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문제 정의
- 좌굴에 대한 안정성 검토 결과는 상면 스킨 부위에서 좌굴에 국부적으로 취약한 것으로 확인 되었다. 따라서 좌굴 안정성을 확보한 보완 설계 변경과 경량화 설계의 필요성을 확인하였다.
- 2톤급 소형 위그선의 개발을 바탕으로 20인승급 및 유상하중 100톤에 이르는 대형위그선 개발 연구가 진행 중이다[2]. 본 연구에서는 20인승급 소형 위그선의 주익과 수평 미익의 구조 설계 및 해석에 관한 연구를 수행하였다. 구조 형태는 스킨-스파-폼 샌드위치 구조를 채택하여 주 재질은 카본/에폭시 (Carbon/Epoxy) 복합재료를 적용하였다.
- 본 연구에서는 차세대 해상 운송 체계로 주목받고 있는 20인승급 소형 위그선의 주익 및 수평미익에 대한 경량화 구조 개념 설계 및 해석을 수행하였다. 기본 구조 형태는 스킨-스파 형태를 채택하였으며, 날개 상하면에는 좌굴 강도를 현저하게 개선시키고 높은 진동 감쇠 효과를 갖도록 폼 샌드위치 구조 형태를 적용하였다.
제안 방법
- 2차 설계 개선안으로 주익 끝 부위 형상이 변화하는 지점에서부터 리브를 단계적으로 추가해가며 설계 변경하였다. 리브를 추가하여 구조 안정성 검토 결과 리브 추가 부위는 좌굴이 개선되나 좌굴 부위가 국부적으로 변화함에 따라 단계적으로 리브를 추가 하였다.
- 3차 설계 개선에서는 경량화 설계에 주안점을 두었다. 초과 중량 감소를 위하여 응력 크기에 따른 적층수를 변화시키고 좌굴 강도 개선과 경량화를 동시에 만족시키기 위하여 리브를 없애고 우레탄 폼 샌드위치 구조를 날개 상하면 스킨 부위와 스파 웹 부위에 적용하였다.
- 정의하였다. 경량화 구조 설계 개념은 복합재료 설계 개념을 적용하여 단순 및 혼합 설계 방법을 이용하여 주익 및 수평 미익의 스파 플랜지 및 스파 웹의 구조 개념 설계를 수행하였다. 주 굽힘 하중은 전후방 스파 플랜지가 담당하고, 스킨과 스파 웹이 전단 하중을 담당하도록 설계하였다.
- 공력중심 부위에 I 형태의 전방 스파를 적용하였으며 조종 면 연결 부위에 채널(匸)형 스파를 적용하였다. 구조 설계 이론은 앞서 언급한 단순 설계 방법과 혼합 설계 방법을 사용하여 주익의 설계 개념과 유사한 방법으로 설계를 수행하였다.
- 공력중심 부위에 I 형태의 전방 스파를 적용하였으며 조종 면 연결 부위에 채널(匸)형 스파를 적용하였다. 구조 설계 이론은 앞서 언급한 단순 설계 방법과 혼합 설계 방법을 사용하여 주익의 설계 개념과 유사한 방법으로 설계를 수행하였다.
- 구조 설계 하중은 비행 최대 속도에서 주익의 양력, 수평 미익의 양력, 관성 하중을 고려하여 위그선 전체 하중을 정의하였다.
- 48로 확인 되었으나 동적 하중을 고려하고, 강구조물의 피로 제한 응력을 고려하여 일반적인 항공기 피로 수명인 20년을 만족하기 위해 전방 스파에는 4개, 후방 스파에는 2개로서 총 6개의 삽입 볼트를 결정하였다. 그 후 주익의 구조 설계 변경으로 인해 최종 설계 방안을 3개 스파 구조 형태로 결정함에 따라 보다 더 안전성을 확보하기 위해 중앙스파 뿌리 부위에도 2개의 볼트를 추가하여 최종전방 스파에 4개, 중앙 및 후방 스파에 각각 2개씩 총 8개의 볼트를 확정하였다. Fig.
- 기본 구조 형태는 스킨-스파 형태를 채택하였으며, 날개 상하면에는 좌굴 강도를 현저하게 개선시키고 높은 진동 감쇠 효과를 갖도록 폼 샌드위치 구조 형태를 적용하였다. 스파의형태는 전방 스파는 I형 보 형태를 선정하였으며 후방 스파는 조종면의 용이한 연결을 위하여 채널(匸)형태를 채택하였다.
