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문제 정의
- 본 연구에서는 헬리콥터 로터 무베어링 허브 복합재 구성품인 유연보와 토크튜브에 대한 피로 안전수명 해석을 수행하였다. 2차원 단면 해석 수행을 위해 유한요소 해석 프로그램인 VABS를 사용하여 2차원 단면 물리량 해석을 수행하였으며, HELIX/FELIX 표준 하중 스펙트럼 생성방법을 이용하여 하중 스펙트럼을 생성하였고, Wohler equation을 이용한 S-N 곡선을 적용하여 피로 손상을 계산하였다.
- 본 연구에서는 헬리콥터 로터 무베어링 허브의 주요 복합재 구성품인 유연보(Flexbeam)와 토크튜브(Torque tube)에 대한 피로해석 수행내용을 기술하였다.
제안 방법
- 8G의 하중을 받도록 설정하였다. CAMRAD II를 통해 도출되는 하중은 헬리콥터 로터 시스템 스팬 방향의 위치별 하중으로 나타나며, 해석하고자 하는 단면의 하중을 통해 2차원 단면 해석을 수행하였다.
- FELIX 하중 스펙트럼은 총 22가지의 기동형태로 구분되어 있으며, 이를 기반으로 훈련비행, 인원 공수, 의무후송 및 산불진화 4개의 비행임무를 분류하였다. 표 7은 22가지의 기동형태를 나타내고 있다.
- 각 비행임무 별로 기동형태를 조합하여 비행 이력을 구분하였으며 이를 통해 단위블록 당 49회의 비행이력이 적용되어 총 68시간의 비행시간을 구성하였다. 그리고 이를 기반으로 8,000 운영 시간을 만족하는 43개의 하중으로 구성된 하중 스펙트럼을 생성하였다.
- 앞선 과정을 통해 도출된 등가응력에 대해 소재에 대한 온도 계수, 소재 특성 감소 계수, 비행 하중 보정 계수 등의 안전 계수를 적용하여 최종 등가응력을 도출하였다. 그리고 이렇게 도출된 최종 등가 응력을 통해서 등가 변형률을 계산하고 이를 안전 S-N 곡선에 대입하여 각 등가 변형률 당 파손 사이클 수를 계산하였다. 이렇게 도출된 결과를 Miner's rule(식 11)을 적용하여 각 하중조건에 대한 손상계수를 도출하여 전체 피로손상을 계산하였다.
- 각 비행임무 별로 기동형태를 조합하여 비행 이력을 구분하였으며 이를 통해 단위블록 당 49회의 비행이력이 적용되어 총 68시간의 비행시간을 구성하였다. 그리고 이를 기반으로 8,000 운영 시간을 만족하는 43개의 하중으로 구성된 하중 스펙트럼을 생성하였다. 그림 12~17은 피로해석을 수행할 단면 중 유연보 700mm단면과 토크튜브 1020mm 단면에 적용되는 하중 스펙트럼을 나타내고 있으며, 그림 18은 각 하중별 부가 사이클 수를 나타내고 있다.
- 피로해석 수행을 위한 구조해석 방법으로는 2차원 탄성 보 모델에 대한 단면 구조해석을 적용하였다. 그리고 제작 소재에 대한 S-N 곡선을 도출하여 2차원 단면에 대한 하중별 변형률을 계산하여 각 하중에 대한 피로 손상을 계산한 후 피로 손상의 누적결과를 통해 유연보와 토크튜브의 피로수명을 계산하였다. 헬리콥터 로터 구성품 중 블레이드와 허브 구성품의 경우 원심력 하중과 플랩/래그 굽힘하중이 다른 하중에 비해 매우 크게 작용하므로 무베어링 로터 허브 구성품인 유연보와 토크튜브의 경우 원심력과 굽 힘하중에 의한 인장 변형율 계산을 통해 구조해석 수행이 가능하다.
