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문제 정의
- 여기서, ∆t는 시간 변화량이다. 본 연구에서는 부가된 비행체의 지상시험 운동제한 경계조건에 대해 비선형 다물체 동역학해석을 수행하여 충격하중 및 탄성체 구조물의 동적거동을 예측하였다.
- 스마트 무인기의 지상시험 시 비행체의 파손을 방지하고 발생 가능한 지상시험장치의 파손을 예방하기 위하여 비상하중조건 및 충돌시험 환경에 대한 구조해석 및 진동해석을 상용프로그램을 이용하여 수행하였다. 초기 설계된 모델에 대한 해석결과를 바탕으로 최종 설계를 완료하였으며, 설계 완료된 모델이 구조적 안정성을 확보하고 있으며 충돌에 대하여 어떠한 구조적 특성을 갖는지 검토하였다.
가설 설정
- 3)을 사용하였으며, 다물체 동역학해석에는 Mecano 모듈을 이용하였다[5]. 이 모듈은 탄성변형 충돌해석기법을 가정한 것으로, 변형에 따른 구조물의 에너지 흡수율이 작아 주어진 조건에 대한 탄성체의 반발력을 비교적 용이하게 보수적으로 예측할 수 있는 장점이 있다. 강체의 각운동량은 질점이 강체인 평판에 속해 있기 때문에 v = ω×r으로 나타낼 수 있다.
제안 방법
- 충돌해석은 구조해석을 수행하여 추가 보강이 이루어진 지상시험장치 모델을 롤방향 회전과 피치방향 회전에 대하여 해석을 수행하였으며, 구조물의 충돌에 대한 안정성을 파악하였다. Fig. 11과 같이 지상시험장치에 비행체 대신 집중질량과 관성력을 부가하였고, 질량중심과 완충기를 강체 빔으로 연결한 후 계산된 충격하중(moment)을 부가하는 방법으로 해석을 수행하였다. 하중은 충돌이 가해지는 지상시험장치에서 최초에 발생하여 아래로 전달될 것으로 예상되어 회전 각속도에 대한 시간범위를 예상하여 한번 부딪혀서 나오는 1주기 정도의 시간인 0.
- 지상시험장치의 비상하중조건과 충돌조건에 대한 다물체 동역학 및 구조해석은 유한요소해석기법을 활용하였다[1]. Fig. 2는 스마트 무인기가 장착된 형상으로서, 본 연구에서는 지상시험장치의 방향별 최대 하중 조건을 비행체의 무게에 대하여 윗 방향, 뒷 방향으로 각각 1.5G, 앞 방향, 옆 방향, 아랫방향으로 각각 4G의 공력하중을 가해주었으며 3배의 안전계수를 적용하였다. 또한 충돌해석을 위해 피치 각속도, 롤 각속도에 대해서 운용 최대속도에 1.
- 54로 나타나 구조물의 보강이 요구되었다. 구조물의 보강은 평판의 두께를 증가시켰으며 높은 응력 분포가 발생된 구조물에 보강재를 추가하였다. 최종 보강된 구조물의 해석결과, Fig.
- 비구조물은 질량정보(관성력)는 고려되어야 하지만 구조강성 정보는 고려할 필요가 없는 구조물을 말하며, 집중질량으로 모델링하여 움직임에 따른 관성력 특성이 부과되도록 하였다. 구조물의 재료 물성치는 탄성계수가 200GPa, 밀도는 7,850kg/m3, 프와송 비로 0.3을 적용하였다.
- 지상시험장치의 안정성 검토를 위해 초기 설계된 모델에 대하여 선행적 구조해석 및 진동해석을 수행하였다. 그에 따른 해석결과를 바탕으로 구조적으로 취약한 부분에 대해 설계를 보강, 수정하여 반복해석을 수행한 후 지상시험장치의 안전율을 최종적으로 확보하였다. Fig.
- 이동 구조물과 중간 구조물은 보강 전 해석에서 음의 안전계수가 나타났으며, 보강 후에는 충분한 안전율을 확보하였다. 또한 주요 해석수행대상인 중간 구조물, 이동 구조물 및 지지 구조물에 대하여 세부 구조해석 결과를 도출하였다.
- 비행체를 집중질량으로 고려하여 지상시험장치와 연결되는 지점에 RBE(Rigid Bar Element, 강체봉)로 연결한 후 공력하중과 안전계수를 고려한 집중하중을 가하였다. 왼쪽아래 부분의 하중은 장치의 수직방향 왕복 직선운동자유도를 위해 고안된 무게 추 역할을 담당하는 자중으로서 질량중심 위치에 가하였다.