- 것으로 확인되었다. 따라서 중간 스파를 추가하고 스파 웹과 주익 상하면 스킨 부위에 폼 샌드위치 구조를 적용하여 구조 안정성을 확보하였다. 설계 변경을 통해 최종 수정 설계 결과는 설계 요구 조건을 만족하며, 동체와 연결 부위 볼트는 피로 요구 수명이 최소 20년을 만족하도록 설계 확정하였다.
- 설계 변경하였다. 리브를 추가하여 구조 안정성 검토 결과 리브 추가 부위는 좌굴이 개선되나 좌굴 부위가 국부적으로 변화함에 따라 단계적으로 리브를 추가 하였다. 개선 설계 결과에 대한 구조 해석 결과 강도는 충분히 만족하며 좌굴 하중 배수 또한 0.
- 0。방향 섬유의 적층 두께를 결정하고, (2)식을 이용 스파 웹(web)의 ±45° 두께를 결정하여 구조 설계를 수행하였다[4, 5]. 설계 기준 강도는 스파 형태가 앵글 부재 형태이므로 크리플링 (crippling) 좌굴로부터 안전율을 고려한 압축 좌굴 허용 강도를 기준으로 설계하였다[5].
- 본 연구에서 주익의 하중은 스팬 방향으로 20개 구획으로 분할하여 자중에 의한 관성 하중을 고려하여 계산하였다. 계산된 최대 구조 하중에 안전율 1.
- 주 굽힘 하중은 전후방 스파 플랜지가 담당하고, 스킨과 스파 웹이 전단 하중을 담당하도록 설계하였다. 상세 설계 및 구조 안전성 및 안정성 검토를 위해 유한 요소 해석을 수행하여 단계적으로 설계 변경하였다.
- 설계 개선 후 [±45°, 0°, 90°, 0°, ±45', 0°]s 로 스파의 적층을 수정하였고, 스킨에는 주익 스킨 부위와 동일하게 15mm 두께의 폼을 적용해 [+45°, 0°, 90°, Foam, 90°, 0', +45'] 형태로 적층을 결정하였다. 응력 해석 결과는 스킨에서 최대 압축응력이 52.
- 초기 구조 설계는 복합재료 설계 개념 중 하중 방향으로 적충된 섬유만이 하중을 담당하는 단순설계 방법 (netting rule)의 (1)식을 이용해 스파플랜지(flange) 0。방향 섬유의 적층 두께를 결정하고, (2)식을 이용 스파 웹(web)의 ±45° 두께를 결정하여 구조 설계를 수행하였다[4, 5]. 설계 기준 강도는 스파 형태가 앵글 부재 형태이므로 크리플링 (crippling) 좌굴로부터 안전율을 고려한 압축 좌굴 허용 강도를 기준으로 설계하였다[5].
- 조종 면의 구조 설계 하중은 조정면 길이 방향으로 20 개 구획으로 분할하여 정의하였다. 설계 하중은에일러론의 하중이 엘리베이터 하중보다 크기 때문에 에일러론의 하중을 기준으로 스파 및 스킨의 설계를 수행하였다. 초기 설계 결과는 스킨과스파를 동일하게 [+450°, 90의s 로 적층 형태를 결정하였다.
- 소형 위그선의 설계 요구 조건과 공력 설계하중 및 공력 설계 결과 분석을 통해 주익 및 수평 미익의 구조 설계 하중을 정의하고, 구조물에 적용될 복합재료의 기계적 물성치를 검토하여 카본-에폭시 복합재료를 선정하였다. 정의된 하중을 바탕으로 초기 구조 형태는 스킨-스파 구조 형태를 채택하여 복합재료 구조 설계 개념인 단순 설계 방법 (netting rule)과 혼합 설계 방법 (rule of mixture)을 적용하여 구조 설계를 수행하였다.
- 수평 미익도 전 후방 스파의 하중 분포에 따라 설계를 수행하였으며 주익 보다 단순화하여 날개 스팬 방향으로 세 구획으로 분할하여 설계 결과를 도출하였다.
- 수평 미익에 작용하는 하중은 정상 비가속 상태의 하중에 대칭 피칭 운동의 체크 기동 (checked maneuver) 가속도 운동 하중이 고려된 하중을 최대 하중으로 정의하였고, 주익과 동일하게 안전율 1.5를 고려한 하중을 설계 하중으로 정의하여 날개 스팬 방향 분포식을 이용하여 각 구획에 분포시켜 구조 설계를 수행하였다. 수평미익의 전단력 및 굽힙 모멘트 선도는 Fig.
