본 연구에서는 앞서 분석한 상용화 제품에 대해 분석한 내용을 토대로 수소저장용기 고정 장치의 강도 해석을 수행하기 위해 상용 구조 해석 프로그램인 ABAQUS를 활용하여 유한요소 해석 모델링을 수행하였다. 이때 고정부 및 이동부의 하단 볼트 체결력과 고정 시의 영향을 고려하고자 하단 고정판을 추가 모델링하여 하단 고정판의 각 side surface에 6 degree of freedom (DOF) fix 조건을 부여하였다. 또한 수소저장용기의 축 방향 하중 부여 시 수소저장용기의 이동으로 인한 돔 부와 하단 고정판의 충격 발생 조건을 고려하고 해석 시간을 감소하고자 실린더부를 제외시킴으로써 돔 파트의 라이너(liner), 노즐 보스(nozzle boss), 복합재료부(composite)를 모델링한 후, kinematic coupling을 활용하여 고정부와 이동부의 돔 파트를 연결하여 전체 유한요소 해석 모델을 Fig. 3과 같이 구성하였다. 고정부 모델의 요소 타입(element type)은 solid 요소인 C3D8을 사용하였으며 노드와 요소의 개수는 각각 142,163개, 117,246개로 구성하였다. 이동부 모델의 요소 타입은 고정부와 동일하게 solid 요소인 C3D8을 사용하였으며 노드와 요소의 개수는 각각 146,699개, 123,066개로 구성하였다. 이후 유한요소 해석을 위해 파트별 물성을 부여하였으며 이는 Table 1에 나타내었다.

Fig. 3. 
Full FE model of neck mount block (a), FE model of neck mount block for reduced analysis time (b)

본 연구에서는 앞서 구축된 강도 해석 프로세스를 토대로 차량 방향별 하중에 따른 고정부 및 이동부의 취약부를 파악하고 개선 설계를 하고자 하였다. 이를 위해 Fig. 7과 같이 고정 장치의 너비(1번, width), 높이(2번, height), 두께(3번, thickness)를 설계 변수로 선정하였고 구조 해석의 시간을 단축시키기 위해 고정부와 이동부 모두 몸체부만 구성하였으며 하단 고정을 위해 하단부 2개의 볼트 체결면을 6 DOF fix 조건을 부여하여 설계 변수별 영향 분석용 모델을 재구축하였다. 이를 토대로 설계 변수별 1 mm부터 5 mm까지의 길이 증가에 따른 영향을 분석하였다.

Fig. 7. 
Design factor of neck mount block

설계 변수별 강도 해석 결과를 통해 고정 장치의 고정부와 이동부의 너비와 높이가 증가할수록 응력이 증가하나 두께가 증가할수록 응력이 감소하는 것을 확인하였다. 이는 고정부와 이동부의 너비와 높이가 증가할 경우 휨 모멘트량이 커지게 되며 이에 따라 변형과 응력이 증가한다는 것을 판단하였다. 또한 고정부의 두께가 증가할 경우 초기에는 이동부 상하단 몸체부에 대비하여 방향별 하중을 지지하기 위한 상하좌우의 면적이 비대칭적이기에 때문에 두께가 부족한 부분에서 국부적인 응력이 발생함에 따라 일시적으로 응력이 증가하였으나 이후에는 고정부와 이동부 모두 상하좌우 면적이 대칭 구조를 가지기에 응력이 감소된다고 판단하였다. 이때 고정부 및 이동부 모두 차량의 lateral 및 vertical 방향 대비 longitudinal 방향에서 더 큰 응력을 발생한다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 lateral 및 vertical 방향의 경우 수소저장용기에 거동에 따른 영향을 고정부와 이동부가 함께 분담함으로써 변형이 더 적게 발생하는 것을 확인하였다. Longitudinal 방향의 경우 이동부는 아세탈 소재로 용기의 상하좌우 거동을 허용하지만 고정부는 노즐 보스를 체결하기에 고정부만 거동에 따른 영향을 받음에 따라 응력이 크게 발한다고 판단하였다. 설계 변수에 따른 고정 장치의 고정부 및 이동부의 강도 해석 결과는 Figs. 8, 9와 같다.

Fig. 8. 
Strength analysis results of fixed part by design factor

Fig. 9. 
Strength analysis results of sliding part by design factor

본 연구에서는 앞선 기본 모델에 대한 강도 및 강성 해석 결과와 설계 변수별 강도 해석 결과를 토대로 Figs. 10, 11과 같은 모델을 개선 설계를 진행하였다. 개선 설계의 경우 앞서 언급된 휨 모멘트량을 감소시키기 위해 고정부 및 이동부의 상단 몸체부와 중앙 볼트의 길이를 감소시켜 설계하였다.

Fig. 10. 
FE model of improvement fixed part for hydrogen storage vessel

Fig. 11. 
FE model of improvement sliding part for hydrogen storage vessel

기존 모델과의 강도 비교를 수행하기에 앞서 가장 영향이 큰 longitudinal direction의 하중에 대해서만 강도 해석을 수행하였다. 개선 설계 모델의 강도 해석 접촉 조건의 경우 기존 모델의 접촉 조건 및 하중 조건과 동일하게 부여하여 강도 해석을 수행하였다. 해석 결과 최대 응력인 232.5 MPa (고정부) 및 228.1 MPa (이동부)이 발생한 것을 확인하였으며 Table 5와 같이 기존 모델 대비 각각 8.47% 및 18.63%의 응력이 감소한 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해 고정부 및 이동부 모두 앞서 언급한 높이를 감소시킴으로써 휨 모멘트량이 감소하게 되었고 이에 변화량과 응력이 감소한다는 것을 판단할 수 있었다. 또한 이동부는 상단부와 하단부 간의 이격이 있음에 따라 볼트 체결 시 하단부 및 상단부가 변형될 수 있게 되었고 이에 응력이 감소한다는 것을 판단할 수 있었다. 개선 모델에 대한 강도 해석 결과는 Figs. 12, 13과 같다.

Fig. 12. 
Strength analysis result of improvement neck mount block model (fixed part)

Fig. 13. 
Strength analysis result of improvement neck mount block model (sliding part)

강도 해석 이후 개선 설계 모델에 대한 강성을 비교 분석하기 위해 고유진동수 해석을 수행하였다. 경계 조건의 경우 앞서 수행된 해석과 동일하게 부여하여 고유진동수 해석을 수행하였으며 해석 시간 단축용 개선 설계 모델의 질량과 기본 모델과의 질량 차이는 Table 6과 같다.

각 모델의 고유진동수 해석 결과 Table 7과 같이 고정부 및 이동부의 개선 설계 모델에 대한 1차부터 3차 모드까지의 해석 결과를 확인할 수 있었다. 고정부의 경우 1차부터 3차 모드까지의 결과가 모두 향상되었으나 이동부의 경우 2차 및 3차 모드 결과가 저하된 것을 확인하였다. 이는 상단부와 하단부 간의 이격이 있음에 따라 볼트의 변형량이 커지기 때문에 결과가 저하된 것이라고 판단할 수 있었다. 그러나 구조물이 하중을 받았을 때 가장 쉽게 변형될 수 있고 취약한 모드인 1차 모드가 향상되었기에 개선 모델의 강성이 향상되었다고 판단하였다.