[논문]무인 헬리콥터 마스터의 진동해석 및 공진회피 설계

이성철; 손인수; 허관도

문제 정의

및 메인로터와 연결되는 실축 부분의 단면적 변화이다. 따라서 이들 변수들에 대한 마스터의 고유진동수 변화를 살펴보고 공진회피 설계의 적절성을 판단하도록 한다.
이 연구에서는 무인 헬리콥터 엔진 회전 진동수와 메인로터 마스터의 고유진동수 사이에 발생할 수 있는 공진 회피 설계를 목적으로 한다. 무인 헬리콥터 메인로터 마스터의 진동특성을 이해하고 설계에 반영하기 위하여 실제 마스터를 단순화 시켜 수학적 모델링 후 이론해석을 수행하였다.

가설 설정

예를 들어, Fig. 5(b) 티타늄 소재의 경우 가로축에서 M 이 0.2kg 이 되면 마스터의 전체 무게는 약 170g 이 증가한다. 1차 모드 고유진동수에 대하여 Fig.
마스터의 .하부 구조를 고정한다고 가정한다. 그러면 공진 회피 설계를 위하여 변화가 가능한 변수들은 마스터의 하부 길이, 마스터 상부의 직경 .

제안 방법

무인 헬리콥터 메인로터 마스터의 진동특성을 이해하고 설계에 반영하기 위하여 실제 마스터를 단순화 시켜 수학적 모델링 후 이론해석을 수행하였다. 이론적으로 구한 메인로터 마스터의 고유진동수의 신뢰성을 확보하기 위하여 구조용강 (SCM435) 과 경량화를 위한 티타늄(Ti-6A1-4V) 소재를 실제 마스터 사양에 적용하여 유한요소 해석을 수행하고, 그 결과 값을 비교 검토하여 메인로터 마스터의 공진 회피 설계를 수행하였다.
무인 헬리콥터의 로터 블레이드와 연결되는 마스터와 엔진 회전수 간의 공진회피 설계를 위하여 마스터의 진동 해석을 수행하였다. 이론적 해석 결과의 타당성 검토를 위하여 유한요소 해석으로 얻은 결과를 서로 비교 검토하여 공진회피 설계를 수행하였다.
세 번째 방법으로, 마스터의 상부 직경은 현재 상태로 유지하고 메인로터 블레이드와 연결되는 실축 부분의 단면적 변화, 즉 끝단질량의 크기 변화에 따른 고유진동수변화를 이용하여 공진 회피 설계를 실시하였다. Fig.
또 L3 는 메인로터 블레이드와 결합되는실축 부분의 길이이다. 실제 마스터 하단부의 일부 및 하단, 상단의 경 계부분에 직 경변화가 존재하지만 계산의 복잡성 등을 고려하여 상, 하부 그리고, 실축부분으로 구분하여 이론해석에 적용하였다. 특히 진동해석에서 블레이드와 결합되는 마스터의 실축 부분은 끝단질량 M 으로 고려하여 해석을 수행하였다D1i, Di0 그리고 D2i,D20 각각 마스터 의 하부, 상부 중공축의 내경과 외경을 나타낸다.
여기서 세로축은 마스터의 고유진동수를 나타내며 가로축은 마스터 상부의 외경 변화이다. 외경은 현재 치수인 0.025m 를 기준으로 마스터 하부의 외경과 동일하게 되는 0.03m 까지 변화시켰으며, 내경은 실제 치수의 비율(0.6) 과 동일하게 커지도록 하였다. 외경을 0.
2 는 유한요소해석에 사용한 무인 헬리콥터 마스터의 유한요소 모델을 보여준다. 유한요소 망의 정밀도는 관심영역의 요소망 밀도를 증가시켜 정확한 결과 값을 얻을 수 있도록 설정(refinement mesh) 하였다. 소재에 따라 조금의 차이는 있으나 대략 요소의 수는 4021 개, 절점의 수는 8139 개로 하였다.
진동 해석을 수행하였다. 이론적 해석 결과의 타당성 검토를 위하여 유한요소 해석으로 얻은 결과를 서로 비교 검토하여 공진회피 설계를 수행하였다. 진동해석은 구조용강(SCM435)과 티타늄(Ti-6AL4V)에 대하여 해석을 수행하였으며 진동해석 및 공진회피 설계에 대하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
무인 헬리콥터 메인로터 마스터의 진동특성을 이해하고 설계에 반영하기 위하여 실제 마스터를 단순화 시켜 수학적 모델링 후 이론해석을 수행하였다. 이론적으로 구한 메인로터 마스터의 고유진동수의 신뢰성을 확보하기 위하여 구조용강 (SCM435) 과 경량화를 위한 티타늄(Ti-6A1-4V) 소재를 실제 마스터 사양에 적용하여 유한요소 해석을 수행하고, 그 결과 값을 비교 검토하여 메인로터 마스터의 공진 회피 설계를 수행하였다.
이론해석으로 구한 고유진동수의 신뢰성을 확보하기 위하여 무인 헬리콥터 마스터의 유한요소해석을 수행하여 고유진동수를 구하였다. 유한요소해석은 상용프로그램인 ANSYS Workbench (Ver.
이론적 해석 결과의 타당성 검토를 위하여 유한요소 해석으로 얻은 결과를 서로 비교 검토하여 공진회피 설계를 수행하였다. 진동해석은 구조용강(SCM435)과 티타늄(Ti-6AL4V)에 대하여 해석을 수행하였으며 진동해석 및 공진회피 설계에 대하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
실제 마스터 하단부의 일부 및 하단, 상단의 경 계부분에 직 경변화가 존재하지만 계산의 복잡성 등을 고려하여 상, 하부 그리고, 실축부분으로 구분하여 이론해석에 적용하였다. 특히 진동해석에서 블레이드와 결합되는 마스터의 실축 부분은 끝단질량 M 으로 고려하여 해석을 수행하였다D1i, Di0 그리고 D2i,D20 각각 마스터 의 하부, 상부 중공축의 내경과 외경을 나타낸다. Fig.

