복합재료 로터 블레이드는 각종 보강재와 더불어 적층된 형태로 구성되어 있어 그 단면 구조가 매우 복잡하고, 이로 인해 모델링에 어려움이 존재한다. 본 논문에서는 효율적인 로터 블레이드 단면 모델링을 위해 집합 연산에 기반 한 2차원 모델링 알고리듬을 활용하여 그래픽 사용자 환경을 갖춘 프로그램 KSec2D를 구현하였다. 구현된 프로그램을 이용하여 복잡한 로터 블레이드 단면 형상 모델링을 수행하고 이를 통해 복합재료 로터블레이드 모델링 시 개발된 프로그램의 유용성을 확인하였다.
복합재료 로터 블레이드는 각종 보강재와 더불어 적층된 형태로 구성되어 있어 그 단면 구조가 매우 복잡하고, 이로 인해 모델링에 어려움이 존재한다. 본 논문에서는 효율적인 로터 블레이드 단면 모델링을 위해 집합 연산에 기반 한 2차원 모델링 알고리듬을 활용하여 그래픽 사용자 환경을 갖춘 프로그램 KSec2D를 구현하였다. 구현된 프로그램을 이용하여 복잡한 로터 블레이드 단면 형상 모델링을 수행하고 이를 통해 복합재료 로터블레이드 모델링 시 개발된 프로그램의 유용성을 확인하였다.
Generally, modeling procedure of cross section of composite rotor blade is complicated and time-consuming, because it is made up of various stiffeners and multiple layers of composite materials. For efficient modeling of cross section of composite rotor blade, a modeling program so called KSec2D, wh...
Generally, modeling procedure of cross section of composite rotor blade is complicated and time-consuming, because it is made up of various stiffeners and multiple layers of composite materials. For efficient modeling of cross section of composite rotor blade, a modeling program so called KSec2D, which provides a user friendly GUI, is developed by using a 2D modeling algorithm based on set operation. By the developed program KSec2D, a modeling of complicated cross section of rotor blade is carried out. Through the demonstration, the usefulness of developed program in modeling procedure of cross section of composite rotor blade is verified.
Generally, modeling procedure of cross section of composite rotor blade is complicated and time-consuming, because it is made up of various stiffeners and multiple layers of composite materials. For efficient modeling of cross section of composite rotor blade, a modeling program so called KSec2D, which provides a user friendly GUI, is developed by using a 2D modeling algorithm based on set operation. By the developed program KSec2D, a modeling of complicated cross section of rotor blade is carried out. Through the demonstration, the usefulness of developed program in modeling procedure of cross section of composite rotor blade is verified.
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문제 정의
본 논문에서는 로터 블레이드 내부 구조의 단면 형상을 효율적으로 모델링하기 위해 차집합 기반의 모델링 알고리듬을 활용하여 그래픽 사용자 환경을 갖춘 윈도우 기반의 모델링 프로그램(KSec2D)을 구현하였다.
제안 방법
단면 해석을 위해서는 여러 가지 정보가 필요하기 때문에 단면 해석에 필요한 정보를 쉽고 간편하게 입력할 수 있도록 대화상자를 프로그램에 구현하였다. 모든 과정은 모델의 외곽선 정보를 입력하는 것으로 시작되며, 외곽선 정보는 사용자가 좌표를 직접 입력하거나 혹은 좌표가 기록되어 있는 파일을 통해 받아들일 수 있다.
20에 도시하였다. 심재의 탐색기능은 로터 블레이드의 맨 안쪽 폐곡선과 내부 구조물을 이루는 폐곡선을 이루는 선분 중에서 서로 겹치지 않은 선분들을 모두 찾아서 객체로 저장하는 방법을 사용하였다.
앞서 언급한 바와 같은 장점을 갖는 2차원 객체 차집합 연산의 구현을 위해 알고리듬을 구성하였으며, 구성된 (A-B) 차집합 연산 절차는 아래와 같다.
이러한 배경 하에 본 연구에서는 복합재료로 이루어진 복잡한 로터 블레이드의 단면 모델링을 편리하게 수행할 수 있는 모델링 프로그램을 개발하였으며, 개발된 로터 블레이드 모델링 프로그램은 협력연구를 통해 기 개발된 로터 블레이드 단면해석 모듈[7]과 통합하였다.
이에 본 연구에서는 2차원 차집합 연산을 이용하여 일정한 두께를 갖는 2차원 객체를 생성할 수 있는 기법을 활용하였다. 폐곡선 등으로 주어진 2차원 객체로부터 일정한 두께를 갖는 2차원 객체를 생성하기 위해서는 주어진 객체의 내부방향으로 일정한 오프셋을 가진 내부 형상을 구해야 한다.
