[논문]실험설계법 기반 풍동실험 정밀도 향상 실험연구

오세윤; 박승오; 안승기

doi:10.5139/jksas.2014.42.4.291

실험설계법 기반 풍동실험 정밀도 향상 실험연구
Experimental Investigations of Accuracy Improvement in Wind Tunnel Testing Using Design of Experiments 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.42 no.4, 2014년, pp.291 - 297

오세윤 (Agency for Defense Development) , 박승오 (Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 안승기 (Agency for Defense Development)

초록
AI-Helper

회전익 항공기의 기체 공력특성 측정실험에 실험설계 방법론을 적용하여 풍동실험의 정밀도 향상에 관한 연구를 수행하였다. 블록화와 블록화 되지 않은 경우들에 대한 분산분석결과의 비교를 통해 블록화의 영향을 평가하였다. 2차 반응표면모델의 경우 블록화가 실험결과의 정밀도 향상에 실질적인 영향을 주고 있음을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 랜덤화, 블록화 및 반복화와 같은 실험설계원리와 같은 풍동실험 절차의 재배치를 통해 이러한 정밀도 향상이 가능함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A Design of Experiments(DOE) approach to an experimental study of fuselage drag and stability characteristics of a helicopter configuration was applied to achieve an accuracy improvement in the wind tunnel testing. The impact of blocking the test was assessed by comparing the ANOVA table for the blocked and unblocked cases. For a second-order response model, the role of blocking resulted in a substantial increase in the accuracy of test results. These accuracy improvement could be achieved through randomization, blocking, and replication of the data points i.e. a re-ordering of the test sequence where the data were acquired.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 통계학 기반 실험설계 방법론에 대한 연구의 일환으로 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)[18]을 적용한 비행체 공력계수의 정밀도 향상방안에 관한연구를 수행하였다. 이 연구를 통해 DOE의 블록설계(block design) 개념을 적용한 반응표면의 획득과 블록설계 효과에 대한 평가를 수행하도록 하여 궁극적으로는 향후 보다 신뢰성 있는 실험결과의 추출이 가능하도록 하고자 하였다.
이에 본 연구에서는 통계학 기반 실험설계 방법론에 대한 연구의 일환으로 반응표면분석법(response surface methodology, RSM)[18]을 적용한 비행체 공력계수의 정밀도 향상방안에 관한연구를 수행하였다. 이 연구를 통해 DOE의 블록설계(block design) 개념을 적용한 반응표면의 획득과 블록설계 효과에 대한 평가를 수행하도록 하여 궁극적으로는 향후 보다 신뢰성 있는 실험결과의 추출이 가능하도록 하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 직교 회전가능 중심합성설계(a orthogonal rotatable CCD)의 블록화 실험배치를 적용하여 풍동실험모형에 작용하는 공력계수 예측 반응표면을 획득하고 반응표면용 2차 회귀모형(second order regression models) 간의 비교를 통해 실험시간 경과에 따른 블록설계 효과를 평가하였다. 반응표면의 독립변수인 인자(x_i)의 개수(k)는 받음각(a)과 요우 각(𝜓)의 2개로 각각 -4^∘ ≤ a ≤+4^∘과 -4^∘≤ 𝜓 ≤+4^∘ 을 제어인자(control factor)의 수준으로 사용하였다.
전통적인 풍동실험 분야에 실험설계 방법론 기반 반응표면분석법을 적용하여 비행체 공력계수의 정밀도 향상방안에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 직교 블록화 공력계수 예측 반응표면을 획득하고 2차 회귀모형의 블록설계 효과에 대한 평가를 수행하여 실험설계의 블록화가실험의 정밀도를 실질적으로 향상시킬 수 있음을 보였다.
x_i의 값은 관심영역(region of interest)의 최대/최소값을 사용한 선형변환(linear transformation, coded value)을 통해 대체로 ±1 사이에 위치하도록 하였다. 풍동실험은 CCD 방법을 사용하여 생성된 Table 1의 설계매트릭스를 기준하여 블록별 랜덤화와 중심점에 대한 반복화를 통해 수행하였다.

