[논문]착륙장치 작동기 내부 잠금장치 피로해석

이정선; 강신현; 장우철; 이승규; 오성환

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.1.091

착륙장치 작동기 내부 잠금장치 피로해석
Fatigue Analysis for Locking Device in Landing Gear Retract Actuator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.1, 2012년, pp.91 - 96

이정선 (현대위아(주)) , 강신현 (현대위아(주)) , 장우철 (현대위아(주)) , 이승규 (한국항공우주연구원) , 오성환 (국방과학연구소)

초록
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착륙장치 접개 작동기는 항공기 이착륙 시 착륙장치를 항공기 동체 내로 접어 올리거나 동체 밖으로 펼쳐 내려주는 역할을 한다. 접개 작동기 내부에는 착륙장치 펼침 상태에서 외란에 의해 착륙장치가 접히게 되는 것을 방지하기 위한 별도의 잠금장치가 장착된다. 이 잠금장치는 작동기 내부에 공급되는 유압을 통해 작동기 내부 구성품과 기계적으로 구속됨으로써 작동기 잠금 기능을 수행하게 된다. 착륙장치 접힘/펼침에 따라 잠금장치의 잠김/풀림이 반복되므로, 잠금장치는 항공기 운용 중 반복되는 동일 하중을 받게 되며, 이로 인한 피로 파괴의 가능성이 존재하게 된다. 본 논문에서는 잠금장치에 대한 피로해석 과정 및 결과를 제시하고, 피로시험을 통해 그 결과의 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The retract actuator makes the landing gear retract or extend during take-off and landing of an aircraft. To prevent folding of landing gear that has remained in the extended state because of an unexpected external disturbance, an internal locking device is applied to the retract actuator. The locking device is restrained with another internal component by oil pressure supplied to the retract actuator, and this restraint makes the locking of the actuator possible. Because locking and unlocking are repeated during retraction and extension of the landing gear, the locking device takes repeated identical loads, and the possibility of fatigue failure exists. In this study, the process and results of fatigue analysis for the locking device are presented, and the appropriateness of the analysis result is verified using a fatigue test.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 접이식 착륙장치의 접개 작동기에 대한 피로해석 및 피로시험에 대한 연구는 수행되지 않았고, 이에 따라 잠금장치에 대한 연구 역시 전무한 실정이다. 본 논문에서는 국내에서 설계/제작된 잠금장치에 대한 피로해석 과정 및 결과를 제시하고, 기 수행된 피로시험 결과를 통해 피로해석 결과의 타당성을 검증한다.
본 논문에서는 착륙장치 작동기 잠금장치에 대한 피로해석 과정을 제시하고, 피로시험을 통해 그 결과를 검증하였다. 잠금장치는 잠금/풀림 과정에서 생기는 처짐에 의해 굽힘 반복 하중을 받게 되며 항공기 운용 수명 동안 변형 및 파손이 발생되지 않도록 설계되어야 한다.

가설 설정

재료가 탄성 변형을 한다는 가정 하에 S-N Curve 를 활용하여 피로수명을 평가하였다. 잠금장치 소재인 Steel AISI 4340 에 대한 S-N Curve 는 MIL-HDBK5J⁽⁵⁾에 제시된 Curve 를 사용하였다.

