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항공기 주익 구조물의 응력스펙트럼 및 피로수명 추정에 관한 연구
Fatigue Life and Stress Spectrum of Wing Structure of Aircraft 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.34 no.9=no.300, 2010년, pp.1185 - 1191  

강기원 (군산대학교 기계자동차공학부) ,  고승기 (군산대학교 기계자동차공학부) ,  최동수 (공군 군수사령부 항공기술연구소) ,  김태성 ((주)LSCable)

초록
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장기운영된 항공기에는 비행시간의 누적에 따라 다양한 피로균열이 발생하며 이는 운영상 안전성 및 가동률을 저하시키는 요인이 된다. 이의 해결을 위하여 피로임계위치(Fatigue critical location, FCL)에 대한 균열 진전 해석은 매우 중요하다. 그러나 이러한 장기 운영된 항공기의 경우, 균열 진전 해석에 필수적인 FCL에서의 응력 스펙트럼 획득은 거의 불가능한 실정이다. 본 연구에서는 장기운영된 항공기 주익 구조물의 FCL에서의 균열 진전 해석을 수행하기 위하여, 먼저 주익 구조물에 대한 2차원 하드카피 형태의 도면으로부터 구축된 3차원 CAD 모델에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 또한 이러한 유한요소해석 결과 및 제한된 하중배수 자료를 기반으로 FCL에서의 전달함수와 응력 스펙트럼을 산출하였다. 상기 자료를 바탕으로 상용 균열 진전 해석 코드인 NASGRO를 이용하여 FCL에서의 균열진전해석을 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Aged aircraft have several cracks as a results of long-term service, and these cracks affect the safety and decrease the rate of operation of the aircraft. To solve these problems, crack propagation analysis should be performed to determine the service life at fatigue critical location(FCL). It is, ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구의 목적인 항공기 주익 FCL 부위의 응력 스펙트럼 및 균열진전해석을 위해서는 주익 구조물의 3차원 모델링 데이터가 필요하다. 그러나 장기운영 항공기의 경우 이러한 데이터가 없는 관계로 기존에 존재하는 2D 도면 출력본과 범용 솔리드 모델링 코드인 CATIA V5(10)를 이용하여 주익 구조물의 3D 모델을 구축하였다.

