[논문]ZAERO를 이용한 시간영역에서의 접는 날개 비선형 공탄성 해석

이동민; 김정영

[국내논문] ZAERO를 이용한 시간영역에서의 접는 날개 비선형 공탄성 해석
Nonlinear Aeroelastic Analysis in Time Domain for Folded Fins using ZAERO 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.11 no.4 = no.35, 2008년, pp.159 - 165

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this paper is to study the impact of concentrated nonlinearities, freeplays, on the aeroelastic behaviors of single- and double-folded control fins. The nonlinearities may cause limit cycle oscillation(LCO) below the linear flutter boundary. The effects of nonlinear hinges on LCO characteristics of the fins are examined as flight condition changes. Nonlinear time-domain flutter analyses are performed, using ZAERO. The results show that the aeroelastic stability boundaries of double-folded fin(DF) are higher than those of the single-folded fin(SF) and the lower hinge freeplay impact more critically on the stability than the upper hinge freeplay of the DF.

주제어

AI 본문요약
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가설 설정

5× ω_max, 그리고 ω_max는 해석 모델의 최대 고유진동수이다. 또한, 구동기의 회전강성은 강체로 가정하였다.
접는 힌지부에서는 횡방향(transverse) 자유도는 공유하나 x축 회전 자유도는 힌지 비틀림 스프링에 의해 연결되어 구속된다. 힌지 스프링에 의해 연결되는 구조절점의 회전자유도는 같은 각도로 움직인다고 가정하였다. 상/하부 힌지강성은 각각 150, 200Nm/rad을 적용하였다.

제안 방법

본 연구에서는 ‘ZAERO/NASTRAN’을 이용하여 접는 날개의 힌지부 간극을 고려한 비선형 공탄성 해석을 수행하였다. 1단 및 2단 접는 날개에 대해서 비행조건의 변화에 따라 시간영역에서의 응답을 살펴보았다. 2단 접는 날개가 1단 접는 날개에 비하여 굽힘 및 비틀림 모우드간의 주파수 간격이 커지면서 안정성이 향상되는 것으로 나타났으며 또한 2단 접는 날개의 하부힌지 간극이 상부의 것에 비하여 LCO거동에 큰 영향을 미침을 볼 수 있었다.
ZAERO에서는 비선형 해석을 수행하는 동안에 공탄성 지배방정식을 재구성할 수 있는 기능을 가지고 있다. 따라서 시스템의 강성이 변함에 따라 지배방정식의 구성을 바꾸어가면서 시간적분을 수행하여 비선형 플러터 해석을 수행하게 된다. 본 연구의 해석모델과 같이 상/하부 힌지에 간극을 포함할 경우, 시스템 강성 행렬로서 모두 4가지 강성 행렬(nominal 강성, 상부 힌지의 간극, 하부힌지의 간극, 상/하부 모두 간극이 적용되는 경우에 대한 강성행렬)이 필요하게 된다.
본 연구에서는 ‘ZAERO/NASTRAN’을 이용하여 접는 날개의 힌지부 간극을 고려한 비선형 공탄성 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 접는 날개의 힌지부분에 집중된 간극을 고려하여 조종날개의 공탄성 해석을 수행하였다. 이러한 비선형성을 고려한 플러터해석 방법으로는 비선형성을 근사화하여 주파수 방법^[3,4]을 사용하는 방법과 비선형 방정식을 시간영역에서 직접 적분하는 방법^[1,2]이 있다.
앞서 검증된 시간영역의 선형 해석 모델을 바탕으로 힌지 간극을 반영한 모델로 확장하여 비선형 해석을 수행하였다. 비선형 해석 모델의 힌지부 간극의 크기는 SF의 경우 0.1도로, DF의 경우는 0,0, 0.05, 0.1도를 상/하 힌지에 적용하였다.
시간영역의 해석에서 날개의 초기 가진을 위하여 ZAERO에서 제공하는 돌풍 및 구동입력 등, 두 가지를 적용해 보았다. ZAERO에서 제공하는 돌풍모델은 모두 4가지가 있으며 그 가운데 아래의 식 (11)과 같은 삼각함수 형태의 돌풍모델을 사용하였다.
앞서 검증된 시간영역의 선형 해석 모델을 바탕으로 힌지 간극을 반영한 모델로 확장하여 비선형 해석을 수행하였다. 비선형 해석 모델의 힌지부 간극의 크기는 SF의 경우 0.
앞서 확인된 초기 가진 조건 및 시간적분 간격 등을 적용하여 비행조건의 변화에 따라 간극을 가지는 1, 2단 접는 날개의 응답 특성이 어떠한 변화를 보이는지를 그림 9～11에 걸쳐 검토하였다.
비선형 구조동역학 문제를 시간적분을 통하여 해석하고자 할 경우에는 수치적 잡음이나 해석 알고리즘 불안정에 기인한 거동을 실제 응답으로 오판할 수도 있기 때문에 적분 간격의 적절성, 가진 크기 및 형태에 따른 응답의 변화를 살펴 볼 필요가 있다. 이를 검토하기 위하여 그림 6～8에 걸쳐서 해석의 적절성을 고찰하였다.
3)^[5]이며, 고유진동해석을 위하여 MSC/Nastran을 사용하였다. 해석을 통하여 일정량의 간극이 주어져 있을 때 비행조건에 따라 발생하는 LCO의 경향을 살펴보았다.

데이터처리

해석 모델의 검증을 위하여 간극이 없는 선형모델에 대하여 주파수 영역의 해석(g-method)^[5]과 시간적분 해석 결과를 비교하였다. 비행조건은 속도 Ma2.