- 지상시험장치 아랫부분에 해당하는 지지 구조물에 대하여 구조해석을 수행하였다. 비행체의 자중(1,040kg)과 지지 구조물을 제외한 지상시험장치의 자중(4,511kg)을 각각 무게 중심 위치에 집중질량으로 부가하여 해석을 수행하였으며, 최대응력이 Fig. 9와 같이 bolting 결합 구조물에서 311MPa로 나타나 인장강도 이내 안전율을 확보하였다.
- 상부에 4자유도를 가지면서 움직이는 스마트 무인기는 집중질량 개념의 비구조 요소로 모델링하였으며, 지상시험장치는 중간 구조물과 Z방향 병진 자유도를 가지는 이동 구조물, 그리고 지면에 부착되어 있는 지지구조물로 구성되어 있다. 장치대의 총 질량은 5,551kg이고, 중간 구조물을 포함한 구조질량은 4,511kg이며, 스마트 무인기를 포함한 비 구조질량은 1,040kg이다.
- 세로방향 보강재를 세우고 중간 구조물 프레임(middle structure frame)의 두께를 기존의 3mm에서 8～9mm로 증가시켰으며, 전체적인 날개방향 프레임의 길이를 줄여서 보다 안정적인 형상이 되도록 하였으며, 측면 구조물에는 면 접촉을 가지는 보강재를 추가하였다. 또한 1,393MPa의 인장강도를 가지는 강한 재질(Ar400)로 변경하여 초기설계보다 큰 안전율을 확보할 수 있게 되었다.
- 스마트 무인기의 지상시험 시 비행체의 파손을 방지하고 발생 가능한 지상시험장치의 파손을 예방하기 위하여 비상하중조건 및 충돌시험 환경에 대한 구조해석 및 진동해석을 상용프로그램을 이용하여 수행하였다. 초기 설계된 모델에 대한 해석결과를 바탕으로 최종 설계를 완료하였으며, 설계 완료된 모델이 구조적 안정성을 확보하고 있으며 충돌에 대하여 어떠한 구조적 특성을 갖는지 검토하였다.
- 유한요소해석을 위해 Fig. 5와 같이 전체 지상시험장치를 크게 구조물과 비구조물로 나누어 정의하였다. 비구조물은 질량정보(관성력)는 고려되어야 하지만 구조강성 정보는 고려할 필요가 없는 구조물을 말하며, 집중질량으로 모델링하여 움직임에 따른 관성력 특성이 부과되도록 하였다.
- 지상시험장치 아랫부분에 해당하는 지지 구조물에 대하여 구조해석을 수행하였다. 비행체의 자중(1,040kg)과 지지 구조물을 제외한 지상시험장치의 자중(4,511kg)을 각각 무게 중심 위치에 집중질량으로 부가하여 해석을 수행하였으며, 최대응력이 Fig.
- 지상시험장치의 안정성 검토를 위해 초기 설계된 모델에 대하여 선행적 구조해석 및 진동해석을 수행하였다. 그에 따른 해석결과를 바탕으로 구조적으로 취약한 부분에 대해 설계를 보강, 수정하여 반복해석을 수행한 후 지상시험장치의 안전율을 최종적으로 확보하였다.
- 완충기의 사양은 최고 반력으로 450N이 발생하도록 부가하였다. 충돌 모델링은 변위가 100mm 변형 후 강성을 충분히 큰 값을 부가하여 완충효과가 100mm 변형동안만 작동하며 변형 후 충돌 효과가 나타나도록 모델링하였다. 롤 방향 운동에 대한 충돌 해석 결과로 Fig.
- 충돌해석은 구조해석을 수행하여 추가 보강이 이루어진 지상시험장치 모델을 롤방향 회전과 피치방향 회전에 대하여 해석을 수행하였으며, 구조물의 충돌에 대한 안정성을 파악하였다. Fig.