대상 데이터

따라서 이론해석 및 유한요소 해석으로 구한 마스터의 고유진동수와 엔진 회전수를 분석하여 공진회피 설계를 하여야 한다. 연구대상인 무인 헬리콥터의 메인 로터블레이드는 각각 2개의 메인로터 블레이드와 스테빌라이저로 구성되어있다. 즉, 무인 헬리콥터의 블레이드는 4개의 가진체로 구성되어 있다.
0)를 사용하여 해석을 수행하였다. 유한요소해석에 사용된 마스터의 물성치는 구조용강 (SCM 435), 티타늄 (Ti-6A1-4V) 을 적용하였으며, 각각의 물성치를 Table 1 에 나타내었다. 여기서 두 가지 소재를 사용한 것은 무인 헬리콥터 마스터의 소재는 구조용강이었으나 무인 헬리콥터의 경량화 (42.
이 연구의 대상인 무인 헬리콥터의 제자리 비행 시 요구되는 엔진 회전수는 6, 675 RPM 이다. 무인 헬리콥터는 로터리 가솔린 엔진구동 방식으로 흡입-압축, 그리고 폭발-배기의 2 부분으로 구분되며 따라서 1 행정 당 2 번의 가진이 발생한다.

데이터처리

유한요소해석은 상용프로그램인 ANSYS Workbench (Ver. 12.0)를 사용하여 해석을 수행하였다. 유한요소해석에 사용된 마스터의 물성치는 구조용강 (SCM 435), 티타늄 (Ti-6A1-4V) 을 적용하였으며, 각각의 물성치를 Table 1 에 나타내었다.

성능/효과

Fig. 3(a)의 1차 모드에서는 마스터 하부의 길이 가 약 0.67 까지 는 μ가 증가할수록 마스터 의 고유진동수는 증가하는 경향을 보이고 있으나, 그 이후는 卢 와 마스터의 고유진동수는 서로 반 비례적인 경향을 보인다. Fig.
1) 마스터의 소재를 구조용강으로 사용하는 경우 엔진 회전 주파수와 마스터의 고유진동수 사이에 약 12.8%정도의 주파수 대역 차이가 존재하지만, 부품 경량화를 위하여 티타늄 마스터를 사용하는 경우 무인 헬리콥터 엔진 회전 주파수와 마스터의 고유진동수간의 공진현상이 발생한다.
2) 공진 회피 설계를 위하여 마스터의 상부 직경과 메인로터 블레이드와 연결되는 실축 부분의 구조변화를 이용할 수 있다. 마스터 상부의 직경을 조절하는 경우 마스터의 고유진동수를 최대 5.
3) 실축부분의 구조를 현재 사용 중인 값보다 20g 증가시키면 마스터의 공진진동수는 엔진의 회전에 의한 가진 주파수와 약 11.8%이상 이격시킬 수 있어 공진회피 설계가 가능하다.
7%정도 경량화 된 것이다. 공진 진동수 영역과 관계되는 1차 모드 고유진동수에 대하여 고려한다면 최대로 변경 가능한 직경 인 0.03m 으로 변경하는 경우에 강으로 된 마스터의 고유진동수는 58.21Hz 로 오히려 공 진의 위험성이 증가하는 반면 티타늄인 경우는 설계변경 전의 실제 마스터 고유진동수에 비하여 약 7.2% 줄어들어 공진의 위험성이 낮아짐을 알 수 있다. 하지만 티타늄의 경우도 회전 주파수와 6% 이내에 주파수 대역이 존재하기 때문에 공진을 완벽하게 회피했다고 할 수 없다.
이론해석 결과와 유한요소 해석으로 구한 고유진동수는 구조용강의 경우 최대 오차 6.6% 이내에서, 그리고 티타늄의 경우 최대 오차 6.4% 이내에서 비교적 잘 일치하고 있다. 이러한 오차 발생은 유한요소 해석에 사용한 실제 마스터의 모델과 비교하여 이론해석에서 사용한 수학적 모델은 마스터 하부 즉, 감속기와 연결되는 부분 및 중간 부분을 간략화하여 모델링한 것으로부터 발생한 것으로 판단된다.

후속연구

4) 진동해석을 통하여 무인 헬리콥터 마스터의 공진 영역을 파악할 수 있어 헬리콥터의 기체 경량화를 위한 구조변경에 적용할 수 있을 것이라 판단된다.

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