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문제 정의
- 본 논문에서는 수상/육상 착륙환경에서 경항공기용 플로트의 안전성과 경량화에 따른 구조성능 변화를 확인하였다. 상용 경항공기 플로트의 설계제원을 기반으로 유한요소모델링을 수행하였고, 수상/육상 착륙시점의 단순화된 하중을 플로트모델에 적용하였다.
제안 방법
- 본 논문에서는 수상/육상 착륙환경에서 경항공기용 플로트의 안전성과 경량화에 따른 구조성능 변화를 확인하였다. 상용 경항공기 플로트의 설계제원을 기반으로 유한요소모델링을 수행하였고, 수상/육상 착륙시점의 단순화된 하중을 플로트모델에 적용하였다. 알루미늄 플로트모델에 대하여 고유 진동수 및 응력해석 결과를 확인하였고, 이를 기준으로 경량화에 따른 복합재료 플로트모델의 구조적 안전성을 비교하였다.
- 상용 경항공기 플로트의 설계제원을 기반으로 유한요소모델링을 수행하였고, 수상/육상 착륙시점의 단순화된 하중을 플로트모델에 적용하였다. 알루미늄 플로트모델에 대하여 고유 진동수 및 응력해석 결과를 확인하였고, 이를 기준으로 경량화에 따른 복합재료 플로트모델의 구조적 안전성을 비교하였다. 복합재료 플로트모델의 적층유형 및 두께변경을 통하여 경항공기 플로트의 경량화와 구조성능 개선을 확인하였다.
- 2인승 경항공기(최대 이륙중량 650kg, 최대 순항속도 213km/h, 엔진 추진력 100마력, 동체 길이 6.12m, 동체 높이 2.28m)에 장착 가능한 플로트(전체 길이 4.5m, 너비 0.57m, 높이 0.5m, 질량 71.61kg) 설계제원을 바탕으로 생성된 삼차원 형상에 대한 유한요소모델링을 수행하였다. 주요 부분의 두께는 상부외피 1.
- 구조 해석을 위하여 삼각형 쉘(shell) 요소 310개, 사각형 쉘 요소 11,204개를 생성하였다. 해석과정을 효율적으로 수행하기 위하여 플로트의 보강재 및 하중 적용범위에 따라 전체 형상, 벌크헤드, 킬, 킬 더블러(keel doubler), 킬 스티프너 (keel stiffener), 상단외피, 하단외피를 기준으로 세분화하였다.
- 하중조건으로 플로트에 작용하는 이착륙 충격하중, 횡 방향 굽힘 모멘트, 비틀림 모멘트 중에서 수상/육상 착륙에서의 충격하중이 고려되었다. 하중산출을 위하여 설계 제원상의 플로트 배수량을 1.8로 나누어 얻게 되는 711kg을 플로트가 장착될 경항공기의 최대질량으로 결정하였다(Federal Aviation Regulation, 2004).
- 33, 항복응력 σY=275MPa, 밀도 ρ=2,700kg/m3이다. 수상/육상 착륙환경에서 설계제원 기반의 경항공기 플로트의 구조적 안전성을 확인하기 위하여 고유 진동수 및 정적해석을 수행하였다.
- 125mm의 단층 두께를 기준으로 [(0/±45/90)S]3으로 적층된 복합재료 적층판을 해석모델에 적용하였다. 알루미늄 플로트모델을 기준으로 수상/육상 착륙환경에서 복합재료 적층판 적용에 따른 경항공기 플로트의 구조적 안전성과 경량화에 따른 구조성능 변화를 확인하기 위하여 고유 진동수 및 정적해석을 수행하였다.
- 이를 위하여 [(0/±θ/90)S]α, [(±θ)2S]α에 대하여 적층 각도(θ =15°, 30°, 45°) 및 적층판 두께(α=2, 3, 4mm)를 변경하였다.
- 복합재료 플로트의 기본적인 경량화 설계를 위하여 적층유형과 적층판 두께변화에 따른 구조성능 변화를 확인하였다. 이를 위하여 [(0/±θ/90)S]α, [(±θ)2S]α에 대하여 적층 각도(θ =15°, 30°, 45°) 및 적층판 두께(α=2, 3, 4mm)를 변경하였다.