- 여기서 HELIX는 전관절형 로터에 대한 표준하중 스펙트럼이며, FELIX는 무힌지 로터에 대한 표준하중 스펙트럼을 나타낸다. 무베어링 허브 시스템은 전관절형 로터 허브보다 무힌지 로터 허브에 가까우므로 FELIX를 적용하여 하중 스펙트럼을 산출하였다.
- 무베어링 허브 시스템의 구성품 피로수명 평가를 위해 HELIX/FELIX 표준하중 스펙트럼을 적용하여 하중 스펙트럼을 생성하였다.[11] HELIX/FELIX 표준하중 스펙트럼은 영국, 독일, 네덜란드가 참여하여 Sea King, Puma, Lynx 등 총 500여대의 헬기와 4가지 기본 임무에 대한 7,500시간의 운용데이터를 통계적으로 처리하여 만들어진 자료로써 초기 연구단계의 헬리콥터용 하중 스펙트럼으로 응용이 가능하다.
- 그 결과 구조적으로 가장 취약하다고 판단되는 유연보의 두 영역 (260mm 단면 Glass Fabric 소재, 700mm 단면 UD Glass 소재)과 토크튜브의 두 영역(810mm 단면, 1020mm 단면 Carbon Fabric 소재)의 피로 수명이 모두 요구수명 8,000시간을 만족하는 것으로 확인되었다. 본 해석결과를 기반으로 유연 보와 토크튜브의 시제품을 제작하여 피로시험을 수행한 후, 시험결과를 통해 무베어링 허브 시스템 구성품의 피로수명을 최종 평가하게 된다.
- 앞선 과정을 통해 도출된 등가응력에 대해 소재에 대한 온도 계수, 소재 특성 감소 계수, 비행 하중 보정 계수 등의 안전 계수를 적용하여 최종 등가응력을 도출하였다. 그리고 이렇게 도출된 최종 등가 응력을 통해서 등가 변형률을 계산하고 이를 안전 S-N 곡선에 대입하여 각 등가 변형률 당 파손 사이클 수를 계산하였다.
- 5m 인 4엽 무베어링 로터 시스템을 구성하였다. 유연보 및 블레이드는 탄성 보 모델로 구성하였으며, 공기력 계산을 위해 블레이드 에어포일의 양력, 항력 및 모멘트 계수를 받음각과 마하수로 표현한 테이블 파일을 구성하여 블레이드 스팬 방향으로 공력 패널을 분포시켰다.[10] 표 6과 그림 11은 각각 무베어링 로터 시스템의 CAMRAD II 모델링에 적용된 주요 설계변수와 모델링 형상을 나타내고 있다.
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2.2 무베어링 허브 구성품 피로해석
피로수명 요구도가 8,000시간인 무베어링 허브 구성품 유연보와 토크튜브에 대한 피로해석을 수행하였다. 피로해석 수행을 위한 구조해석 방법으로는 2차원 탄성 보 모델에 대한 단면 구조해석을 적용하였다.
- 피로해석 수행을 위해서 유연보와 토크튜브의 Span 방향에 대한 위치별 2차원 단면 강성을 도출하였으며, 피로해석 위치는 정적구조해석을 통해 상대적으로 취약하다고 판단되는 두 영역에 대해 수행하였다. 그림 4, 5는 유연보 및 토크튜브의 형상 및 피로해석 단면의 위치를 나타내고 있다.
- 하중을 계산하기 위한 비행조건은 이륙, 전진비행, 자동회전 비행 등의 기동 형태를 구분하여 비행 속도에 따라 최대 2.8G의 하중을 받도록 설정하였다. CAMRAD II를 통해 도출되는 하중은 헬리콥터 로터 시스템 스팬 방향의 위치별 하중으로 나타나며, 해석하고자 하는 단면의 하중을 통해 2차원 단면 해석을 수행하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 헬리콥터 로터 무베어링 허브 복합재 구성품인 유연보와 토크튜브에 대한 피로 안전수명 해석을 수행하였다. 2차원 단면 해석 수행을 위해 유한요소 해석 프로그램인 VABS를 사용하여 2차원 단면 물리량 해석을 수행하였으며, HELIX/FELIX 표준 하중 스펙트럼 생성방법을 이용하여 하중 스펙트럼을 생성하였고, Wohler equation을 이용한 S-N 곡선을 적용하여 피로 손상을 계산하였다. 그 결과 구조적으로 가장 취약하다고 판단되는 유연보의 두 영역 (260mm 단면 Glass Fabric 소재, 700mm 단면 UD Glass 소재)과 토크튜브의 두 영역(810mm 단면, 1020mm 단면 Carbon Fabric 소재)의 피로 수명이 모두 요구수명 8,000시간을 만족하는 것으로 확인되었다.
