[논문]항공전자장비의 구조해석 및 설계에 대한 연구

최인호

doi:10.5762/kais.2012.13.5.2015

항공전자장비의 구조해석 및 설계에 대한 연구
A Study on the Structural Analysis and Design of Avionics Equipment 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.5, 2012년, pp.2015 - 2022

초록
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본 논문은 항공전자장비의 구조해석을 통한 하우징과 인쇄회로기판의 해석과 설계에 관한 것으로 대기자료 컴퓨터 개발 사례를 통한 연구결과이다. 항공기에 장착되는 전자장비는 전기적인 특성 외에도 운용환경에 따른 구조 설계가 매우 중요하고 설계 단계에서부터 해석을 통한 입증이 되어야 한다. 본 연구에서는 장착되는 항공 장비의 응력과 진동 요구도를 분석하여 해석 결과를 통하여 설계에 적용하고 요구도에 대해서 입증하는 방법에 대한 것이다. 구조 해석은 상용 소프트웨어를 사용하였으며 하우징의 내부 리브 설계에 대한 적합성을 확인하고 인쇄회로 기판의 변위를 계산하여 전자 부품 배치에 활용하는 방법에 대해서 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is about the analysis and design of avionics equipment's housing and PCB(Printed Circuit Board) such as air data computer. Avionics equipment's structural design as well as electrical properties is very critical and should be proved from design phase by analysis method. First, analyze the static load and vibration requirement for the installed equipment, and then proved it satisfy with its requirement using the computational structural analysis. Commercial tools were used for computation and the rib design of housing was verified and the placement of electrical component was proposed using the PCB's local displacement information.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

최근 무인기, 회전익기 항공기등 국내 항공 산업이 많이 발전하고 있다[7]. 본 연구는 항공 전자장비 개발시 항공 전자장비의 구조 진동 환경 안정성에 관한 연구이다. 기계적인 환경 요구도는 진동, 충격, 가속도 하중시험으로 구성된다.
본 연구에서는 항공 전자장비의 구조 진동 환경을 예측하고 설계 요구조건과 비교하여 다양한 비행 환경에서 정상적인 작동을 보장 받을 수 있는지 분석해 보았다. 효율적인 전산해석을 위해 상용 유한요소 해석 프로그램인 ALGOR를 활용하여 항공 전자장비의 유한요소 모델링과 진동 해석을 수행하여 진동 특성 및 안전성을 검토하였다[2].
본 연구에서는 항전장비의 정적 해석과 진동해석을 통한 구조적 안정성을 수치적으로 확인하였으며 본 연구를 통해서 확인한 결과는 다음과 같다.