- 경항공기 플로트의 구조적 안전성 확인과 기본적인 경량화 설계를 위하여 알루미늄 및 복합재료 플로트모델의 구조 해석을 수행하였다. 설계제원 및 형상도면을 기반으로 유한요소 모델링을 수행하였으며, 수상/육상 착륙환경에 따른 단순화된 하중조건을 유한요소모델에 적용하였다.
- 경항공기 플로트의 구조적 안전성 확인과 기본적인 경량화 설계를 위하여 알루미늄 및 복합재료 플로트모델의 구조 해석을 수행하였다. 설계제원 및 형상도면을 기반으로 유한요소 모델링을 수행하였으며, 수상/육상 착륙환경에 따른 단순화된 하중조건을 유한요소모델에 적용하였다. 경량화에 따른 구조적 안전성 확인을 위하여, 알루미늄과 탄소섬유 강화 복합재료 플로트의 고유 진동수 및 응력해석 결과를 비교하였다.
- 설계제원 및 형상도면을 기반으로 유한요소 모델링을 수행하였으며, 수상/육상 착륙환경에 따른 단순화된 하중조건을 유한요소모델에 적용하였다. 경량화에 따른 구조적 안전성 확인을 위하여, 알루미늄과 탄소섬유 강화 복합재료 플로트의 고유 진동수 및 응력해석 결과를 비교하였다.
- 고유 진동수 해석을 통해 구조적으로 강성이 작은 벌크 헤드 부분에서의 국부적인 떨림현상이 전체 굽힘현상과 함께 혼합적으로 나타나는 것을 확인하였다. 알루미늄 플로트모델의 응력해석을 수행하였으며, 착륙접근 속도가 30 m/s일 때의 수상/육상 착륙 하중에 대하여 최대 파손지수는 각각 0.33, 0.62이었다. [(0/±45/90)S]3 적층유형을 갖는 복합재료 플로트의 파손지수는 알루미늄 플로트에 비해 약 39%, 29%정도 감소함을 알 수 있었다.
- [(0/±45/90)S]3 적층유형을 갖는 복합재료 플로트의 파손지수는 알루미늄 플로트에 비해 약 39%, 29%정도 감소함을 알 수 있었다. 복합재료의 적층유형 및 두께변화가 고려된 플로트 구조해석을 통해 기초적인 경량화 설계를 수행하였다. 그 결과, 약 41%의 경량화와 파손 지수 기준으로 약 32%의 구조성능 개선을 보인 [(0/±30/90)S]3 적층 유형이 가장 적합함을 확인하였다.
대상 데이터
- 61kg) 설계제원을 바탕으로 생성된 삼차원 형상에 대한 유한요소모델링을 수행하였다. 주요 부분의 두께는 상부외피 1.27mm, 하부외피, 2.03mm, 보강재 6.85mm, 벌크헤드 1.62mm이다.
- 2는 내부의 벌크헤드를 포함한 형상 및 유한요소모델이다. 플로트 배면에 적용되는 주요 킬(keel) 보강재를 고려하였다. 구조적 영향이 비교적 적은 수중 방향타(water rudder), 스트러트 바, 스프레더 바 소켓(spreader bar socket), 스텝 사이드 거싯(step side gusset), 러더 벌크헤드 더블러(rudder bulkhead doubler)는 고려하지 않았다.
- 1을 사용하였다(SAMCEF Feild, 2009). 구조 해석을 위하여 삼각형 쉘(shell) 요소 310개, 사각형 쉘 요소 11,204개를 생성하였다. 해석과정을 효율적으로 수행하기 위하여 플로트의 보강재 및 하중 적용범위에 따라 전체 형상, 벌크헤드, 킬, 킬 더블러(keel doubler), 킬 스티프너 (keel stiffener), 상단외피, 하단외피를 기준으로 세분화하였다.
- 알루미늄(Al 6061-T6) 플로트모델에 적용된 재료물성 값은 탄성계수 E=68.9GPa, 전단 탄성계수 G=26.0GPa, 푸아송 비 ν=0.33, 항복응력 σY=275MPa, 밀도 ρ=2,700kg/m3이다.
- 0.125mm의 단층 두께를 기준으로 [(0/±45/90)S]3으로 적층된 복합재료 적층판을 해석모델에 적용하였다.