- 수평 미익은 초기 설계 단계에서 주익 설계 경험을 바탕으로 스킨 부위에 폼 샌드위치 구조를 적용한 전후방 두 개의 스파 구조 형태를 채택하여 유한 요소 해석을 통해 경량화 설계를 진행하여 최종 구조 설계 결과는 구조 안전성 및 안정성을 확보한 설계 결과를 도출하였다. 수평미익의 최종 설계 결과의 총중량은 150kg으로 확인 되었다.
- 수평 미익의 설계는 주익의 설계 경험을 바탕으로 하여 유사한 구조 형상을 사용하였다. 공력중심 부위에 I 형태의 전방 스파를 적용하였으며 조종 면 연결 부위에 채널(匸)형 스파를 적용하였다.
- 수평 미익의 초기 설계 결과에 대해 구조 안전성 및 안정성 평가 결과 전후방 스파 사이 스킨 부위의 좌굴 취약 부위 좌굴 안정성을 확보하기 위해 주익의 최종 설계 방안을 적용하여 스킨과 스파 웹에 폼 샌드위치 구조를 적용하여 개선설계를 수행하였다. 스킨의 응력 해석 결과 최대압축 응력은 97.
- 혼합 설계 방법은 등가 탄성 계수를 이용하여 하중 방향과 다른 방향으로 적층된 섬유도 원래 강도의 10%가 하중 방향에 기여한다는 복합재료 경량화 설계 이론으로서 초기 설계 결과인 0° 방향의 섬 유에 ±45', 90 °방향으로 섬 유를 보완하여 최종 섬유의 적충수를 결정하였다. 스파 플랜지는 총 6개 구획으로 하중 분포에 따라 날개 스팬 방향으로 적층수를 결정하였으며 웹은 복합재료 제작의 용이성을 위하여 전 구획 동일한 두께를 적용하여 설계 하였다. Table 1에 적층 두께와적충 형태를 명시하였다.
- 기본 구조 형태는 스킨-스파 형태를 채택하였으며, 날개 상하면에는 좌굴 강도를 현저하게 개선시키고 높은 진동 감쇠 효과를 갖도록 폼 샌드위치 구조 형태를 적용하였다. 스파의형태는 전방 스파는 I형 보 형태를 선정하였으며 후방 스파는 조종면의 용이한 연결을 위하여 채널(匸)형태를 채택하였다. 구조 설계에 사용된 주재료는 항공기용 소재로 많이 적용되고 있는 비강도 및 비강성이 높은 특성을 지닌 카본-에폭시복합재료가 적용되었다.
- 선정하였다. 위그선의 운용 특성상 해수에 의한 부식을 고려하여 티타늄 재질을 선정하였으며, 정적해석을 통해 획득된 연결부위 응력으로부터 주응력과 허용 응력을 비교하여 M30 볼트를 채택하였다.
- 해석 모델은 복합재료 해석을 위하여 면(surface) 으로 모델링 하여 복합재료 요소 (element) 인 PCOMP 요소를 이용하여 격자(mesh)를 생성하였다. 유한 요소 모델의 경계 조건은 날개 뿌리 부위 고정 경계 조건을 사용하였고, 하중은 스파에 거리 비율로 분포하중으로 적용하였다[6].
- 대한 안정성을 검토하였다. 유한 요소 해석 결과를 분석하여 상세 구조 설계를 수행한 후 단계별 구조 설계 변경을 통해 최종 구조 형상을 확정하였으며 구조 중량에 대한 확인을 통하여 경량화 설계를 진행하였다.
- 전방, 중앙, 후방 스파의 적충수는 날개 뿌리부 위부터 끝 부위까지 6개 구획으로 분할하여 최대 굽힘 모멘트를 받는 뿌리 부위 스파 플랜지를 최대 두께로 설계하여 날개 길이 방향으로 적층 수를 줄여가며 적충 형태를 결정하였다. 각 구획 별 적층 두께와 적층 형태는 Table 3에 나타내었다.