가설 설정

  • 이러한 관통균열의 경우, 이의 발생초기부터 관통균열이었다고는 보기 어려우므로 이의 초기 형상은 코너 균열(corner crack)이었으며 이의 성장에 따라 관통 균열로 성장하였다고 보는 것이 타당하다. 따라서 이의 초기 형상은 평판에서의 타원형 코너 균열(quarter elliptical corner crack in plate)이고 이의 성장에 따라 관통 균열(through crack at edge of plate)로 천이 거동하고 이에 작용하는 응력은 균열면에 수직한 인장응력으로 가정하였다. 여기서, 코너 균열에서 관통균열로의 천이는 코너 균열이 대상 형상의 경계에 도달했을 때 즉, 코너 균열의 길이가 대상물의 두께와 같아졌을 때 이는 동일한 균열 길이는 같는 관통균열로 천이된다고 가정하였다.
  • 따라서 이의 초기 형상은 평판에서의 타원형 코너 균열(quarter elliptical corner crack in plate)이고 이의 성장에 따라 관통 균열(through crack at edge of plate)로 천이 거동하고 이에 작용하는 응력은 균열면에 수직한 인장응력으로 가정하였다. 여기서, 코너 균열에서 관통균열로의 천이는 코너 균열이 대상 형상의 경계에 도달했을 때 즉, 코너 균열의 길이가 대상물의 두께와 같아졌을 때 이는 동일한 균열 길이는 같는 관통균열로 천이된다고 가정하였다. 이러한 균열 천이거동은 NASGRO 프로그램에 통합되어 있는 알고리즘을 사용하였다.
  • 7은 이러한 대표적 하중 배수 선도를 디지타이징하여 나타낸 것이다. 이러한 항공기의 하중배수와 특정 부위에서의 응력은 선형 관계를 유지한다고 가정하여 특정 임무에서의 응력 스펙트럼의 형상에 대한 정보를 획득하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
장기운영된 항공기의 문제점은 무엇인가? 장기운영된 항공기에는 비행시간의 누적에 따라 다양한 피로균열이 발생하며 이는 운영상 안전성 및 가동률을 저하시키는 요인이 된다. 이의 해결을 위하여 피로임계위치(Fatigue critical location, FCL)에 대한 균열 진전 해석은 매우 중요하다.
장기 운영된 항공기 주익 구조물의 FCL에서의 균열 진전 해석을 수행하기 위하여 본 연구에서는 무엇을 수행하였는가? 그러나 이러한 장기 운영된 항공기의 경우, 균열 진전 해석에 필수적인 FCL에서의 응력 스펙트럼 획득은 거의 불가능한 실정이다. 본 연구에서는 장기운영된 항공기 주익 구조물의 FCL에서의 균열 진전 해석을 수행하기 위하여, 먼저 주익 구조물에 대한 2차원 하드카피 형태의 도면으로부터 구축된 3차원 CAD 모델에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 또한 이러한 유한요소해석 결과 및 제한된 하중배수 자료를 기반으로 FCL에서의 전달함수와 응력 스펙트럼을 산출하였다. 상기 자료를 바탕으로 상용 균열 진전 해석 코드인 NASGRO를 이용하여 FCL에서의 균열진전해석을 수행하였다.
공군에서 운영되고 있는 장기운영 항공기의 문제점은 무엇인가? 또한 이러한 균열진전해석을 위해서는 해당 FCL 부위의 응력스펙트럼 자료를 반드시 보유하고 있어야 한다.(8,9) 그러나 공군에서 운영되고 있는 장기운영 항공기 중 일부 기종의 경우, 임무 형태별 하중배수 자료만 일부 보유하고 있으며, FCL 부위의 3차원 모델링 및 응력스펙트럼 자료는 전무한 실정으로서 FCL 부위에 대한 파괴역학 기반 피로균열진전해석은 불가능한 실정이다.
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참고문헌 (16)

  1. Kim, W. D., 2007, "Fatigue Life Prediction of Composite Patch for Edge Cracked Aluminum Plate," Trans. of the KSAS, Vol. 35, No. 1, pp. 51-57. 

  2. Damage Tolerance Assessment Handbook, DOT/FAA/CT-93/69.1. 

  3. James, L. R., 1984, "Air Force Damage Tolerance Design Philosophy," ASTM STP 842, pp. 134-141. 

  4. Military Standard, 1975, "Aircraft Structural Integrity Program, Airplane Requirements," MIL-STD-1530A (USAF). 

  5. Baker, A.A. and Jones, R., 2002, "Advances in the Bonded Composite Repair of Metalic Aircraft Structure," Elsevier, Vol. 1, 2. 

  6. Jones, R. and Smith, W.R., 1995, "Continued Airworthiness of Composite Repairs to Primary Structures for Military Aircraft," Composite Structures, Vol. 33, pp. 17-26. 

  7. Kim W.D., 1999, "Experimental Study on the Center Crack Repair by Composite Patch," Trans. of the KSAS, Vol. 27, No. 8, pp.71-78. 

  8. Lee, H.Y., Hwang, M.S. and Kim, J.W., 2002, "Analysis Fatigue Life & Damage Tolerance for Engine Mount," Proceeding of KSAS, pp.408-411. 

  9. Shim, D.S., Hwang, D.Y. and Kim, J.K., 2002, "Prediction of Crack Growth in 2124-T851 Al-Alloy Under Flight-Simulation Loading," Trans. of the KSME(A), Vol. 26, No. 8, pp. 1487-1494. 

  10. CATIA V5, Users manual 

  11. ABAQUS 6.7 Users manual 

  12. HyperMesh 8.0 User manual 

  13. www.matweb.com 

  14. SwRI Report, 1996, "F-5 FMS Durability and Damage Tolerance Update Revised Final DADTA Report - F-5E/F Republic of Korea Air Force," SwRI 06-4222. 

  15. NASGRO. 6.0, 2009, Reference manual. 

  16. Willenborg, J., Engle, R.M. and Wood. H.A., 1971, "A Crack Growth Retardation Model Using an Effective Stress Concept," AFFDL-TM-71-1- FBR 

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