성능/효과

1단 및 2단 접는 날개에 대해서 비행조건의 변화에 따라 시간영역에서의 응답을 살펴보았다. 2단 접는 날개가 1단 접는 날개에 비하여 굽힘 및 비틀림 모우드간의 주파수 간격이 커지면서 안정성이 향상되는 것으로 나타났으며 또한 2단 접는 날개의 하부힌지 간극이 상부의 것에 비하여 LCO거동에 큰 영향을 미침을 볼 수 있었다. 그러나 이러한 현상이 일반적인 경향이라고 판단하기에는 해석 결과가 제한적이므로 다양한 모델에 대하여 추가 해석연구가 필요할 것으로 사료된다.
이상의 결과로부터 하부 힌지의 간극이 상부의 간극에 비해 날개의 거동 특성에 영향을 크게 미치고 있음을 알 수 있었다.
그림 10에서는 모델 DF에 대한 해석 결과를 보여주고 있다. 전반적인 특성은 모델 SF와 크게 다르지 않으나 상부 힌지의 추가로 인하여 오히려 전반적으로 안정성이 나아진 것으로 나타났다. 표 4에서는 비행고도/속도의 변화에 따라 날개가 어떤 응답특성을 보이는지를 정리하였다.

후속연구

2단 접는 날개가 1단 접는 날개에 비하여 굽힘 및 비틀림 모우드간의 주파수 간격이 커지면서 안정성이 향상되는 것으로 나타났으며 또한 2단 접는 날개의 하부힌지 간극이 상부의 것에 비하여 LCO거동에 큰 영향을 미침을 볼 수 있었다. 그러나 이러한 현상이 일반적인 경향이라고 판단하기에는 해석 결과가 제한적이므로 다양한 모델에 대하여 추가 해석연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구의 해석 기술은 접는 날개 개발 시의 간극 변화에 따른 공탄성 특성을 분석하고 구조의 피로특성 및 기타 성능분석 연구, 그리고 힌지 간극 크기에 대한 체계규격 재설정 등에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다.
여기서 상부의 간극은 LCO의 거동을 다소 줄이는 역할을 한 것으로 보인다. 그렇지만 상부 간극의 존재가 날개의 여타 다른 기능에도 순기능을 할 지는 보다 더 자세한 연구가 필요하다고 판단된다. 반대로, 하부의 간극이 사라지면 전체적으로 LCO의 진폭이 아주 작아져 안정성이 크게 개선되는 것을 볼 수 있다.
그러나 이러한 현상이 일반적인 경향이라고 판단하기에는 해석 결과가 제한적이므로 다양한 모델에 대하여 추가 해석연구가 필요할 것으로 사료된다. 본 연구의 해석 기술은 접는 날개 개발 시의 간극 변화에 따른 공탄성 특성을 분석하고 구조의 피로특성 및 기타 성능분석 연구, 그리고 힌지 간극 크기에 대한 체계규격 재설정 등에 도움을 줄 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	공탄성 해석의 선형해석에서 플러터 속도보다 낮은 비행 속도에서 무엇이 발생하는가?	일반적으로 간극을 고려하여 공탄성 해석을 해보면 선형해석에서 예측하는 플러터 속도보다 낮은 비행속도에서 발산하는 진동은 발생하지 않는다 하더라도 상당한 크기의 진폭을 가지는 제한주기진동(LCO)이 발생할 수 있다고 보고되어 있다[1,2]. 과도한 크기의 제한주기진동은 날개 및 구동시스템의 구조요소 가운데 피로에 약한 부재를 파괴시킬 수 있으며, 날개의 조종성능에도 악영향을 미칠 수 있다.
	최근 발사관 발사 방식을 택하는 유도탄은 조종날개를 어떻게 하여 장입하는가?	발사관 발사 방식을 주로 택하고 있는 최근의 유도탄 경우, 발사관 직경의 제약 등으로 말미암아 조종날개를 접어서 장입하는 것이 일반적이다. 접는 조종날개에서는 접는 힌지부에서 혹은 조종날개 작동을 위한 구동장치 등에서 어느 정도의 간극이 존재할 수 있다.
	공력탄성학적 불안정 현상을 예비설계단계에서 발생여부를 확인해야하는 까닭은 무엇인가?	공기 중을 고속으로 비행하는 비행체 구조물에서 공기력과 구조의 관성력, 탄성력이 서로 상호작용을 하여 공력탄성학적(aeroelastic, 공탄성) 불안정 현상이 일어날 수 있다. 이러한 공탄성 현상이 발생하면 구조물에 치명적인 손상을 일으킬 수 있으므로 구조의 예비설계단계에서 발생 여부를 반드시 확인하여야 한다.

참고문헌 (6)

이인, 배재성 외 다수, '구조비선형 감안 공탄성 해석연구', 국방과학연구소, TECD-401-021227, 2002
김승호, '구조적 비선형성이 있는 비행체 조종날 개의 공탄성 해석', 한국과학기술원, 박사논문, 1994
김기언, 이동환, '구조적 비선형성이 있는 조종면 에 대한 공탄성 연구', 국방과학연구소, MSDC- 416-970810, 1997
강명구, 김기언, '주파수 영역에서의 2단 접는 날 개 공탄성 해석', 한국군사과학기술학회지, 제9권, 제4호(통권 27호), 2006

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Theoretical Mannual, ZAERO, Ver.7.0, ZONA Tech. 2003
M. Karpel, 'Efficient Vibration Mode Analysis of Aircraft with Multiple External Store Configurations', J. of Aircraft, Vol. 25, No. 8, pp. 747-751, 1988

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