This study analyzes the effect of the stacking sequence of a carbon fiber reinforced polymer (CFRP) pressure vessel cylinder on impact damage and residual burst pressure. To achieve this, finite element analysis (FEA) incorporating a continuum damage mechanics (CDM)-based damage model was conducted to evaluate the impact behavior, damage patterns, and burst pressure of the cylinder under different impact energy levels. The results indicate that the impact behavior and damage characteristics vary significantly depending on the stacking sequence of the composite material. Under a 30 J impact, the BM’s residual burst pressure dropped from 34.6 MPa to 24.2 MPa (-30.1%), whereas the cross-ply models M1 and M4 fell only to 30.2 MPa (-12.5%) and 33.2 MPa (-3.5%), respectively. When hoop and helical layers are alternately stacked, delamination damage increases internally. However, the dispersion of impact energy effectively suppresses fiber damage in the hoop layers, preventing a significant reduction in burst pressure.

본 연구에서는 탄소섬유 강화 복합재료(Carbon Fiber Reinforced Polymer, CFRP) 압력용기 실린더의 적층 순서가 충격 손상 및 잔류 파열압력에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 연속체 손상역학(Continuum Damage Mechanics, CDM) 기반의 손상 모델을 적용한 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 수행하여, 충격 에너지에 따른 실린더의 충격 거동, 손상 양상 및 파열압력을 평가하였다. 분석 결과, 적층 순서 변화만으로도 충격 거동과 손상 양상이 크게 달라졌다. 30 J 충격 시 BM의 경우 잔류 파열압력이 34.6 MPa에서 24.2 MPa로 30.1% 감소한 반면, 교차 적층(M1, M4) 모델의 경우 각각 30.2 MPa(-12.5%)와 33.2 MPa(-3.5%)로 저하폭이 현저히 줄었다. 이는 후프층과 헬리컬층을 교차 배치할 경우 층간 분리가 다소 늘어나더라도 후프층 섬유 손상이 억제되어 파열압력의 급격한 저하는 방지되는 것을 확인하였다.

Keywords: 탄소섬유 강화 복합재료(Carbon fiber reinforced polymer, CFRP), 복합재료 압력용기(Composite pressure vessel), 충격 손상(Impact damage), 파열압력(Burst pressure), 적층 순서(Stacking sequence)