제안 방법

1 과 같다. 본 착륙장치는 작동기 행정거리를 증가시켜 작동 기구가 상향으로 접히도록 함으로써 착륙장치 접힘을 수행하고, 반대의 과정을 통해 착륙장치 펼침을 수행한다.
시험 완료 후 잠금장치 균열 발생 여부는 비파괴 검사(Non-Destruction Inspection) 결과를 통해 확인하였다. 비파괴검사 방법으로는 착륙장치 구성품 중 Steel 류에 대한 비파괴 검사 방법으로 일반적으로 사용되고 있는 자분탐상검사(Magnetic Particle Inspection) 방법을 이용하였다.
시험 중 시편의 피로파괴 여부 확인을 위해 시험은 2 회로 나누어 수행되었고, 시험 완료 후 균열 발생 여부 확인을 위한 검사가 수행되었다.
시험은 잠금장치 피로수명 요구도에 따라 총 9600 Cycle 의 잠금장치 잠김/풀림 반복 시험을 수행하였다. 상세 시험 조건은 Table 4 와 같다.
앞에서 언급되었듯 잠금장치는 외부 하중이 아닌 자체 처짐량에 의해 응력 수준이 결정되므로, 처짐이 시작되는 부위에 강제 변위를 주어 해석을 수행하였다. 해석 모델에 적강제 변위 조건은 Fig.
잠금장치는 잠금/풀림 과정에서 생기는 처짐에 의해 굽힘 반복 하중을 받게 되며 항공기 운용 수명 동안 변형 및 파손이 발생되지 않도록 설계되어야 한다. 이러한 조건을 만족하는 잠금장치를 설계하기 위해 FEA 를 통한 피로해석을 수행하였고 이를 통해 잠금장치 피로 수명을 예측하였다. 잠금장치 요구 피로수명에 따라 피로시험을 수행하였으며, 시험 결과를 통해 잠금장치 피로해석 타당성을 검증하였다.
이러한 조건을 만족하는 잠금장치를 설계하기 위해 FEA 를 통한 피로해석을 수행하였고 이를 통해 잠금장치 피로 수명을 예측하였다. 잠금장치 요구 피로수명에 따라 피로시험을 수행하였으며, 시험 결과를 통해 잠금장치 피로해석 타당성을 검증하였다.
잠금장치 요구 피로수명인 9600 Cycle 동안피로파괴 유무를 검증하기 위해 실제 잠금장치 Interface 와 동일한 조건으로 시험 장비를 구성하여 피로시험을 수행하였다. 잠금장치에 대한 피로시험 장비는 Fig.
잠금장치는 안전수명(Safe Life) 개념이 적용되는 구조물로서, 요구 피로수명 동안 구조적 결함이 발생되지 않아야 한다. 잠금장치에 대한 요구 피로수명은 항공기 1200 회 착륙을 기준으로 선정하였고, 피로수명 안전 배수는 MIL-A-8866C⁽⁴⁾에 의거 4 배수의 안전 배수를 적용하였다. 항공기 1 회 착륙 시 마다 접개 작동기는 압축/팽창을 각 1 회씩 수행하게 되므로 잠금장치는 2 회의 하중을 받게 된다.
피로해석에 앞서 잠금장치의 정적 구조 안정성을 평가하기 위하여 응력해석을 수행하였다. 잠금장치에는 총 12 개의 외팔보가 있으나 해석의 효율성을 위해 3 개의 외팔보만을 잘라내어 해석을 수행하였다. 응력해석은 상용프로그램인 PATRAN/NASTRAN 을 사용하여 수행하였다.
Hand Calculation 을 통한 응력해석에서는 국부적인 응력집중 효과를 고려하기 위해 응력집중계수(K, Stress Concentration Factor)를 적용하지만 유한요소 해석은 응력해석 결과에 국부적인 응력 집중 효과가 이미 고려되어 있으므로 별도의 응력집중계수를 추가 적용하지 않는다. 잠금장치의 경우 하중 경로는 단순하나 형상이 복잡해 유한요소 해석 결과를 이용하여 피로수명을 평가하였다. 피로해석의 기본 입력자료가 되는 응력은 주응력(σ_a, Principle Stress)을 사용하였으며 주응력 값은 FE 해석을 통해 예측하였다.
11 과 같다. 잠금장치의 왕복 운동을 위한 구동은 유압 작동기(Hydraulic Actuator)를 이용해 수행하였고, 유압 작동기의 행정거리는 근접 센서 (Proximity Sensor)를 사용하여 제어하였다. 유압 작동기의 피스톤이 팽창하면 잠금장치는 잠금 슬리브 내부를 통과하여 잠김 상태가 되고, 피스톤이 압축되면 잠금장치가 잠금 슬리브 외부로 빠져나오며 풀림 상태가 된다.
피로해석에 앞서 잠금장치의 정적 구조 안정성을 평가하기 위하여 응력해석을 수행하였다. 잠금장치에는 총 12 개의 외팔보가 있으나 해석의 효율성을 위해 3 개의 외팔보만을 잘라내어 해석을 수행하였다.

대상 데이터

재료가 탄성 변형을 한다는 가정 하에 S-N Curve 를 활용하여 피로수명을 평가하였다. 잠금장치 소재인 Steel AISI 4340 에 대한 S-N Curve 는 MIL-HDBK5J⁽⁵⁾에 제시된 Curve 를 사용하였다. 피로수명의 불확실성을 고려하기 위해 해외 착륙장치 전문업체에서 활용하고 있는 Reduction Factor(RF)를 적용하였고, Reduction Factor 가 적용된 S-N Curve 를 기준으로 피로수명을 평가하였다.
잠금장치에 사용된 재질은 Steel AISI4340 이고, 재질에 대한 물성치는 MIL HDBK-5J 에 명시된 물성치를 사용하였다. 해석 시 사용된 물성치는 Table 3 과 같다.

데이터처리

잠금장치에는 총 12 개의 외팔보가 있으나 해석의 효율성을 위해 3 개의 외팔보만을 잘라내어 해석을 수행하였다. 응력해석은 상용프로그램인 PATRAN/NASTRAN 을 사용하여 수행하였다.
피로해석의 기본 입력자료가 되는 응력은 주응력(σa, Principle Stress)을 사용하였으며 주응력 값은 FE 해석을 통해 예측하였다.

