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문제 정의
- 본 논문에서는 FAA에서 1차적으로 과주방지 포장재료의 적합성을 평가하는데 사용되고 있는 ARRESTOR 프로그램과 비선형 동적해석이 가능한 3차원 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 항공기가 과주방지 포장시스템에 진입하였을 경우 제동거리, 항공기 바퀴의 관입깊이, 수직력, 견인력 및 감속도를 비교하였다. 이러한 비교검증을 바탕으로 항공기 과주방지 포장시스템 시뮬레이션의 적합성을 평가하는데 목적이 있다.
- 과주방지 포장시설의 시뮬레이션은 항공기 착륙기어의 복잡한 구조와 과주방지 포장재료의 비선형 거동, 포장재의 형상이 일정하지 않은 기하학적인 형상을 가지므로 이러한 계산은 매우 복잡하다. 따라서 본 연구에서는 파괴, 충돌 등의 해석에 뛰어난 장점이 있는 프로그램 중 LSTC社에서 개발한 LS-DYNA를 이용하여 과주방지 포장시스템의 제동능력을 시뮬레이션 하였다. LS-DYNA는 비선형 동적해석을 짧은 시간 내에 효율적으로 수행할 수 있는 외삽법(Explicit 해석기법)을 적용하여 고난도의 비선형 구조해석 문제를 해결할 수 있다.
- 본 연구에서는 항공기의 활주로 과주사고에 따른 피해를 최소화하기 위해 설치되는 과주방지 포장시스템에 대한 성능평가방법을 비교하여 보다 정확한 수치해석 방법을 제안하기 위하여 수행하였다. 항공기 과주방지 포장시스템의 시뮬레이션 평가 방법은 현재 미국FAA에서 사용하고 있는 ARRESTOR 프로그램과 3차원 비선형 동적 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 비교·검토 하였으며, 결과는 다음과 같다.
가설 설정
- 과주방지 포장재료가 항복 이후의 소성구간에서 변형경화곡선이 고차함수의 포물선을 나타내고 있으나, 해석 시간의 단축 및 실제 경향과 유한요소해석 경향의 많은 차이를 보이지 않기 때문에 동적 비선형 유한요소프로그램인 LS-DYNA에서 과주방지 포장재료의 물리적인 특성을 실제 경향과 비슷하게 되도록 하기 위하여 탄성구간 이 후의 소성상태에서의 변형경화율(strain-hardening rate)을 0으로 하여 완전소성거동상태로 가정하였다. 그림 7은 실험을 통한 재료 응력-변형률 곡선과 LS-DYNA에 적용한 응력-변형률 곡선을 나타낸 그래프이다.
제안 방법
- 본 논문에서는 FAA에서 1차적으로 과주방지 포장재료의 적합성을 평가하는데 사용되고 있는 ARRESTOR 프로그램과 비선형 동적해석이 가능한 3차원 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 항공기가 과주방지 포장시스템에 진입하였을 경우 제동거리, 항공기 바퀴의 관입깊이, 수직력, 견인력 및 감속도를 비교하였다. 이러한 비교검증을 바탕으로 항공기 과주방지 포장시스템 시뮬레이션의 적합성을 평가하는데 목적이 있다.
- 과주방지 포장시설의 단면은 그림 9와 같이 항공기가 포장재의 진입 시 항공기의 손상을 줄이기 위하여 진입부에 24m 길이의 램프경사들 두어 기하학적인 단면으로 설정하였다. 과주방지 포장재가 설치되는 총 길이는 157m로 하였으며, 폭은 항공기 메인기어의 폭을 고려하여 10m로 결정하였다.
- 본 연구에서는 B737-800 항공기에 대하여 시뮬레이션 기초를 연구하고 항공기가 활주로 종단을 과주하였을 때 과주방지 포장재의 견인작용으로 인한 포장시설 내에서 제동거리를 분석하고 속도 및 견인력, 관입 깊이 등에 대한 해석결과를 도출하여 ARRESTOR 프로그램을 통한 검토결과와 비교분석하였다.
