[논문]방진 고무를 포함한 항공 감시 정찰용 짐발 구조 시스템의 충격 해석

이상은; 이태원; 강용구

doi:10.14775/ksmpe.2014.13.2.073

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A camera module that gathers visual information via aerial observation reconnaissance is equipped inside a gimbal structure. This gimbal structure system must reduce dynamic responses in order to obtain clear images under all circumstances. Among many design specifications for this system, there is ...

A camera module that gathers visual information via aerial observation reconnaissance is equipped inside a gimbal structure. This gimbal structure system must reduce dynamic responses in order to obtain clear images under all circumstances. Among many design specifications for this system, there is MIL-STD-810G as a shock standard. This specification indicates a limitation of the acceleration of the camera module under a base shock excitation on the gimbal structure. The satisfaction of this condition can usually be proved by experiment, because it includes bearings and dynamic isolators made of rubber. Numerical analysis must be proposed for design improvement of the gimbal structure. To achieve this goal, transient response analysis for the base shock excitation was performed using the finite element method. Experimental results were compared with numerical solutions and it is shown that the present method is useful.

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문제 정의

3의 시험장비에서 발생되어 연구대상인 짐발 구조 시스템의 8군데 방진부위에 각 x, y, z 방향으로 가해졌고 0 ~ 100 msec까지 카메라 모듈부의 모든 절대 가속도 값을 측정할 수 있다. 그러나, 본 연구의 목적은 제시한 해석적인 방법의 타당성 여부를 실험을 통하여 입증하는 것이므로 3방향의 가속도를 모두 다루기보다 여기서는 단지 z 방향의 기초 충격 가속도 실험만 수행하였다.
기초 가진의 경우 일반적인 방법으로는 수치해석이 불가능하며 특히 기초 가진이 충격 가속도인 경우는 유일하게 거대질량법만 적용할 수 있다. 그러므로, 본 연구는 거대질량법을 사용하고 잘 알려진 Newmark algorithm을 조합하여 기초부에 충격 가속도를 받는 구조물의 동적 해석 방법을 제안하였다. 물론 이 방법은 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS 13.
연구대상인 짐발 구조 시스템이 충격에 견딜 수 있도록 제작되었는지 판단하고 제안된 수치해석 방법의 타당성을 검증하기 위하여 충격 실험을 하였다. 충격을 발생하기 위하여 Fig.

제안 방법

즉, 강성계수와 감쇠계수는 일정한 값이 아니다. 그러므로 본 연구에서는 불가피하게 제조업체에서 제시하는 사용조건에서 일정한 상수인 강성계수와 감쇠계수를 사용하여 수치적으로 과도응답을 계산하였다. 그리고 실제로 모델을 제작하여 동일 조건으로 실험을 수행하였고 이 실험결과와 유한요소법을 이용한 해석 결과와 비교 분석하여 제안된 수치적 방법의 신뢰성을 검증하였다.
Fig. 2에서 보는 바와 같이 Table 3의 물성치가 적용된 모든 유한요소는 8절점 3D-structure solid element로 모델링하였고 카메라 모듈부와 구동 모터는 절점 질량 요소인 MASS21, 베어링은 스프링 요소인 COMBIN14, 비행기 터렛에 결합되는 8개의 방진장치는 스프링-댐퍼 요소인 COMBIN14로 대체 적용하였다.
앞에서 설명한 질량, 강성계수, 감쇠계수 및 재료의 물성치를 상용코드 ANSYS 13.0에 적용하여 기초부에 충격 가속도가 가해진 경우 짐발 구조시스템의 동적거동을 수치적으로 구하였다. Fig.
실험과 동일한 기초부에 Fig. 5의 충격 가속도가 작용하는 경우 2장에서 설명한 모델링과 기법을 적용하여 유한요소법으로 충격 거동을 해석하였다. 해석 결과는 모든 방향에서 쉽게 구할 수 있으나 본 연구에서는 실험과 비교를 위하여 z방향만 충격 해석하였다.
5의 충격 가속도가 작용하는 경우 2장에서 설명한 모델링과 기법을 적용하여 유한요소법으로 충격 거동을 해석하였다. 해석 결과는 모든 방향에서 쉽게 구할 수 있으나 본 연구에서는 실험과 비교를 위하여 z방향만 충격 해석하였다.
기초부의 충격 가속도가 가해지는 문제의 수치해석이 어려운 이유를 살펴보기 위하여 먼저 유한 요소방정식을 살펴보자.
그러나 기초부에 충격 가속도가 가해지는 경우는 단지 거대질량법^[5,6] 만이 유일한 해석 방법이다. 이러한 이유로 본 연구는 거대질량법을 적용하여 짐발 구조 시스템의 충격 거동을 해석하였다. 거대질량법은 가상으로 생성된 거대질량에 가속도항을 곱한 동적인 하중을 기초부에 부여하는 방법으로 이 때 기초부의 변위와 속도 초기조건은 0이다.
5와 같은 톱니형의 충격 가속도를 기초부인 방진 고무부에 작용하여 카메라 모듈 중심부의 최대 가속도가 일정 수준 이하를 만족하여야 한다. 이를 실험적으로 증명할 수 있으나 해석학적 방법의 정립을 위하여 기초부에 발생한 충격 가속도 조건하에서 베어링 및 고무재질의 방진장치들을 모두 포함한 실제 짐발 구조 시스템의 과도응답해석을 수행하였다. 기초 가진의 경우 일반적인 방법으로는 수치해석이 불가능하며 특히 기초 가진이 충격 가속도인 경우는 유일하게 거대질량법만 적용할 수 있다.