제안 방법

그림 11의 각 모드별 고유진동수는 진동 요구도의 회전수별 주파수 영역에 들어가지 않고 회전수별 고유진동 수의 20% 이내의 영역에도 있지 않으므로 공진이 발생할 우려는 없는 것으로 판단된다. 고유진동수 해석을 통해 도출된 하우징과 인쇄회로기판의 고유진동수를 이용 하여 인쇄회로기판의 최대 처짐 한도를 계산하였다. 랜덤 진동 RMS값은 식 (3)과 같이 구할 수 있다.
대기자료 컴퓨터의 유한요소 모델링을 위하여 하우징, 메인 보드, 전자파 필터 조립체, 덮개 등으로 구분하였고 생성된 유한요소 모델은 그림 6, 7과 같다. 대기자료 컴퓨터는 4개의 볼트로 체결된 경계조건에 대하여 해석을 수행하였으며 각 구성품 간의 구속 조건은 Bonding 조건을 사용하였다.
가속도 하중을 받는 유한요소 구조물에 하중을 부가한 후 구조해석을 수행하여 실제 비행 중 구조물이 받는 가속도의 영향성을 예측하여 설계에 반영하는 것이다. 대기자료 컴퓨터의 정적 해석은 가속도 요구도 조건에 따라 각 X, Y, Z축에 대하여 독립적으로 계산하였다.
대기자료 컴퓨터의 주파수 응답은 모달 주파수 응답해석을 통해 구하였으며 표 6 진동 요구도에 따라 4.5Hz~500Hz 사이에서 응답을 구하였다. G_RMS는 통계적으로 1σ 수준의 가속도로 설계는 3σ수준으로 보수적으로 진행한다.
75이다. 소자의 인쇄회로기판에서의 위치에 따라서 부품의 상대 위치상수 r값을 계산하였다. 표 2는 주요 소자의 허용 변위이다.
압력센서를 장착하는 부위는 그림 3과 같이 하우징 내부에 Rib를 가지고 있어 이를 통해 압력 센서로 들어오는 외부 노이즈(Noise)를 차폐하고, 메인 보드의 진동 및 충격 등의 외부환경에 의한 인쇄회로기판의 처짐을 방지하여 인쇄회로기판에 장착되는 전자소자들의 파손을 방지하도록 설계하였으며 그림 4는 메인보드 형상이다.
하우징 내부에 RIB 유무에 따른 해석 결과를 비교해 보았다. 그림 12는 RIB 제거시 최대응력 분포이다.
본 연구에서는 항공 전자장비의 구조 진동 환경을 예측하고 설계 요구조건과 비교하여 다양한 비행 환경에서 정상적인 작동을 보장 받을 수 있는지 분석해 보았다. 효율적인 전산해석을 위해 상용 유한요소 해석 프로그램인 ALGOR를 활용하여 항공 전자장비의 유한요소 모델링과 진동 해석을 수행하여 진동 특성 및 안전성을 검토하였다[2]. 설계결과를 입증하기 위하여 대기자료 컴퓨터(Air Data Computer : ADC)를 제작하여 진동 시험을 수행하였고, 설계결과가 타당함을 확인하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 대기자료 컴퓨터는 직육면체 구조의하우징, 메인 보드, 전자파 필터 조립체, 덮개 등으로 구성된다. 항공용 전자장비는 무게가 설계 요구도에 할당되므로 필요한 강성을 충분히 반영하기 어렵다.
상용 프로그램인 ALGOR를 사용하여 메쉬를 생성하였고, 사용된 요소는 274,689개이고, Bricks, Wedge, Pyramids와 Tetrahedra Element를 사용하였다. 대기자료 컴퓨터의 유한요소 모델링을 위하여 하우징, 메인 보드, 전자파 필터 조립체, 덮개 등으로 구분하였고 생성된 유한요소 모델은 그림 6, 7과 같다.
인쇄회로기판의 재질은 FR-4, 8층 기판으로 두께 는 2mm이다. 각각의 전자소자는 인쇄회로기판에 납땜으로 장착된다.
항공용 전자장비는 무게가 설계 요구도에 할당되므로 필요한 강성을 충분히 반영하기 어렵다. 하우징은 중량 감소를 위해 다이캐스팅용 알루미늄합금인 ALDC12종을 적용하였고 하우징의 외곽 두께는 1.7~2.0mm이다.

이론/모형

여기서 9개의 응력 성분 중 세 개의 수직응력 성분인σ_x, σ_y, σ_z, 그리고 여섯 개는 전단성분인 τ_xy,τ_yz,τ_zx,τ_xz, τ_zy,τ_yz로 구성되고 응력 텐서(tensor)는 식 (4)와 같다. 본 연구에서는 강도해석을 위해 Von-Mises 응력 기준식을사용하였으며, 식 (5)와 같은 이론식에 근거하여 유한요소해석을 통해 구해지게 된다[4].

