[논문]복합재 로터 블레이드의 차원축소와 복원해석을 위한 블레이드 해석 라이브러리 개발

장준환; 이환

doi:10.5139/jksas.2015.43.10.920

[국내논문] 복합재 로터 블레이드의 차원축소와 복원해석을 위한 블레이드 해석 라이브러리 개발
Blade Analysis Library Development of Dimension Reducible Modeling and Recovery Analysis for Composite Rotor Blades 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.43 no.10, 2015년, pp.920 - 927

장준환 (Koreanair R&D Center) , 이환 (Koreanair R&D Center)

초록
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본 논문에서는 블레이드 해석 라이브러리를 통해 단면해석 및 응력복원 해석 결과를 VABS의 결과와 비교하였다. 강성 행렬로 연결된 1차원 보 모델을 가상일의 원리에 의해 계산된 에너지를 복원 이론에 기반한 차원 복원해석 과정을 통해 계산된 응력과 3차원 해석모델과 비교하였다. 블레이드 해석 라이브러리의 구성, 입력 및 출력 형태, 차원 축소와 복원을 통한 로터 블레이드의 구조해석 프로시져를 기술하고, 블레이드 해석 라이브러리의 검증은 고형모델, 박 벽 모델의 단면해석, 3차원 복합재료 유한요소 모델로 구성하여 VABS를 통하여 검증하였다. 차원 축소와 복원해석을 통하여 블레이드 해석 라이브러리는 복합재료 블레이드의 전후처리 프로그램와 연계되어 고고도 무인기, 로터 블레이드, 풍력 블레이드 및 틸트로터 블레이드의 모델링에 활용될 수 있을 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, numerical results of sectional analysis and stress recovery were compared with the results of VABS through the blade analysis library. The results of recovery analysis for one-dimensional model including the stiffness matrix is compared with the calculated three-dimensional stress results of three-dimensionial FEM based on the principle of virtual work. We discuss the configuration of the blade analysis library and compare verifications of numerical analysis results of VABS. Blade analysis library through dimensional reduction and stress recovery is intended to be utilized in conjunction with pre- and post-processing of the analysis program of the composite blade, high-altitude uav's wing, wind blades and tilt rotor blade.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

도형수[8]는 단면 모델링 프로그램 KSec2D의 모델링 집합연산에 관한 연구를 수행하였고, 강연철 [9]은 Open CASCADE을 활용하여 복잡하게 모델링 된 로터블레이드의 단면을 효율적으로 설계할 수 있는 형상 단면 모델링, 요소생성 및 단면해석 프로그램에 대한 연구를 수행하였다. 본 논문에서 개발된 블레이드 해석 라이브러리를 통해 단면해석 결과와 Hodge와 Yu[10]를 통해 개발된 VABS의 결과와 비교하고, 강성 행렬로 연결된 1차원 보 모델을 가상일의 원리에 의해 계산된 에너지를 복원 이론에 기반하여 차원 복원해석을 통해 계산된 응력과 3차원 해석모델과 비교함으로써 효율성과 정확성을 비교하여 블레이드 해석 라이브러리의 개발현황과 응용사례를 소개하고자 한다.
본 연구에서는 정밀하게 구성된 복합재 블레이드의 단면 구조의 차원을 축소하여 강성행렬을 계산할 수 있고 차원 복원을 통해 3차원 응력과 변형률을 계산할 수 있는 블레이드 해석 라이브러리를 개발하였다.