대상 데이터

그러므로, 현 연구대상에서는 방산용으로 많이 적용되는 재료인 BTR®Elastomer AM004-8[9]을 사용하였고 2개를 back-to-back 방식으로 결합 부착하였다.
2에서 보는 바와 같이 Table 3의 물성치가 적용된 모든 유한요소는 8절점 3D-structure solid element로 모델링하였고 카메라 모듈부와 구동 모터는 절점 질량 요소인 MASS21, 베어링은 스프링 요소인 COMBIN14, 비행기 터렛에 결합되는 8개의 방진장치는 스프링-댐퍼 요소인 COMBIN14로 대체 적용하였다. 최종적으로 모델링에서 사용된 전체 유한요소개수는 21015개이고 절점개수는 29499개이다.
연구대상인 짐발 구조 시스템이 충격에 견딜 수 있도록 제작되었는지 판단하고 제안된 수치해석 방법의 타당성을 검증하기 위하여 충격 실험을 하였다. 충격을 발생하기 위하여 Fig. 3의 Ling Dynamic Systems에서 제작된 V9-440-HBT1500C 176K 전자기 진동시험 장비를 사용하였다. 이 장비에서 생성할 수 있는 최대 충격 가진력은 315.

데이터처리

그러므로 본 연구에서는 불가피하게 제조업체에서 제시하는 사용조건에서 일정한 상수인 강성계수와 감쇠계수를 사용하여 수치적으로 과도응답을 계산하였다. 그리고 실제로 모델을 제작하여 동일 조건으로 실험을 수행하였고 이 실험결과와 유한요소법을 이용한 해석 결과와 비교 분석하여 제안된 수치적 방법의 신뢰성을 검증하였다.
그러므로, 본 연구는 거대질량법을 사용하고 잘 알려진 Newmark algorithm을 조합하여 기초부에 충격 가속도를 받는 구조물의 동적 해석 방법을 제안하였다. 물론 이 방법은 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS 13.0의 APDL로 프로그래밍 하여 충격해를 구하였다. 그리고 제안된 방법의 유용성을 검증하기 위하여 동일한 조건으로 기초부에 충격 가속도를 발생시켜 카메라부의 가속도를 측정하는 실험을 하여 수치해와 비교하였다.
0의 APDL로 프로그래밍 하여 충격해를 구하였다. 그리고 제안된 방법의 유용성을 검증하기 위하여 동일한 조건으로 기초부에 충격 가속도를 발생시켜 카메라부의 가속도를 측정하는 실험을 하여 수치해와 비교하였다.
3-2 절에서 제안된 해석방법의 타당성을 증명하기 위하여 수치해법에 의한 카메라 모듈부의 가속도 값과 3-1절의 실험결과를 Fig. 6에서 비교하였다. Fig.

이론/모형

1의 짐발 구조 시스템의 동적 거동 계산은 모드중첩법(modal superposition method)은 불가능하고 단지 과도응답해석(transient response analysis)만이 가능하다. 과도응답해석은 적당히 짧은 구간으로 시간을 나누어 각각의 시간에 대하여 직접 시간 적분법을 이용하는 것으로 본 연구에서는 범용 유한요소 프로그램인 ANSYS 13.0^[7]에서 시간 적분법으로 Newmark algorithm을 선정하여 충격해를 구하였다.
현 연구 대상인 짐발 구조 시스템에서 회전 운동을 위한 각접촉 볼 베어링은 강성을 증가시키고 회전각도의 정확성을 높이기 위해서 Lee 등^[2]의 연구에서 설명한 back-to-back 예압 방식을 채택하여 조립되었다. 이 베어링들은 Timken Company에서 제작된 것으로 축 방향 강성과 반경 방향 강성은 Table 1와 같다.
거대질량법은 가상으로 생성된 거대질량에 가속도항을 곱한 동적인 하중을 기초부에 부여하는 방법으로 이 때 기초부의 변위와 속도 초기조건은 0이다. 한편 동적 문제의 수치해법으로 시간 적분법인 Newmark algorithm을 적용하였고 0 ~ 100 msec에 대하여 0.5 msec로 200구간으로 나누어 운동방정식 (2)의 과도 응답 해를 구하였다.