- 복합재료(탄소/에폭시) 플로트모델에 적용된 물성값은 섬유방향 탄성계수 E1=135GPa, 섬유 수직방향 탄성계수 E2=10GPa, 전단 탄성계수 G12=5.0GPa, 푸아송 비 ν12=0.3, 섬유방향 인장강도 X=1.5GPa, 압축강도 X′=1.2GPa, 섬유 수직방향 인장강도 Y=0.05GPa, 압축강도 Y′=0.25GPa, 전단강도 S=0.07GPa, 밀도 ρ=1,600kg/m3이다.
이론/모형
- 유한요소모델링은 상용 유한요소 프로그램인 SAMCEF Field V.8.1을 사용하였다(SAMCEF Feild, 2009). 구조 해석을 위하여 삼각형 쉘(shell) 요소 310개, 사각형 쉘 요소 11,204개를 생성하였다.
- 36MPa이다. 이와 같이 응력집중에 따른 구조 안전성을 확인하기 위해 널리 알려진 Tsai-Wu 파손지수(F.I., failure index)를 사용하였다(Tsai 등, 1971).
성능/효과
- 알루미늄 플로트모델에 대하여 고유 진동수 및 응력해석 결과를 확인하였고, 이를 기준으로 경량화에 따른 복합재료 플로트모델의 구조적 안전성을 비교하였다. 복합재료 플로트모델의 적층유형 및 두께변경을 통하여 경항공기 플로트의 경량화와 구조성능 개선을 확인하였다.
- 7에 나타내었다. 전제 질량은 42.52kg으로 알루미늄 플로트모델의 71.61kg에 비해 약 41%의 경량화가 이루어졌다. 4차까지의 고유 진동 모드를 살펴본 결과, 전체적인 굽힘 모드와 벌크헤드 및 외피에서의 국부적인 떨림현상이 알루미늄모델과 비슷한 양상으로 나타났다.
- 알루미늄 플로트의 파손지수는 von Mises 응력을 항복 강도로 무차원화한 것이다. WL 5와 GL 5에 따른 복합재 플로트모델의 최대 파손지수는 각각 0.20, 0.44이며, 알루미늄 플로트모델과 비교하여 각각 약 39%, 29% 감소하였다. 이를 통해 복합재 플로트가 경량화와 함께 파손지수 기준의 구조 안전성이 향상되었음을 알 수 있다.
- 44이며, 알루미늄 플로트모델과 비교하여 각각 약 39%, 29% 감소하였다. 이를 통해 복합재 플로트가 경량화와 함께 파손지수 기준의 구조 안전성이 향상되었음을 알 수 있다.
- 전반적으로 GL 5에 대하여 파손지수와 함께 경량화를 고려한 구조성능 개선 측면에서는 알루미늄 플로트에 비해 약 41%의 경량화와 약 32%의 파손지수 감소를 보인 [(0/±30/90)S]3 적층 유형이 가장 적합함을 알 수 있다.
- 하중조건 WL 5과 GL 5에 따른 방향 최대변위, 최대 파손지수, 플로트 총 질량에 대한 결과를 각각 Table 2와 Table 3에서 정리하여 제시하였다. 예상한 바와 같이 적층 판의 적층유형 및 두께변화에 따라 복합재료 플로트의 구조 성능이 크게 개선되는 경향을 확인하였다. 구체적으로 살펴보면 WL 5에 대한 최대 변위는 적층판의 두께가 4mm일 때 해당하는 [(±15)2S]4 적층유형에서 4.
- [(0/±45/90)S]3 적층유형을 갖는 복합재료 플로트의 파손지수는 알루미늄 플로트에 비해 약 39%, 29%정도 감소함을 알 수 있었다.
- 그 결과, 약 41%의 경량화와 파손 지수 기준으로 약 32%의 구조성능 개선을 보인 [(0/±30/90)S]3 적층 유형이 가장 적합함을 확인하였다.
- 고유 진동수 해석을 통해 구조적으로 강성이 작은 벌크 헤드 부분에서의 국부적인 떨림현상이 전체 굽힘현상과 함께 혼합적으로 나타나는 것을 확인하였다. 알루미늄 플로트모델의 응력해석을 수행하였으며, 착륙접근 속도가 30 m/s일 때의 수상/육상 착륙 하중에 대하여 최대 파손지수는 각각 0.
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