- 11과 같이 지상시험장치에 비행체 대신 집중질량과 관성력을 부가하였고, 질량중심과 완충기를 강체 빔으로 연결한 후 계산된 충격하중(moment)을 부가하는 방법으로 해석을 수행하였다. 하중은 충돌이 가해지는 지상시험장치에서 최초에 발생하여 아래로 전달될 것으로 예상되어 회전 각속도에 대한 시간범위를 예상하여 한번 부딪혀서 나오는 1주기 정도의 시간인 0.15초까지 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 상부에 4자유도를 가지면서 움직이는 스마트 무인기는 집중질량 개념의 비구조 요소로 모델링하였으며, 지상시험장치는 중간 구조물과 Z방향 병진 자유도를 가지는 이동 구조물, 그리고 지면에 부착되어 있는 지지구조물로 구성되어 있다. 장치대의 총 질량은 5,551kg이고, 중간 구조물을 포함한 구조질량은 4,511kg이며, 스마트 무인기를 포함한 비 구조질량은 1,040kg이다. Fig.
- 지상시험장치의 대략적인 형상은 가로세로 약 5m × 5m이고, 비행체를 제외한 높이가 약 3m이다. 지상시험장치의 구조진동해석을 위한 3차원 동적 유한요소모델은 Fig. 4와 같이 절점 187,023개와 요소 363,665개를 사용하여 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 탄성변형 충돌해석기법에서는 변형에 따라 재료 물성치가 변하지 않고 초기 값을 그대로 적용하는 것에 비해, 소성변형 충돌해석기법에서는 대변형 및 파손 효과에 따른 강성 변화를 지속적으로 고려하여 비선형해석을 수행하게 된다. 본 연구에서 지상시험장치의 충돌해석은 유럽 SAMTECH사에서 개발한 범용 유한요소해석 프로그램인 SAMCEF(Ver. 6.3)을 사용하였으며, 다물체 동역학해석에는 Mecano 모듈을 이용하였다[5]. 이 모듈은 탄성변형 충돌해석기법을 가정한 것으로, 변형에 따른 구조물의 에너지 흡수율이 작아 주어진 조건에 대한 탄성체의 반발력을 비교적 용이하게 보수적으로 예측할 수 있는 장점이 있다.
- 본 연구에서는 구조강도해석을 위해 아래와 같은 Von-Mises 응력 기준식을 적용하였다.
- 는 각 면의 주응력 성분들이다. 본 연구에서의 모델과 같이 복잡한 연속계 구조물은 단일 자유도계로 모델링하는 것이 거의 불가능하며, 다자유도계(MDOF : Multi Degree-of-Freedom)로 모델링해야 한다[4]. 다자유도계 탄성 시스템의 운동방정식은 다음과 같이 행렬방정식으로 표현된다.
- 한편, 본 연구에서의 모델은 비행체의 시험운동 조건과 이의 최대 운동변위를 제한하기 위한 지지구조물의 충돌조건에 대한 해석이 필수적으로 요구된다. 전술한 바와 같이 본 연구에서는 효율적인 전산해석을 수행하기 위해 유연 다물체 동역학(FMBD : Flexible Multi-Body Dynamics)해석을 위한 비선형 유한요소법을 적용하였다. 적용된 수치접근법은 비선형 유한요소법에 사용되며 유연 다물체 동역학의 함수로 표현된다.
- 1은 스마트 무인기 지상시험장치 해석을 위한 전반적인 연구수행 단계를 보여주고 있다. 지상시험장치의 비상하중조건과 충돌조건에 대한 다물체 동역학 및 구조해석은 유한요소해석기법을 활용하였다[1]. Fig.
성능/효과
- 3의 왼쪽과 같은 형상으로 중간 구조물의 경우 550MPa의 인장강도를 가지는 강재(SM45C)로 설계되었으나, 선행 구조해석 결과 인장강도보다 높은 응력이 몇몇 부재에서 발생하여 SM45C보다 큰 인장강도를 가지는 재질로 보강하였다. 구조물의 형상은 두께가 증가하거나 보강재가 추가되어 최종적으로 지상시험장치의 안전율을 확보하였다.
- 구조해석 결과, 초기모델에 대하여 응력이 인장강도보다 높게 나타났는데 모서리 부분과 하중을 지지하는 평판에서 파손이 발생되었다. 구조에 발생한 최대응력은 윗부분, 아랫부분 각각 1,320MPa, 1,009MPa이며, 안전율은 -0.58, -0.54로 나타나 구조물의 보강이 요구되었다. 구조물의 보강은 평판의 두께를 증가시켰으며 높은 응력 분포가 발생된 구조물에 보강재를 추가하였다.
- 경계조건은 arm assembly link구조물과 이동 구조물의 힌지-볼트(hinge-bolting)결합을 접촉요소로 정의하였다. 구조해석 결과, 초기모델에 대하여 응력이 인장강도보다 높게 나타났는데 모서리 부분과 하중을 지지하는 평판에서 파손이 발생되었다. 구조에 발생한 최대응력은 윗부분, 아랫부분 각각 1,320MPa, 1,009MPa이며, 안전율은 -0.