이론/모형

은 항공기 착륙장치 구성품에 대한피로해석 기법을 제시하였다. 본 잠금장치에 대한 피로수명 평가는 Lee 등⁽³⁾이 제시한 피로해석 기법에 의거하여 수행하였다.
시험 완료 후 잠금장치 균열 발생 여부는 비파괴 검사(Non-Destruction Inspection) 결과를 통해 확인하였다. 비파괴검사 방법으로는 착륙장치 구성품 중 Steel 류에 대한 비파괴 검사 방법으로 일반적으로 사용되고 있는 자분탐상검사(Magnetic Particle Inspection) 방법을 이용하였다. Table 5 는 시험 완료 후 수행된 비파괴검사(MPI) 결과를 나타낸 것이다.
잠금장치 소재인 Steel AISI 4340 에 대한 S-N Curve 는 MIL-HDBK5J⁽⁵⁾에 제시된 Curve 를 사용하였다. 피로수명의 불확실성을 고려하기 위해 해외 착륙장치 전문업체에서 활용하고 있는 Reduction Factor(RF)를 적용하였고, Reduction Factor 가 적용된 S-N Curve 를 기준으로 피로수명을 평가하였다. Reduction Factor 가 적용된 S-N Curve 를 설계 S-N 선도로 사용하는 이유는 표면 마감(Surface Finish)과 표면 처리(Surface Treatment) 등에 따른 재료의 피로특성 저하를 고려하기 위해서이며, Reduction Factor 를 적용하는 방법은 착륙장치 개발업체에 따라 상이하다.
해당 응력 값은 등가 응력(σeq, Equivalent Stress) 값으로, 등가 응력은 von-Mises Stress 를 사용하였다.

성능/효과

해석 결과 최대 주응력 값은 854 MPa 이며, 이에 따른 예측 수명은 21103 Cycle 이다. 따라서 예측 수명은 요구 피로수명인 9600 Cycle 이상임을 확인하였다. Minor’s Rule 에 의거 9600 Cycle 에서의 Damage(D)는 0.
해당 부위는 개발 완료되어 현재 운용 중인 항공기에 장착된 잠금장치에 대한 피로시험 과정 중 피로파괴가 발생되었던 부위와 동일한 부위로 피로해석 시 수명 평가에 대한 최대 관심 부위이다. 최대응력 부위의 응력 값은 1050 MPa 로 탄성 한계인 1213 MPa 보다 작아 정적 강도 상 문제가 없음을 확인하였다. 해당 응력 값은 등가 응력(σ_eq, Equivalent Stress) 값으로, 등가 응력은 von-Mises Stress 를 사용하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	착륙장치의 역할은 무엇인가?	착륙장치(Landing Gear)는 착륙 시 발생하는 충격 흡수 및 지상 활주/조향/제동의 역할을 한다. 항공기 운용요구도에 따라 착륙장치 타입은 크게 접이식 착륙장치(Retractable Landing Gear) 타입과 고정식 착륙장치(Fixed Landing Gear) 타입으로 분류된다.
	착륙장치 타입은 어떻게 분류되는가?	착륙장치(Landing Gear)는 착륙 시 발생하는 충격 흡수 및 지상 활주/조향/제동의 역할을 한다. 항공기 운용요구도에 따라 착륙장치 타입은 크게 접이식 착륙장치(Retractable Landing Gear) 타입과 고정식 착륙장치(Fixed Landing Gear) 타입으로 분류된다. 일반적으로 고속으로 운용되는 항공기에는 접이식 착륙장치가 적용되고 저속으로 운용되는 항공기에는 고정식 착륙장치가 적용된다.
	국내에서 수행된 잠금장치에 대한 연구는 무엇이 있는가?	국외에서 수행되었던 잠금장치에 대한 피로시험에서 시험 중 피로 파괴에 의한 시험 실패 사례가 많아 국내에서는 그 동안 잠금장치를 전문 업체로부터 수입하여 사용해 왔기 때문이다. Kim 등(1)은 예시를 통해 착륙 하중 관점에서의 착륙장치 피로수명 평가 절차를 제시하였고, Lee 등(2)은 고정식 착륙장치의 피로시험 방법 및 절차를 제시하였다. 그러나 접이식 착륙장치의 접개 작동기에 대한 피로해석 및 피로시험에 대한 연구는 수행되지 않았고, 이에 따라 잠금장치에 대한 연구 역시 전무한 실정이다.

참고문헌 (5)

Kim, T. U., Lee, S. W., Kim, S. C. and Hwang, I. H., 2009, "The Methodology of Landing Gear Fatigue Life Estimation," KSME09F053, pp. 250-253.
Lee, S. K., Kim, T. U., Kim, S. C. and Hwang, I. H., 2009, "Non-Retractable Oleo-Pneumatic Landing Gear Fatigue Test," KSAS09-3110, pp. 299-302.
Lee, S. W., Lee, S. K., Kim, T. U. and Hwang, I. H., 2008, "Fatigue Analysis of Aircraft Landing Gear," KSAS08-2225, pp. 322-325.
MIL-A-8866C, 1987, "Airplane Strength and Rigidity Reliability Requirement, Repeated Loads, Fatigue and Damage Tolerance," pp. 2-4.
MIL-HDBK-5J, 2003, "Metallic Materials and Elements for Aerospace Vehicle Structures," No. 2, pp. 10-59.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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