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문제 정의
- 본 연구에서는 로켓이나 미사일 등의 성능을 결정하는 고체 추진제인 그레인(grain)을 효율적으로 설계할 수 있는 프로그램을 상용 CAD 시스템 인 I-DEAS를 기반으로 개발하였다.설계 자동화 프로그램의 개 발 목표는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 로켓이나 미사일 등의 성능을 결정하는 고체 추진제인 그레인(grain)을 효율적으로 설계할 수 있는 프로그램을 상용 CAD 시스템 인 I-DEAS를 기반으로 개발하였다.설계 자동화 프로그램의 개 발 목표는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 설계자의 단순 반복 작업으로 이루어지고 있는 그레인 형상 설계 과정을 자동화하여 설계자의 단순 반복 작업을 최소화하였으며, I-DEAS 사용 능력과 그레인에 대한 전문적인 지식이 적어도 필요한성능에 가장 적합한 최적의 그레인 형상을 짧은시간에 설계할 수 있도록 하였다.
제안 방법
- 이전에 설명한 케이스와 코어 형상을 적용할 CAD시스템인 I-DEAS에서 파라메트릭 방법으로 모델링하여 마스터 모델을 구축하였다. 4.3에서 설명한 케이스를 위한 마스터 모델로 5개의 모델을 생성하였고, 4.4에서 설명한 코어를 위한 마스터 모델로 14개의 모델을 생성하였으며, 이들을 합해 마스터 라이브러리를 구축하였다. 개발된 설계 자동화 시스템은 이렇게 구축된 마스터 모델을 사용하여 설계를 하게 된다.
- 이전에 설명한 케이스와 코어 형상을 적용할 CAD시스템인 I-DEAS에서 파라메트릭 방법으로 모델링하여 마스터 모델을 구축하였다. 4.3에서 설명한 케이스를 위한 마스터 모델로 5개의 모델을 생성하였고, 4.4에서 설명한 코어를 위한 마스터 모델로 14개의 모델을 생성하였으며, 이들을 합해 마스터 라이브러리를 구축하였다. 개발된 설계 자동화 시스템은 이렇게 구축된 마스터 모델을 사용하여 설계를 하게 된다.
- 5년 이상 설계 경험자가 개발된 프로그램을 사용하여 그 효용성을 검증하였다. 필요한 그레인을 설계하는데 이 전에는 일주일 이상 소요되었으나, 개발된 설계 시스템을 사용한 후에는 1~2 정도 소요되었으며, 이 기간동안 반복 작업대신 창조적인 설계 업무를 수행할 수 있게 되었다.
- Fig. 14에 나타난 복합 형상의 경우 코어의 기본 형상을 정의하는 메인 코어(main core)와 기타 돌기 형상들로 구성 되어진 인서트 코어(insert core)로 분류하여 두 가지 종류의 형상을 조합하여 다양한 코어를 모델링할 수 있게 하였다.
- Fig. 14에 나타난 복합 형상의 경우 코어의 기본 형상을 정의하는 메인 코어(main core)와 기타 돌기 형상들로 구성 되어진 인서트 코어(insert core)로 분류하여 두 가지 종류의 형상을 조합하여 다양한 코어를 모델링할 수 있게 하였다.
- 구성되어진 케이스, 코어, 회전형 코어를 마스터 모델의 데이터베이스를 이용하여 선택한 후, 구체적인 형상과 위치를 설정하여 초기 그레인 형상을 정의한다.
- 구성되어진 케이스, 코어, 회전형 코어를 마스터 모델의 데이터베이스를 이용하여 선택한 후, 구체적인 형상과 위치를 설정하여 초기 그레인 형상을 정의한다.
- 마스터 라이브러리 구축 과정에는 다음과 같은 사항이 포함되었다. 그레인 형상을 분석하여 표준화 과정을 통해 케이스와 코어로 분류하였고, 그 중 코어 형상은 다시 단일형상, 복합 형상, 회전 형상의 3가지 형식으로 세분화하였다. 복합 형상의 경우 마스터 모델의 형상을 특징 형상 단위로 세분화하여 이를 서로 조합할 수 있도록 하여, 최소한의 마스터 모델 구축으로, 만들어 낼 수 있는 코어 형상의 경우의 수를 최대화 하였다.
- 마스터 라이브러리 구축 과정에는 다음과 같은 사항이 포함되었다. 그레인 형상을 분석하여 표준화 과정을 통해 케이스와 코어로 분류하였고, 그 중 코어 형상은 다시 단일형상, 복합 형상, 회전 형상의 3가지 형식으로 세분화하였다. 복합 형상의 경우 마스터 모델의 형상을 특징 형상 단위로 세분화하여 이를 서로 조합할 수 있도록 하여, 최소한의 마스터 모델 구축으로, 만들어 낼 수 있는 코어 형상의 경우의 수를 최대화 하였다.