- 항공기는 그림 13과 같이 모델링 하였다. 그리고 항공기의 기하학적인 형상이 좌우 대칭인 관계로 반단면 조건을 적용하여 모델을 구성하였으며 항공기의 중량은 최대 이륙중량으로 설정하였다. 과주방지 포장시스템에 접근할 때의 항공기 속도는 활주로 종단을 어떠한 역 추력이 없는 조건을 가지는 130km/hr(70knot)로 과주하는 것으로 설정하였으며 역 추력 및 제동장치를 사용하지 않는 조건으로 검토하였다.
- 그리고 항공기의 기하학적인 형상이 좌우 대칭인 관계로 반단면 조건을 적용하여 모델을 구성하였으며 항공기의 중량은 최대 이륙중량으로 설정하였다. 과주방지 포장시스템에 접근할 때의 항공기 속도는 활주로 종단을 어떠한 역 추력이 없는 조건을 가지는 130km/hr(70knot)로 과주하는 것으로 설정하였으며 역 추력 및 제동장치를 사용하지 않는 조건으로 검토하였다.
- 항공기 과주방지 포장시스템의 시뮬레이션 평가 방법은 현재 미국FAA에서 사용하고 있는 ARRESTOR 프로그램과 3차원 비선형 동적 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 비교·검토 하였으며, 결과는 다음과 같다.
대상 데이터
- 시뮬레이션에 적용한 항공기는 국내 항공사에서 가장 많이 보유하고, 활주로 이용이 가장 많은 기종인 보잉사 B737-800으로 결정하였으며 B737-800의 제원은 그림 3과 같다. 항공기의 무게중심(C.
- 과주방지 포장재료의 물성치는 「항공기 과주방지 포장시스템에 적합한 저강도 펄라이트 콘크리트의 개발 및 적합성 연구」(김춘선 등, 2010)에서 실험한 재료를 적용하였으며 재료에 대한 일축압축강도 실험 결과는 그림 6과 같다.
- 미국 FAA에서 사용하는 ARRESTOR 프로그램의 경우 포장재료에 대한 입력 데이터는 그림 8과 같이 관입실험을 통한 결과를 적용하였다. 본 연구에서 적용한 포장재료에 대한 관입실험결과는 그림 6에서 측정한 재료와 동일한 방식으로 만든 case3을 이용하여 실험한 관입실험 결과를 이용하였으며, 실험 결과는 「항공기 과주방지 포장시스템에 적합한 저강도 펄라이트 콘크리트의 개발 및 적합성 연구」(김춘선 등, 2010)의 3.
- 과주방지 포장시설의 단면은 그림 9와 같이 항공기가 포장재의 진입 시 항공기의 손상을 줄이기 위하여 진입부에 24m 길이의 램프경사들 두어 기하학적인 단면으로 설정하였다. 과주방지 포장재가 설치되는 총 길이는 157m로 하였으며, 폭은 항공기 메인기어의 폭을 고려하여 10m로 결정하였다. 그리고 과주방지 포장시스템의 높이는 항공기 바퀴 지름이 약 1.
- 노즈(Nose)기어의 타이어 크기는 27×7.76R15, 메인(Main)기어의 타이어 크기는 H44.5×16.5-21를 사용하였으며, 착륙기어에서 과주방지 포장재와 같이 완충작용을 해주는 타이어의 공기압은 185psi를 적용하였다.
- 그림 12는 과주방지 포장시설 및 기초, 항공기의 전체 모델을 나타내고 있으며, 항공기의 요소(Element)의 개수는 29,317개, 과주방지 포장재의 개수는 2,228,310개, 기초의 개수는 239,207개를 사용하여 모델링하였으며, 과주방지 포장의 재료파괴 모델은 Soil And Foam Failure를 사용하였다.
데이터처리
- 미국 FAA에서 사용하는 ARRESTOR 프로그램의 경우 포장재료에 대한 입력 데이터는 그림 8과 같이 관입실험을 통한 결과를 적용하였다. 본 연구에서 적용한 포장재료에 대한 관입실험결과는 그림 6에서 측정한 재료와 동일한 방식으로 만든 case3을 이용하여 실험한 관입실험 결과를 이용하였으며, 실험 결과는 「항공기 과주방지 포장시스템에 적합한 저강도 펄라이트 콘크리트의 개발 및 적합성 연구」(김춘선 등, 2010)의 3.3.4 관입강도실험 결과를 이용하였다. 관입강도실험 결과는 그림 8과 같다.
