을 성형하기 위한 금형을 제작하기 위해 핸드레이잉 공정을 적용한다. 제작된 금형에 대한 오토클레이브 진공백 주조 공정과 VaRTM 주조 공정.

첫 번째 공정인 오토클레이브 성형을 이용한 무인잠수정 성형의 복합공정은 Fig. 두 번째 공정인 VaRTM 공정을 이용하여 무인잠수정을 형성하는 복합 공정을 그림 3에 나타내었다. AUV 생산을 위한 VaRTM 공정 개략도 위에서 설명한 오토클레이브 진공백 성형 공정과 VaRTM 성형 공정을 적용하여 상부 및 하부 선체 2쌍을 제작한다.

복합 무인잠수정은 지금까지 설명한 두 가지 공정 설계를 바탕으로 제작할 계획이다.

Fig. 23. Lay-up process of vacuum bag molding process by prepreg materials

결론

따라서 본 소재는 무인잠수체용 소재로서 수중임무 중 수분흡수 영향으로부터 안전하다고 판단된다. 향후에는 CFRP-오토클레이브 소재 성형공정과 CFRP-VaRTM 소재 성형공정을 적용하여 무인잠수함 선체를 제작할 예정이며, 본 연구를 통해 그 가능성을 확인하였다. 또한 제작된 무인잠수정에 대한 압력시험을 실시하고, 시뮬레이션을 통한 구조해석 결과와 비교·수정할 계획이다.

34;A Study on the results of the Pressure Vessel Design, Structure Analysis and Pressure Test of the Semi-Autonomous Underwater Vehicle (SAUV)", KSOE, Vol. for measuring the technical properties of fibre-reinforced plastics", Defense Evaluation and Research Agency (UK), Technical Report, 88012.

34;Comparison of the fatigue behavior of FRP bridge decks and conventional reinforced concrete decks under extreme conditions.