- 세로방향 보강재를 세우고 중간 구조물 프레임(middle structure frame)의 두께를 기존의 3mm에서 8～9mm로 증가시켰으며, 전체적인 날개방향 프레임의 길이를 줄여서 보다 안정적인 형상이 되도록 하였으며, 측면 구조물에는 면 접촉을 가지는 보강재를 추가하였다. 또한 1,393MPa의 인장강도를 가지는 강한 재질(Ar400)로 변경하여 초기설계보다 큰 안전율을 확보할 수 있게 되었다. 응력분포는 Fig.
- 12와 같이 지상시험장치의 응력을 시간 영역에 따른 그래프로 나타내었다. 롤 방향 운동에 대한 충돌해석을 수행하였으며, 최대등가응력은 약 0.04초 동안 200MPa이 발생하여 재료의 인장강도 내에 포함되고 있음을 보여주었다.
- Table 1은 보강 전 구조물에 대한 결과이고, Table 2는 보강 후 구조물에 대한 결과이다. 이동 구조물과 중간 구조물은 보강 전 해석에서 음의 안전계수가 나타났으며, 보강 후에는 충분한 안전율을 확보하였다. 또한 주요 해석수행대상인 중간 구조물, 이동 구조물 및 지지 구조물에 대하여 세부 구조해석 결과를 도출하였다.
- 이동 구조물은 지상시험장치 초기 설계 시 응력이 가장 크게 발생할 것으로 예상된 구조물이었으나, 이동 구조물을 연결하는 arm assembly link의 재질을 인장강도가 1,393MPa인 재질(Ar400)로 변경함으로써 하중전달을 다소 경감시켜 시킬 수 있었다. 경계조건은 arm assembly link구조물과 이동 구조물의 힌지-볼트(hinge-bolting)결합을 접촉요소로 정의하였다.
- 78까지 나타나 지상시험장치의 파손이 야기될 수 있었다. 이에 따라 구조물의 부분적인 형상 및 재질 변경 등의 설계 개선이 이루어졌으며, 보강설계가 이루어진 후 수행된 재해석 결과에서는 모든 구조물이 인장강도 이하의 응력분포를 보여 구조적으로 안전하다는 결과를 얻을 수 있었다. 충돌해석 결과에서는 1.
- 구조물의 보강은 평판의 두께를 증가시켰으며 높은 응력 분포가 발생된 구조물에 보강재를 추가하였다. 최종 보강된 구조물의 해석결과, Fig. 8에서와 같이 최대응력이 각각 511.8MPa, 399.1MPa, 안전율은 0.07, 0.38로서 충분한 안전여유가 확보되었음을 알 수 있다.
- 이에 따라 구조물의 부분적인 형상 및 재질 변경 등의 설계 개선이 이루어졌으며, 보강설계가 이루어진 후 수행된 재해석 결과에서는 모든 구조물이 인장강도 이하의 응력분포를 보여 구조적으로 안전하다는 결과를 얻을 수 있었다. 충돌해석 결과에서는 1.5배의 안전계수를 적용하여 해석한 결과, 발생된 응력 수준이 인장강도에 포함되어 충분한 안전여유를 확보하고 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 검토된 지상시험장치는 무인기의 제어 및 안정성 검토를 위한 지상시험 구조물로써 시험운용 중 발생하는 공력하중 및 충돌에 대한 구조적 안정성을 충분히 확보하고 있다고 사료된다.
후속연구
- 5배의 안전계수를 적용하여 해석한 결과, 발생된 응력 수준이 인장강도에 포함되어 충분한 안전여유를 확보하고 있음을 알 수 있었다. 본 연구에서 검토된 지상시험장치는 무인기의 제어 및 안정성 검토를 위한 지상시험 구조물로써 시험운용 중 발생하는 공력하중 및 충돌에 대한 구조적 안정성을 충분히 확보하고 있다고 사료된다.
- 한편, 본 연구에서의 모델은 비행체의 시험운동 조건과 이의 최대 운동변위를 제한하기 위한 지지구조물의 충돌조건에 대한 해석이 필수적으로 요구된다. 전술한 바와 같이 본 연구에서는 효율적인 전산해석을 수행하기 위해 유연 다물체 동역학(FMBD : Flexible Multi-Body Dynamics)해석을 위한 비선형 유한요소법을 적용하였다.
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