[논문]착륙장치 기구학 해석을 위한 해영역 특성분석 연구

안석민; 최선우; 박일경; 권태희

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안석민 (항공세부계통그룹) , 최선우 (항공세부계통그룹) , 박일경 (항공세부계통그룹) , 권태희 (항공세부계통그룹)

4절 링크장치는 인입식 착륙장치를 가장 간단하게 기구학적으로 모사한 모델이다. 4절 링크의 설계 및 해석은 상용프로그램에서 제공하는 기구학 해석 및 시뮬레이션 기능을 이용하는 것이 일반인 방법이다. 그러나 해석적 방법은 많은 반복시도를 하여야 유용한 해를 구할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 합성설계(Synthesis) 기법을 사용한다. 합성설계기법은 해석적 방법보다 반복시도를 많이 줄여 주지만 최적해를 보장할 수는 없다. 최적의 해를 얻기 위해 기존의 합성설계방법에 최적화 기법을 적용하여 해를 찾을 수 있다. 이 연구에서는 최적화 기법을 적용할 때 필요한 해영역의 특성을 분석하였다.

The 4-bar linkage is the simplest model for the simulation of a retractable landing gear. In general, a designer uses a commercial software to design a linkage, which requires tedious iterations to obtain a good solution. By applying synthesis methodology the iteration process can be reduced remarkably. However, most of solutions obtained using synthesis process may not be an optimized solution. In this study, the characteristics of the optimization solution domain has been analyzed so that an optimization process can be adapted easily to a synthesis process.

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문제 정의

최적의 해룰 얻기 위해 기존의 합성설계방법에 최적화 기법을 적용하여 해를 찾을 수 있다. 최적화 기법을 적용하는 일반적인 방법에서 해영역 (Solution Domain)의 특성을 미리 파악하는것이 중요하며 본 연구에서는 이에 대한 분석방법 및 그 결과를 도출하였다.

제안 방법

즉, 한 형상에 대하여 108개의 4절 링크장치가 생성하였다. 각 4 절 링크장치의 그라쇼프 기준에 대한 분석, 전달각도 및 링크 길이비 (Link Length Ratio) 등에대한 분석을 실시하였다.
형상을 선택하였다. 각 형상에 대하여 P2 와 03의 범위를 0도에서 360도까지 3.6도 간격으로 전범위 탐색을 실시하였다. 즉, 한 형상에 대하여 108개의 4절 링크장치가 생성하였다.
기존에 사용된 11개의 링크기구 형상의 해영역에 대하여, 링크장치의 특성을 구분하는 그라쇼프 기준, 최소 전달각, 링크 길이비에 대한 통계적 분석을 실시하였다.
이번 연구에서는, 해영역이 열려있는 평면점의좌표 대신, 해영역이 0도에서 360까지로 유한영역 인 02와 03를 변수로 택하였다.

대상 데이터

실용적인 문제에 적용하기 위하여 실제 설계되었던 링크장치 [6] 에서 임의로 11개의 4절 링크장치 형상을 선택하였다. 각 형상에 대하여 P2 와 03의 범위를 0도에서 360도까지 3.
6도 간격으로 전범위 탐색을 실시하였다. 즉, 한 형상에 대하여 108개의 4절 링크장치가 생성하였다. 각 4 절 링크장치의 그라쇼프 기준에 대한 분석, 전달각도 및 링크 길이비 (Link Length Ratio) 등에대한 분석을 실시하였다.

이론/모형

그러나 합성설계를 통해 얻어지는해 역시 가용한 해일 뿐 최적의 해는 아니다. 최적의 해룰 얻기 위해 기존의 합성설계방법에 최적화 기법을 적용하여 해를 찾을 수 있다. 최적화 기법을 적용하는 일반적인 방법에서 해영역 (Solution Domain)의 특성을 미리 파악하는것이 중요하며 본 연구에서는 이에 대한 분석방법 및 그 결과를 도출하였다.

성능/효과

한 개의 임의변수를 가지고 적절한 답을 찾는 것은 매우 어려운 일이다. 4 무오차점 합성설계의해영역에 대한 특성을 본 연구와 동일한 방법으로 분석한 결과, 사용가능한 해가 전체의 해영역의 0.1% 밖에 되지 않는 것으로 밝혀졌다. 유용한 해가 적기 때문에 일반적인 최적화 기법으로는 초기 해에서 크게 개선되는 최적해를 구하기가 어렵다.
Crank-Crank와 Crank-Rocker에 대하여 최소전달각에 대한 분석도 이루어졌는데, 통상 최소전달각은 30도 이상이 권장되며 이에 해당하는해가 약 40% 정도 되었다 (그림 13). 최소 전달각이 너무 작으면 인입용 작동기의 용량이 커져야 하므로 이 또한 최적화 과정에 고려해야 할변수가 될 수 있다.
그라쇼프 기준으로 설계자들이 선호하는, 입력링크가 회전하는 Crank-Crank 또는 CrankRocker 링크 장치가 약 23%로, 그라쇼프 기준에대하여는 해영역의 특성이 상당히 좋은 것으로나타났다 (그림 12).
총 11x108개의 4절 링크를 분석한 결과, 약 10% 만이 문제없이 사용가능한 것으로 밝혀졌다 (그림 10). 서킷 변환 [9] 문제가 있는 기구들은 3개의 무오차점을 연속적으로 지날 수 없기 때문에 사용할 수가 없다.

후속연구

만약 대부분의 해가 링크장치로 사용할 수 없는 서킷변환과 같은 결함을 가지고 있다면, 최적화 과정에서는, 사용가능한 초기 추정 값을 구하는 것이 큰 과제가 될 것이다. 만약, 이러한 문제가 없고 아래에 기술된 링크길이비 등이 바람직하지 않은 영역에 초기 추정 값이 주어졌다면, 최적화과정에서는 최적화 기법을 이용하여 이 초기 추정 값이 바람직한 영역에 들어가도록 유도할 수 있을 것이다.
이 연구에서는 피봇점(Pivot)만을 갖는 링크기구 형상에 대한 해영역의 특성을 분석하였으나, 향후 피봇점 링크가 아닌 슬라이더 링크를 갖는 4절 이상를 고려한 연구가 필요하다. 슬라이더링크가 적용되는 경우, 작동기가 입력링크를 회전시키는 데 사용하는 드라이빙 링크 형태로 모델링이 가능하다면, 슬라이딩 링크를 별도로 고려한 통상적인 4절 링크의 합성설계의 기법과 최적화 기법을 적용하여 설계를 할 수 있을 것이다.
이러한 통계는 향후 착륙장치의 설계 뿐 아니라 4절기구의 설계를 위한 최적화 기법의 적용 시 초기값을 구하는데 유용하게 사용할 수 있을 것이다.

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