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제안 방법
- 본 연구는 Lee, et al.(2009) 연구의 후속 연구로서, 보다 실용적인 대상 프로펠러를 선정한 후, 개선된 모형 제작기법을 적용하여 제작하고 그 결과를 성능평가 하였다.
- 6 & 7과 같이 제작하였다. Fig. 8과 같이 제작과정과 동일하게 적층 복합재 유연 프로펠러 날개를 모델링하였으며 MAT_162 모델을 사용하여 점진적 손상구조해석을 수행하였다.
- 강체 날개를 갖는 프로펠러와 비슷한 추진 성능을 발휘하면서 방사소음 등에 있어 우수한 성능을 보인다고 알려진 유연 프로펠러의 제작 및 성능 특성에 대한 국내 후속 연구로서, 보다 실용적인 대상 프로펠러를 선정한 후, 개선된 모형 제작기법을 적용하여 제작하고 그 결과를 성능평가 하였다.
- 84의 성능시험에서의 변형량보다 약간 작게 발생하였으며 매우 근사한 경향을 보여주었다. 그리고 본 연구에서는 조립금형을 Fig. 12에서와 같이 조립금형을 제작하여 프로펠러 날개들을 보다 정도 높게 조립하였다.
- 날개 양쪽표면(흡입면, 압력면)의 날개바깥단면은 평직 유리섬유/에폭시 복합재료(GEP218) 한 장씩을 0° 배열로, 그 날개바깥단면 안쪽에 각각 6장 및 5장의 평직 탄소섬유/에폭시 복합재료(WSN3K)도 0° 배열로, 그리고 그 안쪽에는 일방향 탄소섬유/에폭시 복합 재료(USN150)를 [0°/+30°/-30°] 배열로 연속적으로 재단하였다.
- 2에서와 같이 허브 왼쪽 끝에서 날개 끝(blade tip)을 가로지르는 방향을 섬유방향 0°로 정하고 앞날(leading edge) 방향을 양의 방향으로, 날개의 뒷날(trailing edge) 방향을 음의 방향으로 잡았다. 다양한 섬유직조 및 방향에 따른 점진적 손상구조해석을 수행하여 앞에서 언급한 바와 같이 3종류의 유연 프로펠러를 결정하였다.
- 본 연구에서는 유연 프로펠러 날개의 형상에서 섬유방향은 Fig. 2에서와 같이 허브 왼쪽 끝에서 날개 끝(blade tip)을 가로지르는 방향을 섬유방향 0°로 정하고 앞날(leading edge) 방향을 양의 방향으로, 날개의 뒷날(trailing edge) 방향을 음의 방향으로 잡았다.
- 본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시 복합재료의 평직(PW; plain weave)과 일방향(UD; unidirection)의 다양한 섬유방향에 따른 점진적 손상구조해석을 수행하여 총 3종류의 유연 복합재료 프로펠러를 선정하고 적층 압축성형 기법을 사용하여 제작하였다. 성능특성을 살펴보기 위하여 공동수조에서 수행한 실험의 종류는 날개 변형량 계측, 프로펠러 단독시험 및 소음 특성을 조사하였다 (Paik, et al.
- 본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시 복합재료의 평직과 일방향에 대한 다양한 섬유방향에 따른 점진적 손상구조해석을 수행하여 총 3종류의 유연 복합재료 프로펠러를 선정하고 적층 압축성형 기법을 사용하여 제작하였다. 성능특성을 살펴보기 위하여 공동수조에서 수행한 실험의 종류는 날개 변형량 계측, 프로펠러 단독시험 및 소음특성을 조사하였다.
- 섬유직조 및 배열에 따른 각 층별 날개 전개단면을 생성하여 NC 복합재 커터(cutter)로 재단하였다. Fig.
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3. 유연 프로펠러의 성능평가
성능특성을 살펴보기 위하여 공동수조에서 날개 변형량을 계측하고, 프로펠러 단독시험을 수행하였으며 소음특성을 조사하였다.
- 본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시 복합재료의 평직(PW; plain weave)과 일방향(UD; unidirection)의 다양한 섬유방향에 따른 점진적 손상구조해석을 수행하여 총 3종류의 유연 복합재료 프로펠러를 선정하고 적층 압축성형 기법을 사용하여 제작하였다. 성능특성을 살펴보기 위하여 공동수조에서 수행한 실험의 종류는 날개 변형량 계측, 프로펠러 단독시험 및 소음 특성을 조사하였다 (Paik, et al., 2012).
