[논문]고속 궤도차량의 동역학 해석을 위한 소프트웨어 개발

이병훈; 서병일

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.1.89

[국내논문] 고속 궤도차량의 동역학 해석을 위한 소프트웨어 개발
A Software Development for the Dynamic Analysis of a High Mobility Tracked Vehicle 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.1 = no.280, 2009년, pp.89 - 97

이병훈 (부산대학교 기계공학부, 기계기술연구원(RIMT)) , 서병일 (동양대학교 철도차량학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a computer software for dynamic analysis of a high mobility tracked vehicle with pre/post processor is developed. Model of a tracked vehicle is composed of chassis, turret, mount, gun, and road-wheel assembly. Track is modeled as an extensible cable and the track tensions are applied on the wheels as external forces. The system equations of motion and constraint acceleration equations are derived in the joint coordinate space using the velocity transformation method. The pre and post processors are developed using the Visual C++.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서 고속으로 주행하는 궤도차량의 동역학 해석 소프트웨어를 개발하였다. 차량은 차체, 포탑, 포신, 마운트 등의 강체모델과 궤도를 보기륜에 힘을 전달하는 탄성을 가진 현으로 모델링하였으며 라그랑지 방정식과 속도변환기법을 이용하여 상대조인트 좌표로 시스템의 운동방정식을 기술하였다.

가설 설정

본 논문에서는 시스템의 초기조건, 조인트의 위치, 구속조건 및 외력 등을 정의하는 데에는 절대좌표를 사용하여 시스템 정의의 편리성을 도모하고, 운동방정식은 속도변환기법을 이용한 상대좌표로 유도함으로써 최소의 미분방정식과 대수방정식으로서 해석 프로그램을 작성한다. 궤도는 인장에 대하여 일정한 탄성을 가진다고 가정하며, 궤도에 의한 구속력을 직접 구하여 차량의 운동방정식에 외력으로 넣어주는 방법⁽¹⁾으로 모델링한다. 그리고 데이터 입력 등 해석의 준비 작업을 수행하는 전처리기와 결과 데이터의 표현을 수행하는 후처리기를 Visual C++를 이용하여 GUI 환경으로 작성한다.
궤도는 스프링 효과를 갖고 보기륜, 유동륜(idler), 구동륜(sprocket)에 단순히 힘을 전달하는 요소로 가정한다. 궤도를 통하여 보기륜에 전달되는 힘은 지면의 수직반력 p, 지면과의 마찰에 의한 전단력 f, 궤도장력 T_i등이 있으며(Fig.
본 연구에서는 궤도를 두께와 폭이 일정한 탄성을 가진 현으로 가정하고, 유동륜과 구동륜사이의 궤도상부의 장력은 상부궤도의 처진길이와 장력과의 관계에 따른 다음의 비선형 방정식^(4,5)에 의하여 계산한다.