이론/모형
- 미연방항공청에서는 1984년에 발생한 JFK 국제공항에서의 사고를 계기로 1986부터 과주방지 포장시스템을 연구하기 시작하였다. 그 후 1995~96년도에 기포 콘크리트를 이용한 시험에서 성공한 뒤 과주방지 포장시스템의 설계기준인 AC 150/5220-22 기준서를 발행하였다. 1999년에 발행한 FAA Order 5200.
성능/효과
- 분석 결과, ARRESTOR는 60m 구간 내에서는 선형을 보이다가 이후 구간에서는 비선형을 보이면서 감속하여 143m에서 정지하였으며, 시뮬레이션(LS-DYNA)은 그림 16과 같이 램프구간(0∼20m)까지는 선형으로 감소하다가 램프구간 이후 속도가 급격하게 감소하여 속도가 낮은구간(130~140m)에서 비선형을 나타내면서 140m에서 정지하는 것으로 분석되었다.
- ARRESTOR 프로그램 해석 결과, 0~45m 구간 내에서는 0.25×105 N으로 일정한 견인력이 발생되다가, 45m~95m 구간에서는 낮은 견인력을 보이며 95m 구간 이후 급격하게 증가하여 최대 1.32×105 N까지 발생되었다.
- 시뮬레이션 해석 결과, 최대 견인력은 제동거리가 27m인 지점에서 2.30×105 N이 발생하였으며, 항공기의 이탈속도가 감소함에 따라 약 0.7×105 N의 견인력으로 수렴하는 규칙적인 경향을 나타내었다.
- ARRESTOR 프로그램 해석 결과, 메인(Main)기어 최대 견인력은 3.79×105 N이 발생하였으며, 평균적으로 3.0×105 N의 견인력에서 불규칙한 변화를 나타내었다.
- 시뮬레이션 해석 결과, 최대 견인력은 제동거리 43m 구간에서 2.9×105 N이 발생되었으며, 항공기의 이탈속도가 감소할수록 노즈기어의 견인력은 감소하는 경향을 보였다.
- ARRESTOR 프로그램은 계산식을 단순반복 수행하여 나온 결과로서 항공기 속도가 감속될수록 견인력이 매우 증가되는 것으로 분석되었으나, 시뮬레이션 결과는 속도 감속으로 인해 정지하기까지 점차 견인력 또한 감소하는 것으로 분석되어 실제 항공기의 속도가 감소하면 견인력 또한 시뮬레이션 결과와 같이 감소할 것으로 판단된다.
- ARRESTOR 프로그램 해석 결과 노즈기어의 수직력은 제동거리가 93m 지점까지는 불규칙하게 변하면서 평균 1.2×105 N의 수직력을 나타내고 있었으나, 그 이후 수직력이 급격하게 증가하여 제동거리 128m 지점에서 2.76×105 N의 최대 수직력이 발생하였다.
- 시뮬레이션 해석결과 최대 수직력은 과주방지 포장시스템에 진입 초기에 5.63×105 N이 발생하였으며, 이탈속도가 감소함에 따라 3.6×105 N의 견인력으로 수렴하는 경향을 나타내었다.
- ARRESTOR 프로그램 해석 결과 메인(Main)기어 최대 수직력은 4.36×105 N이 발생하였으며, 평균적으로 3.0×105 N의 견인력을 나타내었다.
- 시뮬레이션 해석결과 과주방지 포장시스템에 진입한 이후 60m 구간까지는 수직력의 편차가 크게 발생하여 50m 지점에서 3.16×105 N의 최대수직력이 발생되었으며 다소 불규칙한 경향을 나타내었다, 그러나 60m 구간 이후 수직력이 감소하면서 1.0×105 N으로 수렴하는 경향을 나타내었다.
- ARRESTOR 프로그램 해석 결과, 노즈기어의 최대 포장재 관입 깊이는 385mm로 나타났으며, 메인기어의 최대 포장재 관입 깊이는 441mm로 나타났다. 그리고 시뮬레이션 해석결과 노즈기어의 최대 포장재 관입 깊이는 208mm로 나타났으며, 메인기어의 최대 포장재 관입 깊이는 268mm로 분석되었다.