- 본 연구에서는 탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시 복합재료의 평직과 일방향에 대한 다양한 섬유방향에 따른 점진적 손상구조해석을 수행하여 총 3종류의 유연 복합재료 프로펠러를 선정하고 적층 압축성형 기법을 사용하여 제작하였다. 성능특성을 살펴보기 위하여 공동수조에서 수행한 실험의 종류는 날개 변형량 계측, 프로펠러 단독시험 및 소음특성을 조사하였다.
- 여러 전진비에서 하중변화에 따른 유연 프로펠러 날개의 변형량을 관측하기 위해서는 고속으로 회전하는 날개의 움직임을 가시화할 수 있는 장비가 필요한데, 본 연구에서는 5000fps(frame per second)의 높은 분해능을 갖는 고속카메라를 사용하여 빠르게 변화하는 프로펠러 날개의 거동을 관찰하였다. Fig.
- 유연 복합재료 프로펠러는 유연성과 강도를 충분히 가지도록 프리프레그(prepreg)를 재단하고 섬유의 직조 및 배열에 따라 금형(mold)에 적층하여 압축성형 기법을 사용하여 제작하였다. 적층 복합재는 섬유의 직조 및 방향에 따라 강도, 에너지 흡수능력 및 파손상태가 달라짐으로 복합재 추진기의 성능을 극대화할 수 있는 최적구조설계를 도출하기 위해서 점진적 손상구조해석 기법을 이용하였다.
- 유연 복합재료 프로펠러는 유연성과 강도를 충분히 가지도록 프리프레그(prepreg)를 재단하고 섬유의 직조 및 배열에 따라 금형(mold)에 적층하여 압축성형 기법을 사용하여 제작하였다. 적층 복합재는 섬유의 직조 및 방향에 따라 강도, 에너지 흡수능력 및 파손상태가 달라짐으로 복합재 추진기의 성능을 극대화할 수 있는 최적구조설계를 도출하기 위해서 점진적 손상구조해석 기법을 이용하였다.
- 전진비를 조절하기 위하여 프로펠러 유입유속을 변화시켰는데, 유속이 감소할 경우 날개 받음각의 증가로 프로펠러 날개 표면에 캐비테이션이 발생하는 경우엔 공동수조 압력을 적절히 증가시켜 캐비테이션이 없는 상태에서 실험을 수행하였다. 날개 거동 가시화 시 동기화되는 프레임에서 발생하는 오차는 ± 0.
- 프로펠러 단독시험은 프로펠러의 전진비 변화에 따른 추력(T)과 토크(Q)를 계측한 후 프로펠러의 효율을 계산하였는데, 회전수를 고정하고 유입유속을 변화시키는 방법으로 전진비를 맞추었다. 계측결과는 Fig.
대상 데이터
- 모형시험은 한국해양과학기술원(KIOST) 선박해양플랜트연구소의 중형 공동수조(계측부 길이×폭×수심=2.6m×0.6m×0.6m)에서 수행되었으며, 각종 계측치들은 전산화된 자료취득장치에 의해서 얻어졌다.
- 2이다. 총 3종류의 유연 프로펠러들을 제작하였는데 날개의 주된 재질에 따라 탄소섬유/에폭시 복합재료가 주소재로 제작된 프로펠러를 C1, 유리섬유/에폭시 복합재료가 주 소재로 제작된 프로펠러를 G1, G2라고 정의하였다. G1과 G2 프로펠러의 차이점은 날개의 섬유직조 및 배열에 따라 다르게 제작된 것인데 G1보다 G2의 날개가 유연성이 더 크게 하였다.
- 추진기 소음은 수중청음기(Hydrophone) B&K 8103을 프로 펠러 회전면 옆 터널 관측 창에 부착하였으며, 측정된 신호는 B&K NEXUS를 이용하여 증폭하였다.
- 1과 같다. 프로펠러의 날개 수는 5개이고 직경은 250mm, 평균피치 비는 1.17, 확장면적 비(Ae/Ao)는 0.72, 허브 (hub) 비는 0.2이다. 총 3종류의 유연 프로펠러들을 제작하였는데 날개의 주된 재질에 따라 탄소섬유/에폭시 복합재료가 주소재로 제작된 프로펠러를 C1, 유리섬유/에폭시 복합재료가 주 소재로 제작된 프로펠러를 G1, G2라고 정의하였다.
이론/모형
- 적층 복합재의 점진적 손상구조해석 기법을 구축하기 위하여 LS-DYNA code(LSTC, 2011)의 복합재료 모델 MAT_162(Composite_DMG_ MSC)를 사용하여 탄소섬유/에폭시 및 유리섬유/에폭시 복합재료 시편시험 및 충격시험을 통하여 기계적인 물성치와 각 시험에서의 파손상태 및 손상기구를 파악하고 손상기준을 조정(calibration)하였고 다양한 섬유배열에 따른 검증을 수행하였다 (Lee, et al., 2011a, 2011b).
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