- 조종면의 초기 설계 결과에 대한 구조 안전성 및 안정성 검토를 위하여 구조 해석을 수행한 결과 스파 부위 강도가 다소 취약하고 스킨 부위 상면에서 국부적으로 좌굴이 발생하여 스파 부위의 적충수를 증가시키고 스킨 부위에 주익과 유사하게 동일 재질의 폼을 적용하여 설계를 수정하였다.
- 경량화 구조 설계 개념은 복합재료 설계 개념을 적용하여 단순 및 혼합 설계 방법을 이용하여 주익 및 수평 미익의 스파 플랜지 및 스파 웹의 구조 개념 설계를 수행하였다. 주 굽힘 하중은 전후방 스파 플랜지가 담당하고, 스킨과 스파 웹이 전단 하중을 담당하도록 설계하였다. 상세 설계 및 구조 안전성 및 안정성 검토를 위해 유한 요소 해석을 수행하여 단계적으로 설계 변경하였다.
- 주익 스파 구조 형상은 복잡한 형상을 피하고 복합재료 적충 용이성을 고려하여 전방 스파는 I 형 보 형태를 채택하였고 후방 스파는 조종 면의 결합을 위하여 채널(匸)형태 구조를 선정하였다.
- 주익과 동체의 연결 부위는 날개 뿌리 부위스파를 보강하여 삽입 볼트 방안을 선정하였다. 위그선의 운용 특성상 해수에 의한 부식을 고려하여 티타늄 재질을 선정하였으며, 정적해석을 통해 획득된 연결부위 응력으로부터 주응력과 허용 응력을 비교하여 M30 볼트를 채택하였다.
- 주익과 수평 미익 초기 설계 결과에 대한 구조 해석 검토 결과를 바탕으로 단계적 설계 변경을 통해 개선 설계 결과를 도출하기로 확정하였다. 주익의 중량 초과를 개선하기 위한 경량화 설계 방안으로 적층수를 변경하고, 주익과 수평미익의 스킨 부위의 좌굴 취약 부위 개선을 위해 주익의 경우는 중간 스파를 추가 적용하고 주익 스킨, 수평 미익 스킨, 주익과 수평 미익 각각의스파 웹 부위에 우레탄 폼 샌드위치 (urethane foam sandwich) 구조 형상으로 설계를 수정하는 것으로 최종 설계 방안을 설정하였다.
- 주익과 수평 미익의 조종면은 연결 부위를 고려하여 후방 스파와 동일한 형태인 채널(匸)형스파 형태를 적용하였고, 좌굴 강도를 충족시키기 위하여 스킨 부위에 날개 스킨과 유사한 폼 샌드위치 구조 형태를 채택하였으며, 연결 부위는 러그 형태를 선정하여 구조 설계를 수행하였다.
- 5 를 고려하여 구조 설계 하중 (proof load)을 정의하였다. 주익의 상면에 엔진이 위치하므로 엔진 추력에 의한 하중은 엔진 제동 마력과 프로펠러 효율 관계식에 의해 계산하여 유한 요소 해석 단계에서 엔진 마운트 부위에 적용하여 구조 해석을 수행하였다. 주익의 각 구획 별 전단력 선도와 굽힘 모멘트 선도는 Fig.
- 주익의 조종면(aileron)과 수평 미익의 조종면 (elevator)은 주익 설계 방법과 유사한 방법으로 설계를 수행하였으며 연결 부위 형상을 고려하여채널(匸)형태 스파 구조 형태를 채택하였다. 조종 면의 구조 설계 하중은 조정면 길이 방향으로 20 개 구획으로 분할하여 정의하였다.
- 주익의 중량 초과를 개선하기 위한 경량화 설계 방안으로 적층수를 변경하고, 주익과 수평미익의 스킨 부위의 좌굴 취약 부위 개선을 위해 주익의 경우는 중간 스파를 추가 적용하고 주익 스킨, 수평 미익 스킨, 주익과 수평 미익 각각의스파 웹 부위에 우레탄 폼 샌드위치 (urethane foam sandwich) 구조 형상으로 설계를 수정하는 것으로 최종 설계 방안을 설정하였다.
- 주익의 하중은 시스템 설계 요구 조건인 하중 배수 2인 상태에서 최대 속도 비행 상태의 공력 하중을 주익 스팬 방향과 코드 방향으로 참고문헌[3]의 분포 하중 관계식에 의해 분포시켜 적용하였다. 본 연구에서 주익의 하중은 스팬 방향으로 20개 구획으로 분할하여 자중에 의한 관성 하중을 고려하여 계산하였다.
