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문제 정의
- 무 및 체결 홈의 깊이가 다른 경우로, 설계 1은 초기 설계이며, 설계 2, 3이 개선된 설계에 해당한다. 여기서 개선된 설계는 사전에 몇 가지 다른 개념으로 설계수정 및 해석을 수행하여 보고 가장 효과적인 개선 방향이라고 판단된 것을 제시한 것이다. 사전에 검토 해 본 설계 수정 방향은 ①일부 취약부위 국부 보강, ② 기본 구조 크기 증가, ③접촉면적의 증가의 세 가지로 수행해 보았는데, 위의 설계 개선이 바로 ③번에 해당하는 설계 변경이다.
제안 방법
- (1) 3단형 과학 로켓의 날개-동체 조인트에 대해 접촉을 고려한 비선형 구조 해석을 수행하였으며, 해석적인 검증과 함께 개선된 설계를 제시하였다.
- 효과적으로 사용될 수 있다. Gap 요소의 정의를 위해 축방향 강성 및 마찰을 고려한 전단 강성의 입력이 필요한데, 본 해석에서는 전단강성은 무시하였다. 축방향 강성은 Gap 요소가 Open된 경우와 Closed된 경우의 상이한 두 값이 필요하며, 이것이 접촉문제에서 비선형 해석이 필요한 이유이다.
- 날개의 경우, 동체와 체결되는 부분은 고체 요소로 바깥쪽 부분은 Beam요소로 간략히 모델링 하였다.
- 고려한 모델링을 수행하였다. 먼저, 날개 체결 부와 프레임의 체결면 사이의 하중전달을 위해두 면의 대응되는 두 점을 연결하도록 GAP 요소를 사용하였다. 볼트를 통한 하중 전달은 좀 더 복잡하며, 볼트와 프레임, 볼트와 날개 체결부의 상호 접촉을 모두 고려하도록 하였다.
- 이러한 조인트 구조의 해석은 연결 구조물 및 체결 볼트 사이의 하중 전달을 잘 묘사할 수 있도록 하는 것이 결과의 정확도를 결정하는 중요한 요소이다. 본 연구에서는 조인트 구조물 간의 접촉을 고려한 구조 모델링을 수행하고, 이에 대해 비선형 해석을 수행하였다. 해석은 초기 설계와 개선된 2가지의 설계에 대해 수행하였으며, 이를 통해 본 조인트 설계 개념의 이점을 효과적으로 이용할 수 있는 설계를 제시하였다.
- 본 유한요소모델에서는 앞서 설명한 두 가지 하중 전달 경로를 정확히 묘사할 수 있도록 접촉을 고려한 모델링을 수행하였다. 먼저, 날개 체결 부와 프레임의 체결면 사이의 하중전달을 위해두 면의 대응되는 두 점을 연결하도록 GAP 요소를 사용하였다.
- 이를 위해 볼트의 중간부분을 여러 개의 Beam 요소로, 양쪽 끝단의 볼트 머리를 원판(Disk) 모양을 이루는 쉘 요소들로 모델링 하였으며, 볼트와 볼트 구멍 내면을 연결하는 GAP 요소를 이용하여 볼트와 인접 구조와의 접촉을 통한 하중 전달을 고려할 수 있도록 하였다. 볼트 머리와 주변 구조물 간의 연결은 같은 절점을 공유하도록 하여 연속된 구조물로 모델링 하였다. 이것은 여기에도 Gap 요소를 사용할 경우, 비선형 해석의 수렴성이 나빠지기 때문이다.
- 먼저, 날개 체결 부와 프레임의 체결면 사이의 하중전달을 위해두 면의 대응되는 두 점을 연결하도록 GAP 요소를 사용하였다. 볼트를 통한 하중 전달은 좀 더 복잡하며, 볼트와 프레임, 볼트와 날개 체결부의 상호 접촉을 모두 고려하도록 하였다. 이를 위해 볼트의 중간부분을 여러 개의 Beam 요소로, 양쪽 끝단의 볼트 머리를 원판(Disk) 모양을 이루는 쉘 요소들로 모델링 하였으며, 볼트와 볼트 구멍 내면을 연결하는 GAP 요소를 이용하여 볼트와 인접 구조와의 접촉을 통한 하중 전달을 고려할 수 있도록 하였다.
