화력과 기동의 통합성능을 고려한 미래 전투차량의 해석 기반 설계 프레임웍 연구: (2) 통합최적설계 Model-Driven Design Framework for Future Combat Vehicle Development based on Firepower and Mobility: (2) Integrated Design Optimization원문보기
In the design of a combat vehicle, various performances such as firepower, mobility and survivability, etc., should be considered. Furthermore, since these performances relate to each other, design framework which can treat an integrated system should be employed to design the combat vehicle. In thi...
In the design of a combat vehicle, various performances such as firepower, mobility and survivability, etc., should be considered. Furthermore, since these performances relate to each other, design framework which can treat an integrated system should be employed to design the combat vehicle. In this paper, we use empirical interior ballistic and 3D combat vehicle analyses for predicting firepower and mobility performances which are developed in previous study (1) integrated performance modeling. In firepower performance, pitch and roll angle by sequential firing are considered. In mobility performance, vertical acceleration after passing through a bump is regarded. However, since there are many design variables such as mass of vehicle, mass of suspension, spring and damping coefficient of suspension and tire, geometric variables of vehicle, etc., for firepower and mobility performance, we utilize analysis of variance and quality function deployment to reduce the number of design variables. Finally, integrated design optimization is carried out for integrated performance such as firepower and mobility.
In the design of a combat vehicle, various performances such as firepower, mobility and survivability, etc., should be considered. Furthermore, since these performances relate to each other, design framework which can treat an integrated system should be employed to design the combat vehicle. In this paper, we use empirical interior ballistic and 3D combat vehicle analyses for predicting firepower and mobility performances which are developed in previous study (1) integrated performance modeling. In firepower performance, pitch and roll angle by sequential firing are considered. In mobility performance, vertical acceleration after passing through a bump is regarded. However, since there are many design variables such as mass of vehicle, mass of suspension, spring and damping coefficient of suspension and tire, geometric variables of vehicle, etc., for firepower and mobility performance, we utilize analysis of variance and quality function deployment to reduce the number of design variables. Finally, integrated design optimization is carried out for integrated performance such as firepower and mobility.
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문제 정의
본 연구에서는 향후 미래 전투차량의 개념설계를 위한 통합 설계 프레임웍을 연구하고자 한다. 이를 위해 단순화된 3차원 전투차량모델을 이용하여 화력과 기동성능을 함께 고려한 통합성능 최적설계를 수행한다.
전투차량의 여러 성능 중, 화력성능과 기동성능을 고려한 최적설계를 수행한다. 탄의 발사에 의한 반동을 얼마나 잘 흡수하는가에 따라 다음 사격까지 대기시간이 달라진다.
제안 방법
이를 위해 단순화된 3차원 전투차량모델을 이용하여 화력과 기동성능을 함께 고려한 통합성능 최적설계를 수행한다.
따라서 탄의 발사 후 전투차량의 반동에 의한 피치각 및 롤각을 예측하여 화력성능으로 고려한다. 또한 기동성능으로 범프 통과 후 차량모델의 무게중심에서의 최대 수직 가속도를 예측한다.
미래 전투차량의 개념연구 단계에서 필요한 체계통합성능분석기법 대한 연구로서 단순화된 모델을 이용한 통합최적설계 프레임웍을 제안하고 화력성능과 기동성능을 고려한 통합최적설계를 수행하였다.
반원 형상의 범프를 차량이 일정한 속도로 통과할 때 발생하는 차량모델의 최대 수직 가속도를 기동성능으로 평가한다.
본 연구에서는 효과적인 통합최적설계를 위해 각 성능에 가장 큰 영향을 주는 설계변수인 m, Lb, W와 피치각, 롤각, 최대 수직 가속도에 공통으로 큰 영향을 주는 Cf, Cr, KT 등 총 6개의 설계변수를 선택한다.
효과적인 통합최적설계를 위해 분산분석과 품질기능전개를 도입하여 화력성능과 기동성능에 영향을 주는 설계변수를 도출하였다. 유의한 설계변수와 화력 및 기동성능에 대한 통합최적설계 정식화를 도출하여 통합최적설계를 수행하였다.
피치각과 롤각으로 평가하는 화력성능 및 최대 수직 가속도로 평가하는 기동성능을 향상 시킬 수 있는 설계 안을 도출하기 위해 통합최적설계를 수행한다.
효과적인 통합최적설계를 위해 분산분석과 품질기능전개를 도입하여 화력성능과 기동성능에 영향을 주는 설계변수를 도출하였다. 유의한 설계변수와 화력 및 기동성능에 대한 통합최적설계 정식화를 도출하여 통합최적설계를 수행하였다.