- 초과 중량 감소를 위하여 응력 크기에 따른 적층수를 변화시키고 좌굴 강도 개선과 경량화를 동시에 만족시키기 위하여 리브를 없애고 우레탄 폼 샌드위치 구조를 날개 상하면 스킨 부위와 스파 웹 부위에 적용하였다. 최종 개선 설계된 결과에 대한 유한 요소 해석 결과 구조 안전성, 좌굴 안정성 및 설계 요구 조건을 모두 만족하며 설계 목표 요구 중량보다 경량화 설계된 결과를 도출하였다.
- 초기 구조 설계 결과에 대한 구조 안전성 검토를 위해 유한 요소 해석을 이용한 선형 정적해석을 수행하였고, 좌굴 해석을 수행하여 좌굴에 대한 안정성을 검토하였다. 유한 요소 해석 결과를 분석하여 상세 구조 설계를 수행한 후 단계별 구조 설계 변경을 통해 최종 구조 형상을 확정하였으며 구조 중량에 대한 확인을 통하여 경량화 설계를 진행하였다.
- 초기 구조 형상에서는 전후방 스파에 2개씩 볼트를 적용하였으며 안전계수가 2.48로 확인 되었으나 동적 하중을 고려하고, 강구조물의 피로 제한 응력을 고려하여 일반적인 항공기 피로 수명인 20년을 만족하기 위해 전방 스파에는 4개, 후방 스파에는 2개로서 총 6개의 삽입 볼트를 결정하였다. 그 후 주익의 구조 설계 변경으로 인해 최종 설계 방안을 3개 스파 구조 형태로 결정함에 따라 보다 더 안전성을 확보하기 위해 중앙스파 뿌리 부위에도 2개의 볼트를 추가하여 최종전방 스파에 4개, 중앙 및 후방 스파에 각각 2개씩 총 8개의 볼트를 확정하였다.
- 초기 설계 결과의 구조 안전성 및 안정성 확인을 위하여 주익 및 수평 미익의 구조 설계 결과에 대해 각각 유한 요소 해석을 수행하였다. 해석 모델은 복합재료 해석을 위하여 면(surface) 으로 모델링 하여 복합재료 요소 (element) 인 PCOMP 요소를 이용하여 격자(mesh)를 생성하였다.
- 수행하였다. 해석 모델은 복합재료 해석을 위하여 면(surface) 으로 모델링 하여 복합재료 요소 (element) 인 PCOMP 요소를 이용하여 격자(mesh)를 생성하였다. 유한 요소 모델의 경계 조건은 날개 뿌리 부위 고정 경계 조건을 사용하였고, 하중은 스파에 거리 비율로 분포하중으로 적용하였다[6].
대상 데이터
- 스파의형태는 전방 스파는 I형 보 형태를 선정하였으며 후방 스파는 조종면의 용이한 연결을 위하여 채널(匸)형태를 채택하였다. 구조 설계에 사용된 주재료는 항공기용 소재로 많이 적용되고 있는 비강도 및 비강성이 높은 특성을 지닌 카본-에폭시복합재료가 적용되었다.
- 본 연구에서는 20인승급 소형 위그선의 주익과 수평 미익의 구조 설계 및 해석에 관한 연구를 수행하였다. 구조 형태는 스킨-스파-폼 샌드위치 구조를 채택하여 주 재질은 카본/에폭시 (Carbon/Epoxy) 복합재료를 적용하였다. 구조 설계 결과에 대한 구조 안전성 및 안정성 평가는 상용 유한 요소 코드인 NASTRAN을 이용하였다.
- 본 연구 대상인 소형 위그선의 설계 요구 조건은 수송 능력 재화 중량 2톤으로서 지면 효과영역에서 순항속도는 150km/h이고, 지면 효과 외 영역에서 순항속도는 170km/h이다. 순항 고도는 2m 이며 항속거리는 1000km 이다.
- 12에 조종면 형상과 함께 나타내었다. 세부 러그설계 하중은 조종면의 작용 형태를 분석하여 하중이 경사진 방향으로 작용할 때를 고려하였으며 적용 재질은 알루미늄 합금 (aluminnum alloy 7075-T6)을 적용하여 해수에 의한 부식 방지를 위해 산화피막처리 된 재질로 선정하였다.
- 주익과 에일러론의 연결 부위는 조정면 끝 부위에서 각각 1/4 지점에 동일 형상의 두 개의 러그(lug) 형태를 선정하였다. 러그 형상은 Fig.