이와 같이 경우마다 다를 수 있는 예외처리를 모두 구현하는 것은 한계가 있을 뿐만 아니라, 강건하고 일반적인 모델링 프로그램의 구성이라는 측면에서도 바람직하지 않다. 이에 본 연구에서는 로터 블레이드 단면 모델링뿐만 아니라 일반적인 형상에도 적용가능한 집합연산 기반의 알고리듬을 채택하고, 이를 기반으로 그래픽 사용자 환경을 갖춘 단면모델링 프로그램 KSec2D를 구현하였다.
전술한 알고리듬을 토대로 그래픽 사용자 환경을 갖춘 로터 블레이드 단면 모델링 프로그램 KSec2D를 개발하였다. 이 프로그램은 윈도우 기반으로 개발되었으며 이를 실행시키면 초기에 Fig.
대상 데이터
22와 같은 형상을 갖는 복합재료 블레이드를 모델링하여, 단면 해석 모듈을 이용한 해석을 수행하고 이를 실험결과[10]와 비교하였다. 블레이드 해석을 위해 2,185개의 3절점 삼각형 요소와 1,722개의 절점을 이용하였다. 복합재료의 적층각변화(15˚, 30˚, 45˚)에 대한 굽힘 및 비틀림 강성치를 비교하여 Table 1에 보였다.
데이터처리
또한 이를 통해 로터 블레이드를 구성하는 스파(spar), 외피보호막(erosion shield) 등 각종 구조물의 모델링을 쉽게 수행할 수 있음을 확인하였다. KSec2D프로그램을 사용하여 로터 블레이드 단면해석을 수행하고 실험결과와 비교하여 개발된 프로그램의 유용성을 확인하였다.
개발된 프로그램의 유효성을 확인하기 위해 Fig. 22와 같은 형상을 갖는 복합재료 블레이드를 모델링하여, 단면 해석 모듈을 이용한 해석을 수행하고 이를 실험결과[10]와 비교하였다. 블레이드 해석을 위해 2,185개의 3절점 삼각형 요소와 1,722개의 절점을 이용하였다.
이론/모형
⑤ 점을 생성한 후 Bower and Watson 알고리듬을 사용하여 요소를 생성하게 되는데 이때 각 해쉬 영역별로 요소를 생성하는 Local Mesh 알고리듬을 사용한다.
이때 생성되는 요소망은 로터 블레이드 내부 구조의 경계면에서 요소가 서로 일치할 수 있도록 생성하게 된다. 또한 로터 블레이드의 심재 부분과 같이 세밀한 요소가 크게 필요하지 않은 부위의 요소 개수를 줄이고 이를 통해 해석시간을 단축시키기 위해 요소망 생성 시 가중치를 부여하는 방법[9] 등을 활용하게 된다.
모델링이 완료되면 로터 블레이드의 내부 구조 형상은 각각의 객체로 저장되며, 저장된 객체에 대하여 요소망 생성을 진행하게 된다. 요소망을 생성하기 위해서는 영역기반 해쉬 구조를 이용한 삼각형 요소망 생성 알고리듬[8,9]이 사용되었으며 그 과정을 약술하면 아래와 같다.
성능/효과
앞전의 경우 여러 장의 외피가 겹치면서 윗면과 아랫면의 각이 좁아지기 때문에 내향 수직 벡터를 전진시켜 내부 형상을 구성하고자할 경우 형상의 꼬임이 발생할 수 있으며, 뒷전의 경우도 뒷전 외피 생성 과정에서 같은 문제가 발생할 수 있다. 그러나 2차원 객체 차집합 연산 알고리듬을 사용하면 Fig. 16에서 알 수 있듯이 형상의 꼬임 없이 성공적으로 모델링을 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.
모델링 예제로부터 2차원 객체의 차집합 연산 알고리듬을 통해 임의의 2차원 외곽 형상으로부터 일정한 두께를 갖는 2차원 객체를 편리하게 생성할 수 있음을 확인하였으며, 복잡한 형상의 모델링 시 발생할 수 있는 예외처리에 의한 오류를 제거할 수 있음을 확인하였다. 또한 이를 통해 로터 블레이드를 구성하는 스파(spar), 외피보호막(erosion shield) 등 각종 구조물의 모델링을 쉽게 수행할 수 있음을 확인하였다. KSec2D프로그램을 사용하여 로터 블레이드 단면해석을 수행하고 실험결과와 비교하여 개발된 프로그램의 유용성을 확인하였다.
모델링 예제로부터 2차원 객체의 차집합 연산 알고리듬을 통해 임의의 2차원 외곽 형상으로부터 일정한 두께를 갖는 2차원 객체를 편리하게 생성할 수 있음을 확인하였으며, 복잡한 형상의 모델링 시 발생할 수 있는 예외처리에 의한 오류를 제거할 수 있음을 확인하였다. 또한 이를 통해 로터 블레이드를 구성하는 스파(spar), 외피보호막(erosion shield) 등 각종 구조물의 모델링을 쉽게 수행할 수 있음을 확인하였다.