대상 데이터
1에 나타내었다. 초기 설계변수는 차량의 무게, 서스펜션의 특성치, 전장 및 전폭 등 총 12개이다. 무장은 정해져 있는 것으로 가정하여 반동력에 영향을 주는 발사체의 질량, 추진제의 질량 등의 변수는 설계 변수에서 제외하였다.
데이터처리
그러나 성능분석 모델이 복잡해질수록 설계변수의 영향도를 설계자의 직관으로 판단하는 것은 불가능하다. 따라서 정량적인 설계 영향도 평가를 위해 분산분석을 도입한다.
이론/모형
분산분석은 12개의 설계변수에 대해 1차항과 교호항을 포함한 반응표면모델(response surface model)을 사용한다[16]. 각 설계변수에 대해 하한값과 상한값에 대한 직교배열은 L128(212)를 사용하였으며 이를 Table 3에 나타내었다.
본 장에서는 최적화에서 고려한 전투차량의 성능, 설계변수, 파라미터 등에 대해 설명한다. 전투 차량의 최적화를 위한 성능분석은 선행연구[15]를 통해 개발된 성능분석 모델을 사용한다.
정식화 식 (1)과 (2)의 최적값을 찾기 위해 SQP(sequential quadratic programming) 알고리즘을 사용한다[17].
성능/효과
정식화 (1)의 최적화 결과, 피치각은 초기 설계보다 31% 증가하지만 제한조건을 만족하는 결과를 도출하였고, 롤각은 제한조건을 만족하지 못했던 초기 설계보다 16% 감소하여 제한조건을 만족하는 결과를 도출하였다. 또한 목적함수인 최대 수직 가속도를 최소화하여 최대 수직 가속도는 초기 설계보다 33.6% 감소되고 현가질량은 16% 늘어난 결과를 도출하였다.
정식화 (1)의 최적화 결과, 피치각은 초기 설계보다 31% 증가하지만 제한조건을 만족하는 결과를 도출하였고, 롤각은 제한조건을 만족하지 못했던 초기 설계보다 16% 감소하여 제한조건을 만족하는 결과를 도출하였다. 또한 목적함수인 최대 수직 가속도를 최소화하여 최대 수직 가속도는 초기 설계보다 33.
따라서 식 (1)의 경우 Table 4의 무게중심부터 후륜까지의 거리(Lb)는 증가하지 않고 최대 수직 가속도를 줄이는 방향으로 감소한 것으로 판단된다. 최적화 후 피치각은 증가하였지만 목표 피치각 이하로 제한조건을 만족함을 알 수 있다. 식 (2)의 결과, 최적화 후피치각은 기존 설계와 유사함을 알 수 있다.
현가질량(m)과 전×후륜 감쇠계수는 제한조건을 만족하면서 목적함수를 최소화하기 위한 값으로 수렴하였다.
현가질량의 제한조건이 추가된 정식화 (2)의 결과, 피치각은 기존 설계와 유사하고 롤각은 제한 조건을 만족하면서 목적함수인 최대 수직 가속도는 10% 감소한 결과를 도출하였다. 이는 정식화 (1) 보다 최대 수직 가속도의 감소율은 적지만 차량 설계에 중요한 현가질량의 증가 없이 목적함수를 최소화한 결과이다.
후속연구
추후 전투차량의 성능인 운용성능, 생존성능 등의 추가적인 성능평가 지표가 늘어나면 QFD의 아래 행인 성능지표가 증가하고, 설계변수가 늘어나면 우측 열이 늘어나는 등 복잡한 성능분석에 유용할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전투차량의 설계 시 고려해야 하는 성능은 무엇인가?
전투차량의 설계 시 고려해야 하는 성능은 화력, 기동, 운용, 생존 성능 등 매우 다양하고 각각의 성능이 서로 다른 성능에 영향을 주기 때문에 성능분석과정이 복잡하다. 또한 전투차량의 설계시 반복적인 시행착오는 막대한 개발 시간과 비용을 야기한다.
무엇을 통해 화력성능을 고려하는가?
탄의 발사에 의한 반동을 얼마나 잘 흡수하는가에 따라 다음 사격까지 대기시간이 달라진다. 따라서 탄의 발사 후 전투차량의 반동에 의한 피치각 및 롤각을 예측하여 화력성능으로 고려한다. 또한 기동성능으로 범프 통과 후 차량모델의 무게중심에서의 최대 수직 가속도를 예측한다.
화력성능에 영향을 주는 입력값을 찾기 위해 초기 설계변수는 어떻게 설정하였는가?
1에 나타내었다. 초기 설계변수는 차량의 무게, 서스펜션의 특성치, 전장 및 전폭 등 총 12개이다. 무장은 정해져 있는 것으로 가정하여 반동력에 영향을 주는 발사체의 질량, 추진제의 질량 등의 변수는 설계 변수에서 제외하였다.
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