- 세 가지 설계 후보에 대한 해석 결과를 통해 설계 3을 최종 설계로 선정하였으며 이를 바탕으로 시제품을 제작하여 구조 시험을 수행하였다. 구조 시험은 후방 동체 및 날개가 조립된 상태에서 그림 12와 같은 시험 장치를 이용해 수행하였다.
- 앞서 제시한 세 가지 후보 설계에 대해 비선형해석 결과를 비교 검토하였다. 변형은 세 가지 설계에서 비슷한 경향으로 나타났으며, 접촉이 발생하는 조인트의 상세 변형은 그림 5와 같다.
- 볼트를 통한 하중 전달은 좀 더 복잡하며, 볼트와 프레임, 볼트와 날개 체결부의 상호 접촉을 모두 고려하도록 하였다. 이를 위해 볼트의 중간부분을 여러 개의 Beam 요소로, 양쪽 끝단의 볼트 머리를 원판(Disk) 모양을 이루는 쉘 요소들로 모델링 하였으며, 볼트와 볼트 구멍 내면을 연결하는 GAP 요소를 이용하여 볼트와 인접 구조와의 접촉을 통한 하중 전달을 고려할 수 있도록 하였다. 볼트 머리와 주변 구조물 간의 연결은 같은 절점을 공유하도록 하여 연속된 구조물로 모델링 하였다.
- 전체 유한요소 모델은 대칭 조건을 이용해 그림 2와 같이 절반만을 모델링 하였다. 해석에서 관심 있는 부분은 동체와 날개가 체결되는 부분이므로 조인트 부분은 자세히 모델링 하되, 동체 및 날개의 나머지 부분은 해석 결과의 정확도를 해치지 않는 범위 내에서 간략화 하였다.
- 해석은 상용 프로그램인 MSC/NASTRAN을이용해 비선형 해석을 수행하였으며, 이를 통해, 하중에 따른 접촉영역의 변화 및 구조물의 기하학적 비선형도 고려하였다.
- 본 연구에서는 조인트 구조물 간의 접촉을 고려한 구조 모델링을 수행하고, 이에 대해 비선형 해석을 수행하였다. 해석은 초기 설계와 개선된 2가지의 설계에 대해 수행하였으며, 이를 통해 본 조인트 설계 개념의 이점을 효과적으로 이용할 수 있는 설계를 제시하였다. 최종설계에 대한 검증을 위해 구조 시험을 수행하였으며, 해석 및 시험 결과를 비교하였다.
- 해석을 위한 하중조건은 날개에 최대 양력이 작용하게 되는 천음속 조건을 기준으로 하였으며, 간략화된 날개의 끝단에 전단력 및 굽힘 모멘트를 부가하였다. 간략화된 날개는 실제 날개의 기하학적 형상과 상당한 차이가 있기 때문에 날개 하중을 그대로 부가할 수 없다.
- 즉, 하중 크기에 따라 접촉되는 영역이 달라지는데, 비선형 해석을 통해 평형 조건에 맞는 접촉 상태를 구하게 된다. 해석을 위해 사용된 Gap 요소의 초기 간격(Initial opening)은 시제품의 제작 및 조립 공차를 고려하여 설정하였다. 프레임과 날개 체결부간의 Gap 요소에서는 0.
대상 데이터
- 경계조건은 해석의 관심 부인 조인트에서 먼 지점인 스킨 끝단에 부가하였으며 대칭면에는 대칭조건을 부가하였다. 사용된 부재의 재료는 동체 프레임과 날개 구조는 Al 7075-T651, 동체 스킨은 Al 2024-T3이며, 볼트는 MS2006-34(지름 3/8"), MS20010-34(지름 5/8") 이다.