성능/효과

1) 해석 모델은 구조적 기능과 해석의 효율성을 고려 하여 단순화 및 이상화 시켰다.
2) 정적 해석을 통하여 항공기의 가속에 따른 정하중에 파괴가 일어나지 않는 구조적 강성이 충분함을 확인하였다.
3) 진동 해석을 통하여 고유 진동수는 회전수별 진동 영역에 있지 않으므로 공진이 발생될 우려는 없음을 알 수 있었다.
4) 주파수 응답 해석 결과 장비의 하우징과 인쇄회로기판은 소성변형에 의해 파괴되지 않을 만큼의 충분한 동적 강성을 가짐을 확인 하였다.
따라서 회전익기의 기체구조는 회전익 속도의 조화 배수 특히 1/rev와 N/rev 근처에서의 공진이 발생하지 않도록 설계되어야 한다[5]. 고유진동수 해석 결과에서 볼 수 있듯이 대기자료 컴퓨터의 고유진동수 1차 모드는 984.3Hz의 높은 진동수 영역대에 있으며, 이는 고려 대상 항공기의 진동수(500Hz)와의 중첩이 없는 영역에 위치하고 있는 것으로 분석되었다.
효율적인 전산해석을 위해 상용 유한요소 해석 프로그램인 ALGOR를 활용하여 항공 전자장비의 유한요소 모델링과 진동 해석을 수행하여 진동 특성 및 안전성을 검토하였다[2]. 설계결과를 입증하기 위하여 대기자료 컴퓨터(Air Data Computer : ADC)를 제작하여 진동 시험을 수행하였고, 설계결과가 타당함을 확인하였다.
표 8은 X, Y, Z축에 대한 주파수 응답 해석 결과이다. 주파수 응답 해석결과, 진동에 의한 최대응력은 재질의 인장강도를 초과하지 않고, 인쇄회로기판 최대 허용 변위 0.059mm를 초과하지 않으므로 진동에 의한 충분한 동적 강성을 가진다고 판단된다.
표 4는 해석을 통해 얻은 각 축에 대한 최대 응력 및 인쇄회로기판 변위를 나타낸다. 최대 응력은 -Y방향(UP) 하중 시 가장 크게 나타나고, 인쇄회로기판 최대 변위는 +Z방향(AFT) 하중 시 가장 크게 나타났다. 그림 8은 -Y 방향으로 극한하중배수 10.
그러므로 해석을 위한 입력 G_RMS는 3배수한 값을 이용한다[6]. 해석 결과를 살펴보면 Z축으로의 응답이 크게 나타나고 최대응력은 인쇄배선판과 하우징이 조립되는 하우징 체결부 모서리에 작용하고, 최대 응력값은 1.247 N/㎟ 이다. 하우징의 항복응력은 152N/㎟이므로 안전율은 120이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	하중에 의한 인쇄회로기판의 최대 변위는 무엇에 의해 결정되는가?	전자시스템의 다양한 유한요소 해석과 진동시험을 통해 여러 형태의 전자소자들의 피로수명은 이러한 전자소자들을 지지하고 있는 인쇄회로기판의 동적인 변위와 관련이 있다. 하중에 의한 인쇄회로기판의 최대 변위는 하중의 크기와 인쇄회로기판의 강도에 의해 결정되므로 수치 해석적 관점에서 소자의 접합에 영향을 주는 것에 대한 분석이 필요하다. 변위가 크고, 부품과 인쇄회로기판 사이의 관련 거동이 클 때, 납땜부에 크랙(crack)이 발생하고 전자리드선이 떨어지는 현상이 발생된다.
	항공 전자장비는 무엇을 고려하여 설계되어야 하는가?	항공 전자장비는 랜덤 진동에 노출된 시스템의 높은 신뢰도를 만족하기 위해 환경조건과 전자소자의 용량, 그리고 지지 구조물의 특성을 고려하여 설계되어야 한다[3].
	기계적인 환경 요구도 중, 항공전자장비에서 가장 중요한 요소는 무엇인가?	기계적인 환경 요구도는 진동, 충격, 가속도 하중시험으로 구성된다. 이 중에서 진동 환경 요구도는 항공 전자장비에서 가장 중요하고, 설계단계에서부터 요구도를 만족하도록 진동 안정성에 대한 해석을 수행하여 입증하여야 한다. 항전장비는 항공기의 운용 특성상 다양한 동적 환경에 노출될 수 있으므로 이와 같은 환경에서도 정상적으로 작동할 수 있어야 한다.

참고문헌 (7)

J.H., Kim, et al, "Static and vibration analysis of Thruster Control housing and PCB", KARI, Aerospace Engineering and Technology, Vol. 3, no.2 2006.
Y.S., Kim, et al, "Computational Vibration and Characteristic Analyses for Tilt-Rotor Vehicle Considered 3-Dimensional Supporting Equipment Structures", Proc. of the KSNVE Conf., pp. 1000-1007, April, 2007.
Dave S. Steinberg, Vibration Analysis for Electronic Equipment, Third Edition, John Wiley & Sons, 2000.
D.G., Kwag, et al, " Structural Vibration Analysis of Smart UAV 4-Degree of Freedom Ground Test System", Proc. of the KSNVE Conf., pp.601-605, April 2009.
D.H., Kim et al., "New concept aircraft structure aeroelastic and vibration analysis", 21C frontier technical development report, 2005.
H. B., Park, et al. "Statistical comparison analysis based on Monte Carlo simulation between PSD random analysis and it's equivalent static analysis for avionics equipment", Proc. of the KSNVE Conf., pp. 119-126, April, 2008.
S.B. Park,"An Analysis on the economic and technological effects of Smart UAV Development Project," J. of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, v.12, no.7, pp. 2996-3005, July, 2011.1.

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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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