이론/모형
- 구조 형태는 스킨-스파-폼 샌드위치 구조를 채택하여 주 재질은 카본/에폭시 (Carbon/Epoxy) 복합재료를 적용하였다. 구조 설계 결과에 대한 구조 안전성 및 안정성 평가는 상용 유한 요소 코드인 NASTRAN을 이용하였다. 여러 단계의 설계 변경을 통해 최종 구조 설계 결과는 설계 요구 조건을 만족하는 결과임을 확인하였다.
- 7MPa, 인장응력은 128MPa로 확인되었다. 안전율 검토를 위한 파괴 기준으로는 Tsai-Wu 파괴 이론을 적용하였으며 검토 결과 충분한 안전율을 확보한 구조 설계 결과임을 확인하였다. 최대 변형 부위인 날개 끝 부위에서 변위는 93.
- 복합재료를 선정하였다. 정의된 하중을 바탕으로 초기 구조 형태는 스킨-스파 구조 형태를 채택하여 복합재료 구조 설계 개념인 단순 설계 방법 (netting rule)과 혼합 설계 방법 (rule of mixture)을 적용하여 구조 설계를 수행하였다.
성능/효과
- 리브를 추가하여 구조 안정성 검토 결과 리브 추가 부위는 좌굴이 개선되나 좌굴 부위가 국부적으로 변화함에 따라 단계적으로 리브를 추가 하였다. 개선 설계 결과에 대한 구조 해석 결과 강도는 충분히 만족하며 좌굴 하중 배수 또한 0.9로서 적용된 하중 안전율을 고려하면 좌굴 안정성을 확보한 구조이나 설계 목표 요구 중량보다 1.3배 초과한 구조 설계 결과가 확인되었다.
- 1mm로 확인되었다. 구조 해석 결과로부터 충분히 구조 안전성 및 안정성을 확보한 설계 결과를 확인하였다.
- 78로 충분한 좌굴 강도를 확보한 설계 결과를 확인하였다. 또한 추후 엔진 등 가진체에 의한 공진 가능성을 파악하기 위해 고유 진동수 해석 결과 1차 플랩 모드가 8.43Hz로 확인되었다.
- 선형 정적 해석 결과로부터 스킨 부위 최대압축 응력은 120MPa, 인장 응력이 114MP로 확인되었으며, 스파의 최대 압축 응력은 93.7MPa, 인장응력은 128MPa로 확인되었다. 안전율 검토를 위한 파괴 기준으로는 Tsai-Wu 파괴 이론을 적용하였으며 검토 결과 충분한 안전율을 확보한 구조 설계 결과임을 확인하였다.
- 따라서 중간 스파를 추가하고 스파 웹과 주익 상하면 스킨 부위에 폼 샌드위치 구조를 적용하여 구조 안정성을 확보하였다. 설계 변경을 통해 최종 수정 설계 결과는 설계 요구 조건을 만족하며, 동체와 연결 부위 볼트는 피로 요구 수명이 최소 20년을 만족하도록 설계 확정하였다. 최종 주익의 구조 설계 결과의 중량은 371.
- 수평 미익의 응력 및 변위 해석 결과 수직 미익과 연결 부위 스킨에서 최대 응력이 확인 되었으며, 최대 압축 응력은 128MPa, 인장 응력은 llOMPa로 확인 되었다. 변위 해석 결과는 수평미익 끝 부위에서 18.
- 3mm로 확인 되었다. 수평미익의 구조 설계 결과는 설계 목표 요구 중량보다 경량화 설계 되었으나 전후방 상면 스킨 부위와 후방 스파 뒤쪽 스킨에서 좌굴에 취약한 것으로 확인되었다.
- 수평미익의 최종 설계 결과의 총중량은 150kg으로 확인 되었다.
- 수행하였다. 스킨의 응력 해석 결과 최대압축 응력은 97.0MPa, 인장 응력은 97.1MPa, 스파의 압축응력은 141MPa, 인장 응력은 lOIMPa 로 확인 되었으며 구조 안전성 및 좌굴 강도를 만족하는 설계 결과를 확인하였다.
- 구조 설계 결과에 대한 구조 안전성 및 안정성 평가는 상용 유한 요소 코드인 NASTRAN을 이용하였다. 여러 단계의 설계 변경을 통해 최종 구조 설계 결과는 설계 요구 조건을 만족하는 결과임을 확인하였다.