성능/효과

Table 2와 Table 3은 반응표면 회귀모형 계수(coded value)의 블록인자(z) 포함여부에 대한 영향을 평가한 결과이다. C_D에 대한 분석결과로부터 Table 2의 불포함 모형에 비해 표 3의 블록인자 포함 회귀모형의 회귀모형 계수에 대한 표준오차(standard error)가 감소되었고, 각 회귀모형계수가 0으로부터 얼마나 많은 배수의 표준오차만큼 떨어져 있는가를 평가하는 지표(t-statics)가 더 크게 산출되었다. 이로부터 Table 3의 회귀모형 계수가 Table 2의 결과에 비해 단순히 실험오차 때문이 아닌 실제적인 값이라는 판단을 좀 더 높은 신뢰성을 갖고 내릴 수 있다.
이로부터 Table 3의 회귀모형 계수가 Table 2의 결과에 비해 단순히 실험오차 때문이 아닌 실제적인 값이라는 판단을 좀 더 높은 신뢰성을 갖고 내릴 수 있다. 또한 블록인 자 적용에 따라 회귀모형의 정도(precision)를 측정하는 결정계수(coefficient of determination,R2)의 값이 향상되어 좀 더 높은 정밀도의 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.
전통적인 풍동실험 분야에 실험설계 방법론 기반 반응표면분석법을 적용하여 비행체 공력계수의 정밀도 향상방안에 관한 연구를 수행하였다. 본 연구를 통해 직교 블록화 공력계수 예측 반응표면을 획득하고 2차 회귀모형의 블록설계 효과에 대한 평가를 수행하여 실험설계의 블록화가실험의 정밀도를 실질적으로 향상시킬 수 있음을 보였다. 이와 같은 실험의 정밀도 향상은 추가적인 실험횟수의 증가나 별도의 실험비용의 상승 없이 실험설계의 기본원리와 통계학 기반 실험배치 방법의 적용만으로 가능하며, 실험 수행 시 항상 발생하고는 있지만 기존의 전통적인 방법으로는 처리가 불가능하였던 블록효과 즉 시스템오차의 변동을 용이하게 제거할 수 있다.
Table 4는 6성분 공력계수 예측 반응표면에 대한 블록효과를 비교한 결과이다. 블록설계 적용 반응표면실험을 통해 얻을 수 있었던 공력계수의 정밀도 향상은 약 4~60 counts (0.0004~0.0060)에 달하였다. 블록화 적용여부에 따른 분산분석(ANOVA) F-검정결과(F-value)[19]의 비교로부터 C_D의 경우 약 1.
본 연구를 통해 직교 블록화 공력계수 예측 반응표면을 획득하고 2차 회귀모형의 블록설계 효과에 대한 평가를 수행하여 실험설계의 블록화가실험의 정밀도를 실질적으로 향상시킬 수 있음을 보였다. 이와 같은 실험의 정밀도 향상은 추가적인 실험횟수의 증가나 별도의 실험비용의 상승 없이 실험설계의 기본원리와 통계학 기반 실험배치 방법의 적용만으로 가능하며, 실험 수행 시 항상 발생하고는 있지만 기존의 전통적인 방법으로는 처리가 불가능하였던 블록효과 즉 시스템오차의 변동을 용이하게 제거할 수 있다. 따라서 보다 신뢰성 있는 실험결과의 추출이 가능하도록 하기 위해서는 향후 이와 같은 실험설계 방법론에 대한 적용연구와 풍동실험분야에의 적극적인 활용이 필요하다고 판단된다.