제안 방법

블레이드 해석 라이브러리는 절점과 요소 정보를 검사하는 부분, 삼각형 또는 사각형 요소로 이루어진 형상의 강성을 계산하는 부분, 하중 및 구속조건을 입력하여 응력 및 변형률을 계산하는 부분, 결과 데이터를 형상화하는 부분으로 구분할 수 있다. 그리고 형상화된 해석 데이터에서 최대 응력, 최대 변형률, Tsi-Wu의 Criteria를 선택하여 구조물의 이상 유무를 판단할 수 있도록 구성하였다.
차원축소 과정으로 얻은 복합재 구조물에 대한 보 모델링 결과는 단면위치에 따른 기하정보와 강성행렬 및 질량행렬이다. 단면해석 과정에서 면적, 관성값, 가중 계수 도심을 계산하여 인장 및 굽힘강성과 인장 중심을 계산하며, 전단 강성 계수를 이용하여 워핑 벡터를 계산하고 이를 이용해 전단 중심과 비틀림 강성을 계산한다. 블레이드 해석 라이브러리의 결과물은 아래의 6 by 6 행렬은 강성행렬을 포함하고 있으며 고전 복합재료 역학에서 얻어지는 강성 행렬과 동일한 형태를 가진다.
블레이드 해석 라이브러리의 결과물은 아래의 6 by 6 행렬은 강성행렬을 포함하고 있으며 고전 복합재료 역학에서 얻어지는 강성 행렬과 동일한 형태를 가진다. 강성행렬과 더불어 탄성 중심, 기하중심, 질량중심 및 단위길이당 질량을 계산한다. 블레이드 해석 라이브러리에서는 텍스트 형태로 출력된다.
블레이드의 설계하중을 입력하여 차원이 축소된 모델의 각 단면에서 계산된 강성행렬을 이용하여 응력과 변형률을 블레이드의 강도와 진동 및 피로요건을 만족하게 되면 유한요소로 구성된 블레이드 단면에 3차원 응력 또는 복원 변형률을 매핑한다. 이러한 결과를 통해 설정된 설계변수를 수정하여 단면해석을 반복하고 최적의 구조요건을 만족하는 설계변수를 확정하여 구조적인 여유마진을 계산한다.
본 절에서는 블레이드 해석 라이브러리의 수치해석 결과를 검증하기 위해 단면해석과 차원복원 해석 결과를 VABS의 결과와 비교하였다. 단면해석은 두 가지의 등방성 재질로 구성된 고형사각 단면과 이방성 재질이 적용된 박스의 사례로 구분하여 수치결과를 VABS의 결과와 비교하였다. 그리고 3차원 유한요소 해석과 1차원 차원 복원 해석 모델의 3차원 응력을 추출하여 차원 축소된 1차원 보 해석모델의 정확성과 효율성을 비교하였다.
단면해석은 두 가지의 등방성 재질로 구성된 고형사각 단면과 이방성 재질이 적용된 박스의 사례로 구분하여 수치결과를 VABS의 결과와 비교하였다. 그리고 3차원 유한요소 해석과 1차원 차원 복원 해석 모델의 3차원 응력을 추출하여 차원 축소된 1차원 보 해석모델의 정확성과 효율성을 비교하였다. 수치해석 모델의 Fig.
블레이드 해석 라이브러리의 첫번째 검증모델은 등방성 재질 2개가 적용된 사각 단면이다. 4절점 요소가 적용되어 있으며 계수 a를 변수로 설정하여 재질 특성을 변경하여 블레이드 라이브러리에서 계산된 강성과 VABS에서 계산된 강성을 비교하였다. a는 x와 y 의 탄성계수의 비이다.
중심으로부터 단면의 폭과 두께 방향으로의 VABS와 블레이드 라이브러리로부터 계산된 응력을 추출하여 비교하였다.

대상 데이터

세번째 검증모델에서 얇은 사각형 형상의 보의 끝단에 비틀림 모멘트가 입력되고 반대쪽은 6자유도를 구속하였다. 3차원 응력 추출 지점은 보의 중간지점의 중심이다.
블레이드 해석 라이브러리의 첫번째 검증모델은 등방성 재질 2개가 적용된 사각 단면이다.

데이터처리

본 절에서는 블레이드 해석 라이브러리의 수치해석 결과를 검증하기 위해 단면해석과 차원복원 해석 결과를 VABS의 결과와 비교하였다. 단면해석은 두 가지의 등방성 재질로 구성된 고형사각 단면과 이방성 재질이 적용된 박스의 사례로 구분하여 수치결과를 VABS의 결과와 비교하였다.