성능/효과

5의 충격 가속도 가진을 발생할 때 생기는 관성력과 노이즈의 영향으로 판단된다. 그리고 가속도 크기 관점에서 보면 카메라부의 가속도 응답 결과 중 3차 peak 가속도는 거의 두 결과가 일치하나 1, 2차 peak 가속도는 실험값이 해석 결과보다 약간 크다. 뿐만 아니라 peak가 발생하는 시간도 두 값이 약간의 오차가 있음을 알 수 있다.
9 %로 오차가 비교적 작다. 한편, 카메라부의 최대 가속도 결과를 보면 세번째 peak 가속도는 오차가 거의 없으나 두번째 peak 가속도에서 최대 19.1 %로 큰 오차가 나타난다. 이는 측정 오차와 노이즈의 영향뿐 아니라 해석과 달리 실험에서는 치구 사용으로 인한 영향도 일부 있다.
본 연구에서는 응력이 주 관심이 아니므로 자세한 설명은 생략하였으나 참고로 Fig. 1의 짐발 구조 시스템은 z축 방향으로 방진부위에 Fig. 5의 충격 가속도가 가해지는 경우 최대 동적응력은 14.0 MPa로 계산되었다.
만약 앞으로 고무의 비선형성이 정확히 규명되어 이를 적용하면 보다 향상된 수치해를 얻을 수 있을 것이다. 그러나 현재는 단순화된 고무 특성을 적용할 수 밖에 없고 이와 같은 상황에도 불구하고 실험과의 비교 결과 본 연구의 해석 방법은 감시 정찰용 짐발 구조 시스템의 충격 설계에 적용이 가능하다.

후속연구

실제로 고무재질은 방진에 탁월한 효과가 있지만 사용 조건에 따라 강성계수 및 감쇠계수가 달라진다. 만약 앞으로 고무의 비선형성이 정확히 규명되어 이를 적용하면 보다 향상된 수치해를 얻을 수 있을 것이다. 그러나 현재는 단순화된 고무 특성을 적용할 수 밖에 없고 이와 같은 상황에도 불구하고 실험과의 비교 결과 본 연구의 해석 방법은 감시 정찰용 짐발 구조 시스템의 충격 설계에 적용이 가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 항공기가 받는 가속도는 어느정도인가?	일반적으로 항공기가 급기동과 급선회 시 받는 최대 가속도는 중력 가속도의 9배 이상이며, 경착륙(hard landing)시에는 중력 가속도의 20배 정도의 가속도가 매우 짧은 시간 동안 항공기 동체에 발생한다. 동체의 충격 가속도가 Fig.
	짐발 구조 시스템이란 무엇인가?	감시 정찰용 항공기에 탑재되는 터렛(turret) 내부에 위치한 짐발 구조 시스템은 카메라를 지지하고 이를 구동시켜 영상을 획득하는 시스템으로 고각(elevation) 및 방위각(azimuth) 방향의 2자유도 회전운동을 통하여 원하는 위치를 추적한다. 이 시스템은 Fig.
	고무와 같은 방진장치들을 포함한 구조물이 정확하게 충격으로 인한 거동예측이 불가능한 이유는 무엇인가?	방진재로 사용되는 고무는 감쇠가 클 뿐 아니라 강성계수 역시 여러 가지 요인에 의해 크기가 달라진다. 이와 같은 이유로 고무와 같은 방진장치들을 포함한 구조물은 정확하게 충격으로 인한 거동예측이 불가능하다.

참고문헌 (10)

Lee, S. E. and Lee, T. W., "Vibration Characteristic Analysis of Gimbal Structure in Collection Equipment of Image Information, System with Observation Reconnaissance Camera Module", Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 9, No. 2, pp. 20-25, 2010.
Lee, S. E. and Lee, T. W., "Vibration Characteristic Analysis of Gimbal Structure System with Observation Reconnaissance Camera Module", Journal of the KSME(A), Vol. 35, No. 4, pp. 409-415, 2011.

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Back, J. H., "Modeling on an Antenna Flexible Characteristics of a Prototype Gimbal with an Antenna and Major Design Factors to determine a System Bandwidth", Journal of the KSME(A), Vol. 29, No. 5, pp. 743-753, 2005.

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Cho, T. D. and Yang, S. M., "Robust Control of Hydraulically Operated Gimbal System", Journal of Mechanical science and technology, Vol. 21, No. 5, pp.755-763, 2007.

원문보기 상세보기
Haberman, D., Sine-sweep test simulation in ANSYS using the large-mass and direct-displacement methods, Collaborative Solutions, Inc., 2000.
Kim, Y. W., Kim H. N. and Jung, M. J., "Mathematical Analysis on Large Mass Method for the Dynamic Responses of a Two-d.o.f Spring-Mass System Excited by Ground Acceleration", Fall Conference of the KSME, pp. 933-932, 2010.
ANSYS, Users's Manual for Revision 13.0, ANSYS Inc., 2011.
Petrone, F.,Lacagnina, M., Scionti, M., "Dynamic Characterization of Elastomers and Identification with Rheological Model", Journal of Sound and Vibration, Vol. 271, pp. 339-363, 2004.

상세보기
Lord, "Low Profile Avionics Mounts(AM Series)", Lord Corporation, from http://www.lord.com
MIL-STD-810G., Department of Defense Test Method Standard for Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests, Method 516.6 Shock, 2008.

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