후속연구

Six-Sigma(or Design for Six-Sigma, DFSS)나 연구개발 프로세스 성숙도 평가(Capability Maturity Model Integration, CMMI) 등의 최신연구결과에서 이미 밝혀진 바와 같이 기존의 전통적인 방법(OFAT실험, 빈번한 장비의 교정, 고급 정밀센서의 사용)이나 단순한 업무개선만으로는 생산이나 연구결과의 최종 산출물의 품질을 사용자가 요구하는 최첨단 수준(Maturity Level 4 이상 또는 항력계수 0.5∼1 counts 정밀도)으로 높이거나 최적화하는 것은 이미 한계점에 다다르고 있다고 판단된다.
5∼1 counts 정밀도)으로 높이거나 최적화하는 것은 이미 한계점에 다다르고 있다고 판단된다. 따라서 기존의 전통적인 방식의 연구로는 해결이 어렵고 복잡한 실제 풍동실험문제의 적용을 통해 실험설계방법론과 풍동실험 적용에 관한 연구를 수행함으로써 그 타당성과 유효성의 입증이 필요할 것으로 판단되며, 이러한 연구를 통해 궁극적으로는 보다 신뢰성 있는 공력성능예측과 최적화 풍동실험 설계기법의 확립이 가능할 것이다.
이와 같은 실험의 정밀도 향상은 추가적인 실험횟수의 증가나 별도의 실험비용의 상승 없이 실험설계의 기본원리와 통계학 기반 실험배치 방법의 적용만으로 가능하며, 실험 수행 시 항상 발생하고는 있지만 기존의 전통적인 방법으로는 처리가 불가능하였던 블록효과 즉 시스템오차의 변동을 용이하게 제거할 수 있다. 따라서 보다 신뢰성 있는 실험결과의 추출이 가능하도록 하기 위해서는 향후 이와 같은 실험설계 방법론에 대한 적용연구와 풍동실험분야에의 적극적인 활용이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실험설계 방법론에서 랜덤화란 무엇인가?	실험설계 방법론에서 랜덤화(randomization)는 동일한 조건에서 미리 예견할 수 없는 실험오차를 제거하기 위해 실험대상을 무작위로 선정하는 것을 말하며 처리(treatment) 및 실험순서의 확률화로 실험오차 간 독립성을 보장하고 제어불가능인자(또는 요인)의 영향을 평균화시킨다. 이를 통해 어느 한쪽으로 치우치는 경향을 제거하고 특정한 처리가 선호되는 것을 막는다.
	시뮬레이션 실험의 결정론적 특성과 다른 풍동실험의 특징은?	즉 같은 입력에 대해서는 항상 똑같은 출력이 결정론적(deterministic)으로 관측된다. 이에 반해 풍동실험과 같은 물리적 실험은 여러 원인들로 인해 관측오차를 포함하게 되므로 항상 똑같은 출력이 관측되지 못하고 측정시마다 결과가 달라지므로 통계적(statistical) 사고방식의 접근과 관련 통계기법에 대한 올바른 이해가 필요하다. 그러나 통계적 접근방식에 근거하여 당면문제를 파악하고 적절한 통계적 기법을 활용하여야 함에도 불구하고 대부분의 경우 통계적 처리방식에 익숙하지 않아 데이터를 유효하게 활용하지 못하고 범용기술 분야의 하나인 통계적 실험설계방안에 대한관심과 연구의 부족으로 항공관련 전문 기술 분야[1-5]에 이를 적극적으로 활용하지 못하고 있는 실정이다.
	블록화란 무엇인가?	이를 통해 어느 한쪽으로 치우치는 경향을 제거하고 특정한 처리가 선호되는 것을 막는다. 블록화(blocking)란 이질적인 실험재료나 환경을 균일하게 묶어 블록(block)으로 만들고 블록 내에서 각인자의 영향을 조사하는 것을 말한다. 반복화(replication)란 실험에서 어떤 처리조건에 대해 반복하여 실시하는 것을 말하는 것으로 실험을 1회 실시하는 것보다는 수회 실시할 때 신뢰도를 높일 수 있다.

참고문헌 (22)

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상세보기
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Oh, Se-Yoon, Park, Keum-Yong, Lee, Jong-Geon and Ahn, Seung-Ki, "An Experimental Study of Fuselage Drag and Stability Characteristics of a Helicopter Configuration", (in Korean) Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Science, Vol. 33, No. 9, pp. 9-15, 2005. 9.

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Barlow, J. B., Rae, William H. and Pope, Alan, "Low-Speed Wind Tunnel Testing", 3rd ed., Chapter 7., 1999.

저자의 다른 논문 :

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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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