- 먼저, 그레인의 설계 활동 및 대표 형상을 표준화하고, 분류된 형상을 파라메트릭 기법으로 마스터 모델을 구축하였다. 그리고, 구축된 마스터 모델을 이용하여 그레인의 형상을 설계한 후 그레인이 연소히는 과정에서의 형상 변회•와 설계 특성값의 변화를 검토하여 그레인 최종 형상을 설계하도록 설계 시스템을 개발하였다.
- 먼저, 그레인의 설계 활동 및 대표 형상을 표준화하고, 분류된 형상을 파라메트릭 기법으로 마스터 모델을 구축하였다. 그리고, 구축된 마스터 모델을 이용하여 그레인의 형상을 설계한 후 그레인이 연소히는 과정에서의 형상 변회•와 설계 특성값의 변화를 검토하여 그레인 최종 형상을 설계하도록 설계 시스템을 개발하였다.
- 설계 시스템은 그레인 설계 과정을 분석하여 이 과정을 자동화하였으며, 설계자의 지식과 구축된 마스터 라이브러리를 효율적으로 활용할 수 있도록 개발되 었다. 또한 그레인 연소 과정을 시뮬레이션하여 , 연소 과정에 따라 그레인이 자동으로 모델링되고 또한 필요한 설계 특성값을 계산하여 설계자에게 제공할수 있게 개발되었다.
- 설계 시스템은 그레인 설계 과정을 분석하여 이 과정을 자동화하였으며, 설계자의 지식과 구축된 마스터 라이브러리를 효율적으로 활용할 수 있도록 개발되 었다. 또한 그레인 연소 과정을 시뮬레이션하여 , 연소 과정에 따라 그레인이 자동으로 모델링되고 또한 필요한 설계 특성값을 계산하여 설계자에게 제공할수 있게 개발되었다.
- 또한 대표 형상으로 정의 되지 않은 특수한 형상의 경우연소관의 단면정보를 위치 데이터로 추출하고, 추출된 정보를 이용하여 Fig. 5의 User Define, 기능으로케이스 형상을 설계 할 수 있도록 하였다.
- 이러한 CAD 시스템을 이용한 그레인 설계 자동화시스템 개발에는 다음과 같은 성과가 있었다.먼저, 그레인 설계 자동화 시스템 개발 과정을 정립하고 이에 따라 개발되었으며 , 이 과정은 크게 마스터 라이브러리 구축과 설계 시스템 개발이란 2개의 과정으로 진행되었다.
- 이러한 CAD 시스템을 이용한 그레인 설계 자동화시스템 개발에는 다음과 같은 성과가 있었다.먼저, 그레인 설계 자동화 시스템 개발 과정을 정립하고 이에 따라 개발되었으며 , 이 과정은 크게 마스터 라이브러리 구축과 설계 시스템 개발이란 2개의 과정으로 진행되었다.
- 그리고 설계 자동화 프로그램 개발은 편집 설계 방식을 활용할 수 있도록 다음과 같은 과정으로 개발되었다. 먼저, 그레인의 설계 활동 및 대표 형상을 표준화하고, 분류된 형상을 파라메트릭 기법으로 마스터 모델을 구축하였다. 그리고, 구축된 마스터 모델을 이용하여 그레인의 형상을 설계한 후 그레인이 연소히는 과정에서의 형상 변회•와 설계 특성값의 변화를 검토하여 그레인 최종 형상을 설계하도록 설계 시스템을 개발하였다.
- 본 연구에서는 케이스 형상과 코어 형상을 분류하고 케이스 형상에서 코어 형상의 볼륨을 제거하여 최종 그레인 형상을 정의하는 방식을 택하였다. Fig.
- 설계 자동화 프로그램의 효율성을 검증하기 위하여, 복합 형상의 대표 형상을 기준으로 연소량 5 mm일 때와 연소량 1 mm일 때의 두 가지 설계 조건에서의 기존 설계 방식과 설계 자동화 프로그램을 사용하였을 경우의 설계 시간을 비교하였다. 개발 시스템의 효율성 검증은 사용하는 CAD 시스템인 I-DEAS를 5년이상 사용한 그레인 설계자가 시험하였으며, 비교결과를 Fig.
- 설계 자동화 프로그램의 효율성을 검증하기 위하여, 복합 형상의 대표 형상을 기준으로 연소량 5 mm일 때와 연소량 1 mm일 때의 두 가지 설계 조건에서의 기존 설계 방식과 설계 자동화 프로그램을 사용하였을 경우의 설계 시간을 비교하였다. 개발 시스템의 효율성 검증은 사용하는 CAD 시스템인 I-DEAS를 5년이상 사용한 그레인 설계자가 시험하였으며, 비교결과를 Fig.
- 설계 자동화를 구현하기 위하여 우선 개발 대상인그레인 형상에 대한 표준화를 정의하였으며, 표준화작업을 위하여 다양한 그레인 형상을 분석하였다. 형상을 분석한 결과 Fig.