- 그리고 시뮬레이션 해석결과 노즈기어의 최대 포장재 관입 깊이는 208mm로 나타났으며, 메인기어의 최대 포장재 관입 깊이는 268mm로 분석되었다. 전체 포장재 깊이에 따른 관입량은 ARRESTOR의 경우 최대 74%까지 관입한 것으로 검토되었으며, LS-DYNA의 경우 45%까지 관입한 것으로 검토되었다.
- ARRESTOR 프로그램은 과주방지 포장재와 항공기의 구조물들을 등가 단축모델로 구성되어 수식으로 이루어져 계산되며, 시뮬레이션(LS-DYNA)은 3차원 비선형 동적해석으로 과주방지 포장재와 항공기의 구조물들을 실제와 동일하게 이루어져 해석되는 차이가 있다. 시뮬레이션 해석결과, 노즈(Nose)기어의 경우 무게중심에 따라 관입보다는 포장재 위를 타려는 현상이 나타났으며, 메인(Main)기어의 경우 관입량은 ARRESTOR보다 시뮬레이션 결과가 더 적은 것으로 나타났다.
- 1. 항공기의 제동거리를 검토한 결과 ARRESTOR의 경우 143m로 검토되었고, LS-DYNA는 140m가 검토되어 두 가지 모두 비슷한 제동거리가 발생되는 것으로 검토되었다. 또한 ARRESTOR의 경우 0~60m 구간은 선형적으로 감소하다가 60m 구간 이후 비선형적으로 감소하였으나, LS-DYNA해석 결과 0~20m 구간은 선형적으로 감소하다가 20m 이후 급격하게 감속되었고, 저속도 구간인 120m 이후부터 비선형적으로 감소하였다.
- 항공기의 제동거리를 검토한 결과 ARRESTOR의 경우 143m로 검토되었고, LS-DYNA는 140m가 검토되어 두 가지 모두 비슷한 제동거리가 발생되는 것으로 검토되었다. 또한 ARRESTOR의 경우 0~60m 구간은 선형적으로 감소하다가 60m 구간 이후 비선형적으로 감소하였으나, LS-DYNA해석 결과 0~20m 구간은 선형적으로 감소하다가 20m 이후 급격하게 감속되었고, 저속도 구간인 120m 이후부터 비선형적으로 감소하였다.
- 2. 항공기 기어에 작용하는 견인력을 검토한 결과 노즈기어에 작용하는 견인력의 경우 ARRESTOR 검토결과 속도가 크게 감속되는 100m 구간 이후 견인력이 최대로 증가되는 것으로 검토되었으나, LS-DYNA의 경우 45m지점에서 최대로 증가하였으며 그 이후 점차 감소하는 것으로 나타났다. 또한 메인기어에 작용하는 견인력의 경우 평균적으로 노즈기어보다 작용하는 견인력이 보다 크게 발생되었으며, 이러한 결과는 항공기의 무게중심이 메인기어에서 전방으로 1.
- 항공기 기어에 작용하는 견인력을 검토한 결과 노즈기어에 작용하는 견인력의 경우 ARRESTOR 검토결과 속도가 크게 감속되는 100m 구간 이후 견인력이 최대로 증가되는 것으로 검토되었으나, LS-DYNA의 경우 45m지점에서 최대로 증가하였으며 그 이후 점차 감소하는 것으로 나타났다. 또한 메인기어에 작용하는 견인력의 경우 평균적으로 노즈기어보다 작용하는 견인력이 보다 크게 발생되었으며, 이러한 결과는 항공기의 무게중심이 메인기어에서 전방으로 1.56m 떨어진 지점에 위치하여 노즈기어보다 메인기어에 작용하는 견인력이 상대적으로 크게 걸리는 데 따른 것으로 판단된다.