- 구조 모델에 사용된 요소는 동체에는 프레임, 스킨 및 프레임-스킨 연결 패스너를 각각 고체 (Solid), 쉘(Shell) 및 전단(Shear) 요소로 사용하였다. 날개의 경우, 동체와 체결되는 부분은 고체 요소로 바깥쪽 부분은 Beam요소로 간략히 모델링 하였다.
데이터처리
- 해석은 초기 설계와 개선된 2가지의 설계에 대해 수행하였으며, 이를 통해 본 조인트 설계 개념의 이점을 효과적으로 이용할 수 있는 설계를 제시하였다. 최종설계에 대한 검증을 위해 구조 시험을 수행하였으며, 해석 및 시험 결과를 비교하였다.
성능/효과
- (2) 본 연구에서 채택한 방식의 날개-동체 조인트 구조에서는 하중 전달이 면대면 접촉으로 이루어지도록 하므로 볼트하중을 최소화하며, 구조 안전성을 향상시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 이러한 효과를 극대화하기 위해서는 접촉면의 면적을 증가시키는 것이 효과적이었다.
- (3) 해석을 통해 제시된 개선된 설계의 구조적인 안전성이 구조시험을 통해 확인되었다. 시험 및 해석 결과가 비교적 잘 일치하였으며, 이를 통해, 본 해석에서 제시된 볼트 모델 및 GAP요소를 이용한 방법이 연결 구조물 및 체결 볼트 사이의 하중 전달을 비교적 잘 묘사할 수 있음을 확인하였다.
- 시험 및 해석 결과가 대체적으로 잘 일치함을 알 수 있다. 따라서 구조 시험을 통해 동체, 날개 및 조인트 구조가 강도 상 안전하며, 앞서의 해석 결과가 타당한 결과임을 확인하였다.
- 또한 이러한 효과를 극대화하기 위해서는 접촉면의 면적을 증가시키는 것이 효과적이었다.
- 세 가지 설계 후보에서의 조인트 부의 상세 응력 결과를 살펴보면, 응력 분포 및 최대 웅력이발생하는 지점은 대체적으로 비슷하게 나타나지만, 최대 크기는 상이하게 나타났다. 그림11은 설계 3에 대한 응력 분포 결과를 나타내는데, 체결 면에서 접촉이 발생하는 지점과 볼트 구멍 주위에서 국부적으로 높은 응력이 발생하는 것을 알 수 있다.
- 사실 해석을 통해 가장 취약할 것으로 예측된 홈의 바깥쪽 접촉면과 볼트 구멍 주위에는 공간적인 제약으로 그 정확한 위치에 게이지를 부착할 수 없었으므로 그 부근의 측정값을 참조할 수밖에 없었다. 시험 결과 전체 구조가 설계 극한 하중에서 안전한 것을 확인하였다. 변형률 결과는 그림 13의 A(접촉면근처), B(구멍 주위), C(프레임 홈 뒤쪽면)에서 가장 큰 값이 발생하였으며, 이것은 게이지가 부착된 위치만을 고려할 때 해석 결과와도 일치하는 결과이다.
- A, B, C 지점에서의 변형률 측정치를해석치와 그림 14에서 비교하였다. 시험 및 해석 결과가 대체적으로 잘 일치함을 알 수 있다. 따라서 구조 시험을 통해 동체, 날개 및 조인트 구조가 강도 상 안전하며, 앞서의 해석 결과가 타당한 결과임을 확인하였다.
- 시험 및 해석 결과가 비교적 잘 일치하였으며, 이를 통해, 본 해석에서 제시된 볼트 모델 및 GAP요소를 이용한 방법이 연결 구조물 및 체결 볼트 사이의 하중 전달을 비교적 잘 묘사할 수 있음을 확인하였다.
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