제안 방법

본 논문에서는 시스템의 초기조건, 조인트의 위치, 구속조건 및 외력 등을 정의하는 데에는 절대좌표를 사용하여 시스템 정의의 편리성을 도모하고, 운동방정식은 속도변환기법을 이용한 상대좌표로 유도함으로써 최소의 미분방정식과 대수방정식으로서 해석 프로그램을 작성한다. 궤도는 인장에 대하여 일정한 탄성을 가진다고 가정하며, 궤도에 의한 구속력을 직접 구하여 차량의 운동방정식에 외력으로 넣어주는 방법⁽¹⁾으로 모델링한다.
궤도는 인장에 대하여 일정한 탄성을 가진다고 가정하며, 궤도에 의한 구속력을 직접 구하여 차량의 운동방정식에 외력으로 넣어주는 방법⁽¹⁾으로 모델링한다. 그리고 데이터 입력 등 해석의 준비 작업을 수행하는 전처리기와 결과 데이터의 표현을 수행하는 후처리기를 Visual C++를 이용하여 GUI 환경으로 작성한다. 다양한 해석 결과들을 그래프로 출력할 수 있도록 하며 시스템의 동적거동 모습을 동영상으로도 가시화 한다.
시스템의 각 부품은 3차원 운동을 하는 강체로 모델링하며, 차체와 포탑, 포탑과 마운트, 차체와 보기륜 조합 사이에 각각 회전조인트로 연결되어 있고 마운트와 포신은 병진조인트로 연결되어 있다. 보기륜과 차체사이에 장착된 있는 현수장치는 회전스프링-감쇠기(rotaional spring-damper)로 모델링하며, 포신과 마운트사이에 장착된 반동장치(recoil system)는 병진 스프링-감쇠기 요소로 모델링한다. 엔진구동에 따른 충격력이 차체의 진동 나아가 명중률에 미치는 영향을 고려하기 위하여 엔진을 차체위에 4개의 마운트로 지지된 단진자를 가진 블록으로 모델링한다.
보기륜과 차체사이에 장착된 있는 현수장치는 회전스프링-감쇠기(rotaional spring-damper)로 모델링하며, 포신과 마운트사이에 장착된 반동장치(recoil system)는 병진 스프링-감쇠기 요소로 모델링한다. 엔진구동에 따른 충격력이 차체의 진동 나아가 명중률에 미치는 영향을 고려하기 위하여 엔진을 차체위에 4개의 마운트로 지지된 단진자를 가진 블록으로 모델링한다. 지지마운트는 세 방향으로 선형 또는 비선형특성을 가진 스프링 및 감쇠기로 모델링한다.
본 연구에서는 상대 조인트좌표를 일반좌표로 하여 시스템의 운동방정식을 라그랑지 방정식과 속도 및 가속도변환식을 이용하여 유도한 결과는 다음과 같다.^(2,3)
관성좌표계에서 조준경과 탄도계산기를 이용하여 표적을 향해 포신이 지향해야 할 방위각(azimuth) Θ와 고각(elevation) Φ를 구한 후, 포탑과 포신을 제어하기 위한 제어 기준각을 계산한다.
차체와 각 로드암 사이에 장착되어 있는 현수 장치를 차체와의 조인트점에 부착된 회전스프링감쇠기 요소⁽⁷⁾로 모델링한다. Figure 5는 일반적인 회전스프링-감쇠기 요소가 두 물체 사이의 회전 조인트에 부착된 것으로서 이 요소에 의하여 물체 i와 j에 작용하는 모멘트벡터 n^ki 및 n^kj는 각각 다음과 같다.
전처리기는 대화형 입력방식을 사용하며 많은 양의 데이터를 효율적으로 입력하기 위해 전처리기에서 기본적으로 입력되는 데이터를 미리 저장한 시뮬레이션 파일을 불러서 사용자가 해석하고자 하는 조건만 수정하여 해석 프로그램의 입력 파일을 생성할 수 있게 하였다.
각 물체의 초기 절대위치, 질량과 관성 모멘트, 궤도와 지면 등에 관련된 데이터를 입력하는 Dynamic/Control, 각 물체들을 연결하는 조인트 데이터를 입력하는 Joint Definition 그리고 관심접의 위치, 적분증분, 결과출력에 대한 데이터 등을 입력하는 Integration Option 등 3개의 메뉴로 전처리기를 구성하였다.
여기서는 시스템을 구성하는 각 물체의 질량, 관성모멘트 및 질량중심의 위치를 입력한다. 평형기의 특성, 탄의 특성 및 발사력 데이터, 좌우궤도의 속도 및 특성, 노면형상 및 토양특성, 각 휠의 반경 및 중심의 위치, 포탑과 포신의 구동제어관련 데이터를 입력한다. 그리고 포탄의 운동에 영향을 미치는 대기조건 및 표적의 운동 상태에 대한 데이터를 입력한다.
입력 데이터에 따라 해석한 후 후처리기 창의 Graph 버튼을 클릭하여 결과를 확대 및 축소가 가능한 그래프로 확인한다. 시스템의 각 물체와 관심점의 운동(위치, 속도, 가속도 및 각운동)을 시간영역 및 차체중심의 진행방향 위치에 대하여 출력한다.
앞에서 제시한 궤도 모델을 고속으로 주행하는 차량에 적용하여 동적거동을 해석하여 DADS 프로그램⁽⁸⁾으로 해석한 결과와 비교하고 본 소프트웨어의 다양한 그래프 출력화면을 보여준다. 차량은 궤도차량의 대표적인 기동성 시험 주행로인 Profile IV(콘크리트)를 40km/h로 직선 주행한다.
본 연구에서 고속으로 주행하는 궤도차량의 동역학 해석 소프트웨어를 개발하였다. 차량은 차체, 포탑, 포신, 마운트 등의 강체모델과 궤도를 보기륜에 힘을 전달하는 탄성을 가진 현으로 모델링하였으며 라그랑지 방정식과 속도변환기법을 이용하여 상대조인트 좌표로 시스템의 운동방정식을 기술하였다.
데이터 입력 등 해석의 준비작업을 수행하는 전처리기와 결과데이터의 표현을 수행하는 후처리기를 GUI 환경으로 구성하였으며, 다양한 해석 결과 데이터를 그래프 및 3차원 동영상으로 출력할 수 있도록 하였다.

대상 데이터

후처리기에서 CAD 데이터를 이용하여 차체, 포탑, 마운트, 포신, 좌우 각각 6개의 로드 휠로 궤도차량을 구성한다. 사용한 프로그램은 Visual C++을 기반으로 애니메이션을 위하여 OpenGL을 이용하였다.
으로 해석한 결과와 비교하고 본 소프트웨어의 다양한 그래프 출력화면을 보여준다. 차량은 궤도차량의 대표적인 기동성 시험 주행로인 Profile IV(콘크리트)를 40km/h로 직선 주행한다.