- 따라서 앞선 과정을 통해 도출된 하중 스펙트럼으로 피로 손상을 계산하기 위해서 각각의 정하중과 동하중을 식 6~9에 적용하여 정응력(Static stress, σsta)과 동응력(Dynamic stress, σdyn)을 계산한 다음 그 결과를 Goodman's law(식 10)를 적용하여 하중 스펙트럼에 대한 등가 응력(Equivalent stress, σeq)을 계산하였다.
- 따라서 하중 스펙트럼에서 주어진 각 하중별 부가 사이클 수 ni와 그림 19~22를 통해 도출된 각 하중별 파손 사이클 수 Ni를 Miner's rule에 적용하여 각 하중별 피로손상 및 전체 피로손상을 계산하였다.
- 무베어링 로터 시스템의 하중 해석을 위해서 상용 프로그램인 CAMRAD II를 사용하였다.[9]7,000 lb 급 헬리콥터를 기준으로 하여 직경이 11.
- 무베어링 허브 시스템 구성품인 유연보와 토크 튜브 피로해석을 수행하기 위해서 유연보 주요 소재인 Glass Fabric 0/90과 UD Glass, 그리고 토크 튜브의 주요 소재인 Carbon Fabric ±45°에 대한 평균 S-N 곡선을 Wohler equation을 통해 생성하였다.
- 본 논문에서는 유연보의 Span 방향 단면별 강성을 구하기 위해 유한요소 해법을 사용하여 단면물리량 해석 수행이 가능한 VABS(Variation Asymptotic Beam Sections)를 사용하였다.[6] 그림 6~7은 해석을 수행한 유연보와 토크튜브의 단면의 형상을 나타내고 있으며, 표 1~2는 토크튜브의 적층 패턴을 나타내고 있다.
- 피로수명 요구도가 8,000시간인 무베어링 허브 구성품 유연보와 토크튜브에 대한 피로해석을 수행하였다. 피로해석 수행을 위한 구조해석 방법으로는 2차원 탄성 보 모델에 대한 단면 구조해석을 적용하였다. 그리고 제작 소재에 대한 S-N 곡선을 도출하여 2차원 단면에 대한 하중별 변형률을 계산하여 각 하중에 대한 피로 손상을 계산한 후 피로 손상의 누적결과를 통해 유연보와 토크튜브의 피로수명을 계산하였다.
성능/효과
- 2차원 단면 해석 수행을 위해 유한요소 해석 프로그램인 VABS를 사용하여 2차원 단면 물리량 해석을 수행하였으며, HELIX/FELIX 표준 하중 스펙트럼 생성방법을 이용하여 하중 스펙트럼을 생성하였고, Wohler equation을 이용한 S-N 곡선을 적용하여 피로 손상을 계산하였다. 그 결과 구조적으로 가장 취약하다고 판단되는 유연보의 두 영역 (260mm 단면 Glass Fabric 소재, 700mm 단면 UD Glass 소재)과 토크튜브의 두 영역(810mm 단면, 1020mm 단면 Carbon Fabric 소재)의 피로 수명이 모두 요구수명 8,000시간을 만족하는 것으로 확인되었다. 본 해석결과를 기반으로 유연 보와 토크튜브의 시제품을 제작하여 피로시험을 수행한 후, 시험결과를 통해 무베어링 허브 시스템 구성품의 피로수명을 최종 평가하게 된다.
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