- 3. 항공기 기어에 작용하는 수직력을 검토한 결과 ARRESTOR의 경우 100m 구간 이후부터 증가하는 경향이 나타났으며, LS-DYNA해석 결과 30m 구간 이후 크게 증가하였다가 점차 감소하는 것으로 검토되었다. 그러나 메인기어에 작용하는 수직력은 ARRESTOR의 경우 제동거리에 따른 수직력의 변화가 크게 발생하지 않았으나 LS-DYNA의 경우 초기에 크게 증가하다가 점차 일정한 값으로 수렴해 가는 것으로 검토되었다.
- 항공기 기어에 작용하는 수직력을 검토한 결과 ARRESTOR의 경우 100m 구간 이후부터 증가하는 경향이 나타났으며, LS-DYNA해석 결과 30m 구간 이후 크게 증가하였다가 점차 감소하는 것으로 검토되었다. 그러나 메인기어에 작용하는 수직력은 ARRESTOR의 경우 제동거리에 따른 수직력의 변화가 크게 발생하지 않았으나 LS-DYNA의 경우 초기에 크게 증가하다가 점차 일정한 값으로 수렴해 가는 것으로 검토되었다.
- 4. 항공기 기어에 작용하는 견인력과 수직력의 관계를 검토한 결과 수평방향으로 작용하는 견인력이 증가할수록 수직방향으로 작용하는 수직력은 감소하였으며, 수직력이 증가하면 견인력은 감소하는 것으로 나타났다. 또한 과주방지 포장시설에 진입 후 초반에는 견인력 및 수직력이 노즈기어에 크게 작용하였으나 항공기의 이탈속도가 감소할수록 메인기어에 작용하는 견인력 및 수직력이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
- 항공기 기어에 작용하는 견인력과 수직력의 관계를 검토한 결과 수평방향으로 작용하는 견인력이 증가할수록 수직방향으로 작용하는 수직력은 감소하였으며, 수직력이 증가하면 견인력은 감소하는 것으로 나타났다. 또한 과주방지 포장시설에 진입 후 초반에는 견인력 및 수직력이 노즈기어에 크게 작용하였으나 항공기의 이탈속도가 감소할수록 메인기어에 작용하는 견인력 및 수직력이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
- 5. 항공기 타이어의 관입 깊이를 검토한 결과 ARRESTOR의 경우 385~441mm가 관입되어 포장재 두께의 74%가 관입되었고, LS-DYNA의 경우 208~268mm가 관입되어 포장재 두께의 45%가 관입된 것으로 검토되었다.
- 6. ARRESTOR 프로그램과 비교하였을 때 시뮬레이션 검토 결과 견인력 및 관입 깊이의 차이가 발생함에도 불구하고 제동거리가 비슷하게 나타난 원인은 실제 바퀴배열에 따른 영향과 포장재와의 마찰력 때문인 것으로 판단된다. 그러므로 정확한 예측을 하기 위하여 모든 조건을 고려할 수 있는 시뮬레이션 해석이 필요하며 시뮬레이션 해석을 보다 정밀하게 하여 과주방지 포장시스템 설계 시 최적의 설계가 가능할 것으로 판단된다.
- ARRESTOR 프로그램 해석 결과, 노즈기어의 최대 포장재 관입 깊이는 385mm로 나타났으며, 메인기어의 최대 포장재 관입 깊이는 441mm로 나타났다. 그리고 시뮬레이션 해석결과 노즈기어의 최대 포장재 관입 깊이는 208mm로 나타났으며, 메인기어의 최대 포장재 관입 깊이는 268mm로 분석되었다. 전체 포장재 깊이에 따른 관입량은 ARRESTOR의 경우 최대 74%까지 관입한 것으로 검토되었으며, LS-DYNA의 경우 45%까지 관입한 것으로 검토되었다.
후속연구
- ARRESTOR 프로그램과 비교하였을 때 시뮬레이션 검토 결과 견인력 및 관입 깊이의 차이가 발생함에도 불구하고 제동거리가 비슷하게 나타난 원인은 실제 바퀴배열에 따른 영향과 포장재와의 마찰력 때문인 것으로 판단된다. 그러므로 정확한 예측을 하기 위하여 모든 조건을 고려할 수 있는 시뮬레이션 해석이 필요하며 시뮬레이션 해석을 보다 정밀하게 하여 과주방지 포장시스템 설계 시 최적의 설계가 가능할 것으로 판단된다.
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