이론/모형

후처리기에서 CAD 데이터를 이용하여 차체, 포탑, 마운트, 포신, 좌우 각각 6개의 로드 휠로 궤도차량을 구성한다. 사용한 프로그램은 Visual C++을 기반으로 애니메이션을 위하여 OpenGL을 이용하였다.

성능/효과

애니메이션에서 시스템의 동적거동을 3차원 모델(solid 모델 또는 transparent 모델)을 통해 관찰하며 확대, 축소, 이동 및 회전기능이 있다. 차체의 롤, 피치, 요운동, 포탑의 선회, 포신의 주퇴운동을 관찰할 수 있으며, 주행 및 포발사 효과음을 들을 수 있다. 발사된 포의 표적 타격점, 명중률 등의 자료는 데이터 파일로 출력한다(Fig.

후속연구

효율적인 동역학 해석기법을 이용하여 개발된 본 소프트웨어는 다양한 주행조건과 환경에서의 궤도차량의 동역학 및 역동역학 해석 그리고 명중률 분석에 사용할 수 있으며 나아가 시스템의 성능향상을 위한 설계에 응용될 수 있으리라 사료된다. 또한 본 소프트웨어를 Visual C++를 이용하여 GUI환경으로 개발함으로써 사용자의 편의를 도모하였고 동역학 관련 소프트웨어 개발 기술의 발전이 기대된다.
효율적인 동역학 해석기법을 이용하여 개발된 본 소프트웨어는 다양한 주행조건과 환경에서의 궤도차량의 동역학 및 역동역학 해석 그리고 명중률 분석에 사용할 수 있으며 나아가 시스템의 성능향상을 위한 설계에 응용될 수 있으리라 사료된다. 또한 본 소프트웨어를 Visual C++를 이용하여 GUI환경으로 개발함으로써 사용자의 편의를 도모하였고 동역학 관련 소프트웨어 개발 기술의 발전이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	후처리기에서 에니메이션을 위해 이용한 프로그램은?	후처리기에서 CAD 데이터를 이용하여 차체, 포탑, 마운트, 포신, 좌우 각각 6개의 로드 휠로 궤도차량을 구성한다. 사용한 프로그램은 Visual C++을 기반으로 애니메이션을 위하여 OpenGL을 이용하였다.
	군사적 목적으로 사용되는 고속 궤도차량의 특징은?	군사적 목적으로 사용되는 고속 궤도차량은 높은 기동성과 안정성을 필요로 하고 구성 물체의 수가 많은 복잡한 시스템이다. 특히, 포를 탑재한 궤도차량에서 포신의 조준은 노면의 굴곡에 따른 차체의 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)와 같은 차량의 움직임에 많은 영향을 받는다.
	포를 탑재한 궤도차량에서 포신의 조준은 무엇에 영향을 받는가?	군사적 목적으로 사용되는 고속 궤도차량은 높은 기동성과 안정성을 필요로 하고 구성 물체의 수가 많은 복잡한 시스템이다. 특히, 포를 탑재한 궤도차량에서 포신의 조준은 노면의 굴곡에 따른 차체의 롤(roll), 피치(pitch), 요(yaw)와 같은 차량의 움직임에 많은 영향을 받는다. 따라서 궤도차량은 다양한 환경에서의 체계성능을 확인하기 위하여 동적 거동을 효과적으로 해석하는 소프트웨어의 개발이 필요하다.

참고문헌 (8)

McCullough, M. K. and Haug, E. J., 1985, "Terra-Dynamics of High Mobility Track Vehicles," Technical Rept. 85-22, Center for Computer Aided Design, Univ. of Iowa
Lee, B. H., Yoo, W. S. and Kwak, B. M., 1993, "A systematic Formulation for Dynamics of Flexible Multi-body System Using the Velocity Transformation Technique," Journal of Mechanical Engineering Science, ImechE, Vol. 207, Part C, No. 4, pp. 231-238

상세보기
Lee, B. H., 2003, "Inverse dynamic analysis of mechanical systems in joint coordinate space," Journal of Multibody Dynamics, ImechE, Vol. 217, Part K1, pp. 29-37

상세보기
Kerr, W. C., Jurkat, M. P. and Ehrlich, I. R., 1975, "Dynamics of Tracked Vehicles," Rept. STT-DL-1800, Davidson Lab, Stevens Inst. of Tech., Hoboken, New Jersey
Lee, B. H. and Souh, B. Y., 2006, "Dynamic Modeling and Analysis of a High Mobility Tracked Vehicle," Trans. of the KSME(A), Vol. 30, No. 11, pp. 1486-1493

원문보기 상세보기
Bekker, M. G., 1969, "Introduction to Terrain-Vehicle Systems," Univ. of Michigan Press, Ann Arbor MI
Nikravesh, P. E., 1988, Computer-Aided Analysis of Mechanical Systems, Prentice-Hall
DADS User's Manual, Computer Aided Design Software Inc.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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