- 설계 자동화를 구현하기 위하여 우선 개발 대상인그레인 형상에 대한 표준화를 정의하였으며, 표준화작업을 위하여 다양한 그레인 형상을 분석하였다. 형상을 분석한 결과 Fig.
- 설계 자동화 프로그램의 개 발 목표는 다음과 같다. 설계자의 단순 반복 작업을 자동화하여 설계 시간을단축 시키고, 마스터 모델을 쉽게 조합하여 다양한 그레인 형상을 설계할 수 있도록 하며, 생성된 형상을분석하여 최적의 성능을 가진 그레인 형상을 설계할수 있도록 개발한다. 그리고 설계 자동화 프로그램 개발은 편집 설계 방식을 활용할 수 있도록 다음과 같은 과정으로 개발되었다.
- 먼저, 그레인의 설계 활동 및 대표 형상을 표준화하고, 분류된 형상을 파라메트릭 기법으로 마스터 모델을 구축하였다. 그리고, 구축된 마스터 모델을 이용하여 그레인의 형상을 설계한 후 그레인이 연소히는 과정에서의 형상 변회•와 설계 특성값의 변화를 검토하여 그레인 최종 형상을 설계하도록 설계 시스템을 개발하였다.
- 이전에 설명한 케이스와 코어 형상을 적용할 CAD시스템인 I-DEAS에서 파라메트릭 방법으로 모델링하여 마스터 모델을 구축하였다. 4.
- 이전에 설명한 케이스와 코어 형상을 적용할 CAD시스템인 I-DEAS에서 파라메트릭 방법으로 모델링하여 마스터 모델을 구축하였다. 4.
- 케이스의 경우 연소관의 내부 형상으로부터 그 형상이 결정되므로 가장 많이 사용되는 연소관 형상으로부터 케이스의 대표 형상을 Fig. 5와 같이 5개로 정의하고 정의된 형상을 마스터 모델로 구축하였다. 또한 대표 형상으로 정의 되지 않은 특수한 형상의 경우 연소관의 단면정보를 위치 데이터로 추출하고, 추출된 정보를 이용하여 Fig.
- 설계 자동화를 구현하기 위하여 우선 개발 대상인그레인 형상에 대한 표준화를 정의하였으며, 표준화작업을 위하여 다양한 그레인 형상을 분석하였다. 형상을 분석한 결과 Fig. 3과 같이 그레인 형싱을 케이스(case)와 코어(core) 형상으로 분류하였다. 케이스는 연소관의 내부 형상으로부터 결정되는 형상으로 그레인 외부형상이나 그레인 설계시 통상 케이스라 부르며, 코어 형상은 내부 연소형의 성능을 결정하는 형상이다.
대상 데이터
- 설계 자동화 프로그램의 효율성을 검증하기 위하여, 복합 형상의 대표 형상을 기준으로 연소량 5 mm일 때와 연소량 1 mm일 때의 두 가지 설계 조건에서의 기존 설계 방식과 설계 자동화 프로그램을 사용하였을 경우의 설계 시간을 비교하였다. 개발 시스템의 효율성 검증은 사용하는 CAD 시스템인 I-DEAS를 5년이상 사용한 그레인 설계자가 시험하였으며, 비교결과를 Fig. 19에 그래프로 표현하였다. Fig.
- 설계 자동화 프로그램의 효율성을 검증하기 위하여, 복합 형상의 대표 형상을 기준으로 연소량 5 mm일 때와 연소량 1 mm일 때의 두 가지 설계 조건에서의 기존 설계 방식과 설계 자동화 프로그램을 사용하였을 경우의 설계 시간을 비교하였다. 개발 시스템의 효율성 검증은 사용하는 CAD 시스템인 I-DEAS를 5년이상 사용한 그레인 설계자가 시험하였으며, 비교결과를 Fig. 19에 그래프로 표현하였다. Fig.
성능/효과
- 보통 하나의 그레인을 설계할 때 제안된 한 형상마다 연소 과정을 약 300번 정도 모델링하여 검토한다.개발된 시스템을 사용할 경우 연소 과정과 필요로 하는 설계 특성값들이 자동으로 정리되기 때문에 설계자의 설계 시간을 많이 절감하고 연소 과정에 따라 모델링할 때 발생하는 오류가 없어지게 되었다.
- 또한 기존 설계 작업에서 발생되던 단순 반복 작업과 여기서 발생하는 설계 오류를 획기적으로 줄일 수있었으며, 최적의 그레인 형상을 찾기 위해 보다 많은형상을 테스트할 수 있어 설계하는 로켓의 성능을 크게 향상 시킬 수 있었다.
- 본 연구에서는 구조체 내부에 들어가는 고체 연료의 설계 자동화 시스템으로 설계 대상 제품이 달라짐으로써 자동화 시스템의 구조가 달라졌다.
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