- 결정하였다. 응력 해석 결과는 스킨에서 최대 압축응력이 52.8MPa, 인장 응력이 33.0MPa 로 확인 되었고, 강도 면에서 충분한 안 전율을 확인하였다. 좌굴 해석 결과는 좌굴 하중 배수가 1.
- 0MPa 로 확인 되었고, 강도 면에서 충분한 안 전율을 확인하였다. 좌굴 해석 결과는 좌굴 하중 배수가 1.03으로 확인되었으며, 최대 변형 부위는 하중분포 부위에서 32.1mm로 확인되었다. 구조 해석 결과로부터 충분히 구조 안전성 및 안정성을 확보한 설계 결과를 확인하였다.
- 강도 관점에서 설계 요구 조건을 만족하는 설계 결과이나 중량이 395kg으로서 목표 요구 중량보다 다소 초과하였다. 좌굴에 대한 안정성 검토 결과는 상면 스킨 부위에서 좌굴에 국부적으로 취약한 것으로 확인 되었다. 따라서 좌굴 안정성을 확보한 보완 설계 변경과 경량화 설계의 필요성을 확인하였다.
- 주익의 3차 수정 설계안의 총중량은 조종면 (aileron)을 제외하고 351.4kg으로서 조종면의 중량, 동체와 연결부위 볼트, 주익과 조종면의 연결 부위 힌지(hinge)의 무게까지 고려할 때 주익의 설계 요구 중량인 383kg보다 경롷화 된 구조 설계 결과임을 확인하였다.
- 주익의 선형 정적 해석 결과로부터 응력 확인 결과 동체와 주익 연결 부위에서 최대 응력이 확인되었다. 최대 압축 응력은 67MPa, 인장 응력이 65MPa, 날개 끝 부위 최대 변형 부위는 259mm로 확인되었다.
- 주익의 초기 설계 결과의 구조 해석 결과 전후방 스파 사이의 상면 스킨 부위에서 좌굴에 취약한 것으로 확인되었다. 따라서 중간 스파를 추가하고 스파 웹과 주익 상하면 스킨 부위에 폼 샌드위치 구조를 적용하여 구조 안정성을 확보하였다.
- 안전율 검토를 위한 파괴 기준으로는 Tsai-Wu 파괴 이론을 적용하였으며 검토 결과 충분한 안전율을 확보한 구조 설계 결과임을 확인하였다. 최대 변형 부위인 날개 끝 부위에서 변위는 93.4mm로 확인되었으며, 좌굴 하중 배수는 2.78로 충분한 좌굴 강도를 확보한 설계 결과를 확인하였다. 또한 추후 엔진 등 가진체에 의한 공진 가능성을 파악하기 위해 고유 진동수 해석 결과 1차 플랩 모드가 8.
- 최대 압축 응력은 67MPa, 인장 응력이 65MPa, 날개 끝 부위 최대 변형 부위는 259mm로 확인되었다. 강도 관점에서 설계 요구 조건을 만족하는 설계 결과이나 중량이 395kg으로서 목표 요구 중량보다 다소 초과하였다.
- 초과 중량 감소를 위하여 응력 크기에 따른 적층수를 변화시키고 좌굴 강도 개선과 경량화를 동시에 만족시키기 위하여 리브를 없애고 우레탄 폼 샌드위치 구조를 날개 상하면 스킨 부위와 스파 웹 부위에 적용하였다. 최종 개선 설계된 결과에 대한 유한 요소 해석 결과 구조 안전성, 좌굴 안정성 및 설계 요구 조건을 모두 만족하며 설계 목표 요구 중량보다 경량화 설계된 결과를 도출하였다.
- 설계 변경을 통해 최종 수정 설계 결과는 설계 요구 조건을 만족하며, 동체와 연결 부위 볼트는 피로 요구 수명이 최소 20년을 만족하도록 설계 확정하였다. 최종 주익의 구조 설계 결과의 중량은 371.4kg으로서 목표 요구 중량보다 11.6kg 경량화 설계 되었다.
후속연구
- 본 연구를 통해 소형 위그선의 구조 설계에 복합재료 설계 개념을 적용하여 최적화된 구조 형태를 채택하고 경량화 설계를 통해 구조 안전성 및 안정성을 확보한 구조 설계를 수행하여 위그선 연구에 기초 자료로 활용할 수 있을 것이다.
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