층별 변위장 이론을 이용한 복합재료 원뿔형 쉘 구조물의 열 좌굴 후 거동 해석

Abstract

고속으로 비행하는 항공기의 동체와 날개, 로켓 및 발사체 등에서 사용되는 쉘 구조물의 경우 공력가열이나 태양열 복사에너지에 의한 열하중을 받으며, 재진입체는 극한 열하중을 받는다. 열하중은 구조물의 정적 및 동적 안정성을 결정하는 중요한 외부 하중이며, 열하중에 의한 과도한 구조물의 변형은 항공기 유동 흐름을 방해하고 구조물의 국부적인 열탄성학적 불안정을 유도하여 구조물의 성능을 저하시키는 열 좌굴을 유발한다. 따라서 열하중을 받는 원뿔형 복합적층 쉘 구조물의 임계 좌굴 온도를 예측하고, 기하학적 형상에 따른 열탄성학적 특성을 이해하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 복합재료 원뿔형 쉘 구조물에 대한 열 좌굴 후 거동 해석을 수행하였다. 층별 변위장 이론을 기초로 하여 원뿔형 쉘 구조물을 모델링 하였으며, 열 대변형을 고려하기 위해 Donnell의 이론이 적용된von-Karman의 비선형 변위-변형률 관계식을 이용하였다. 또한, 스냅핑과 같은 불안정 좌굴 거동을 해석하기 위해, 비선형 정적 운동 방정식에 호길이법을 이용한 뉴튼-랩슨 반복법을 적용하였다. 반 원뿔각이 임계 좌굴 온도에 미치는 영향을 기존의 연구 결과와 비교하였으며, 반 원뿔각, 내재각, 두께, 곡률이 열 좌굴 후 거동 특성에 미치는 영향을 고찰하였다.