18에는 ㄷ형 스파(spar)와 I형 스파(spar)의 모습을 나타내었다. 차집합 연산 알고리듬을 사용하여 예외처리 없이 간단명료하게 구현할 수 있었으며, 스파(spar)는 모두 로터 블레이드 가장 안쪽의 폐곡선을 기반으로 Fig. 3의 방법으로 구현되었기 때문에 로터 블레이드의 외피와 완벽히 맞닿아 있는 것을 알 수 있다.
후속연구
향후 회전익기 로터 블레이드 설계와 풍력 발전기 터빈 블레이드 설계 시, 개발된 로터 블레이드 단면 모델링 프로그램 KSec2D를 효율적으로 활용할 수 있을 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재료 로터 블레이드의 모델링이 어려운 이유는 무엇인가?
복합재료 로터 블레이드는 각종 보강재와 더불어 적층된 형태로 구성되어 있어 그 단면 구조가 매우 복잡하고, 이로 인해 모델링에 어려움이 존재한다. 본 논문에서는 효율적인 로터 블레이드 단면 모델링을 위해 집합 연산에 기반 한 2차원 모델링 알고리듬을 활용하여 그래픽 사용자 환경을 갖춘 프로그램 KSec2D를 구현하였다.
단면구조가 매우 복잡한 복합재료 로터 블레이드의 효율적인 단면 모델링을 위해 무엇을 활용하였는가?
복합재료 로터 블레이드는 각종 보강재와 더불어 적층된 형태로 구성되어 있어 그 단면 구조가 매우 복잡하고, 이로 인해 모델링에 어려움이 존재한다. 본 논문에서는 효율적인 로터 블레이드 단면 모델링을 위해 집합 연산에 기반 한 2차원 모델링 알고리듬을 활용하여 그래픽 사용자 환경을 갖춘 프로그램 KSec2D를 구현하였다. 구현된 프로그램을 이용하여 복잡한 로터 블레이드 단면 형상 모델링을 수행하고 이를 통해 복합재료 로터블레이드 모델링 시 개발된 프로그램의 유용성을 확인하였다.
로터 블레이드의 해석은 무엇을 통해 수행되는가?
일반적으로 로터 블레이드의 해석은 1차원 보가정을 통해 수행[1,2]되며 이를 위해서는 여러가지 단면 물성치가 필요하다. 단면 물성치를 얻기 위한 단면 해석은 크게 단면 유한요소 이산화를 적용하는 방법과 박벽 보 이론에 근거한 단면중심선 기반 방법으로 나눌 수 있으며, 유한요소법을 기반으로 한 대표적인 프로그램으로는 VABS[2,3]를 들 수 있고, 박벽 보 이론에 기반하여 개발된 대표적인 프로그램으로는 PreComp[4], NuMAD[5] 등을 들 수 있다.
참고문헌 (10)
Berdichevski, V. L., Armanois, E. A., and Badir, A. M., "Theory of Anisotropic Thin-Walled Closed-Section Beams", Composites Engineering, Vol. 2, Nos. 5-7, 1992, pp. 411-432.
Cesnik, C. E. S., and Hodges, D. H., "VABS: A New Concept for Composite Rotor Blade Cross-Sectional Modeling", Journal of the American Helicopter Society, Vol. 42, No. 1, 1997, pp. 27-38.
Yu, W., Volovoi, V. V., Hodges, D. H., and Hong, X., "Validation of the Variational Asymptotic Beam Sectional Analysis", AIAA Journal, Vol. 40, No. 10, 2002, pp. 2105-2112.
Laird, D. L. , NuMAD User's Manual, Sandia National Laboratories, 2001
Chakravarty, U. K, "SectionBuilder: An innovative finite element tool for analysis and design of composite rotor blade cross-sections", Composite Structures, Vol. 92, 2010, pp. 284-294.
정성남, 박일주, 김광식, 조진연, 김태주, 김도형, "복합재료 로터 블레이드의 단면 해석 프로그램 개발", 제 2회 헬리콥터 심포지움 초록집, 2008, p. 12.
김한별, 영역 해쉬 그래프 분할 기법을 이용한 초대형 병렬 사면체 유한요소망 생성 기법 개발, 인하대학교 항공우주공학과 석사학위논문, 2006년 2월.
김광식, 조진연, 정성남, 김태주, "영역기반 해쉬 구조와 4진 트리 구조를 이용한 가중치 여 삼각형 요소망 생성기법 개발", 한국항공우주학회 2008년 춘계학술대회 논문집, 2008, pp. 110-113.
Chandra, R., and Chopra, I., "Structural Response of Composite Beams and Blades with Elastic Couplings", Composites Engineering, Vol. 2, Nos. 5-7, 1992, pp. 347-374.
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