이론/모형

블레이드 라이브러리는 보의 유한요소 평형 방정식 Bathe[11]에서 기술한 형태를 함수형태로 적용하였다.
여러가지 복합재의 재질 특성과 형상정보를 적절히 구분하여 전처리 도구로 유한요소모델을 만들어야 한다. 블레이드 해석 라이브러리는 Matlab을 기반으로 개발되었다. 국내 연구자들에 의해 개발된 독립 프로그램과 다르게 블레이드의 형상 모델링의 기능은 없다.

성능/효과

11, 12, 13 선도의 끝단 영역의 다른 지점에서 복원하여 나타내어 일치하는 지점이 발생하였다. 이 부분을 제외하면 VABS와 블레이드 해석 라이브러리로 복원된 응력 상대오차는 0.01% 이하이며 만족한 결과를 얻었다.
개발된 해석 라이브러리는 VABS와 단면해석 결과와 복원 해석 결과와 비교하여 효율성과 정확성을 입증하였다. 라이브러리 형태로 구성되어 있기 때문에 기존에 개발된 코드에 이식이 용이하며, 정밀하게 설계된 복합재료 블레이드의 전후처리 프로그램과 연동하여 활용될 것으로 예상된다.

후속연구

개발된 해석 라이브러리는 VABS와 단면해석 결과와 복원 해석 결과와 비교하여 효율성과 정확성을 입증하였다. 라이브러리 형태로 구성되어 있기 때문에 기존에 개발된 코드에 이식이 용이하며, 정밀하게 설계된 복합재료 블레이드의 전후처리 프로그램과 연동하여 활용될 것으로 예상된다. 특히 개발된 블레이드 해석 라이브러리는 고고도 무인기의 날개, 헬리콥터 로터 블레이드, 풍력 블레이드, 틸트로터 등의 정적, 동적 모델링에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.
라이브러리 형태로 구성되어 있기 때문에 기존에 개발된 코드에 이식이 용이하며, 정밀하게 설계된 복합재료 블레이드의 전후처리 프로그램과 연동하여 활용될 것으로 예상된다. 특히 개발된 블레이드 해석 라이브러리는 고고도 무인기의 날개, 헬리콥터 로터 블레이드, 풍력 블레이드, 틸트로터 등의 정적, 동적 모델링에 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합재 블레이드의 거동을 예측하기 위한 차원축소를 통하여 1차원의 보 모델을 구성하는 것에 대한 국외의 연구로 무엇이 있는가?	특히 복합재 블레이드의 거동을 예측하기 위해 차원축소를 통하여 1차원의 보 모델을 구성하는 것이 일반적이다. 국외의 연구 중에 Chen[1]은 차원 축소 모델링을 위한 단면해석 프로그램에 대한 비교연구를 통해 PreComp, VABS(Variational Asymptotical Beam Sectional Analysis), FAROB, CROSTAB, BPED의 특성을 기술하고 단면해석 성능을 비교하였다. Hu [2]는 비선형 해석을 통한 1차원 보의 거동을 계산하는 GEBT[3]와 VABS[4]를 이용한 단면해석과 복원을 수행하는 과정을 최적화하는 프로그램 VABS-IDE에 대한 연구를 수행하였다.
	항공기 구조설계 과정에 사용되는 방법?	항공기 구조설계 과정의 경우 일반적으로 정확한 응력해석 및 진동해석을 위해 유한요소해석이 사용된다. 하지만 정교한 해석을 위하여 실제 구조와 거의 유사한 세부적인 3차원 유한요소해석 모델을 구축하는 것은 많은 시간과 인적 자원이 소요되며, 신뢰도 있는 해석 모델의 형성을 위해서는 많은 경험과 노하우가 필요하다.
	항공기 실제 구조와 거의 유사한 세부적인 3차원 유한요소해석 모델을 구축하는 것의 필요한 것은?	항공기 구조설계 과정의 경우 일반적으로 정확한 응력해석 및 진동해석을 위해 유한요소해석이 사용된다. 하지만 정교한 해석을 위하여 실제 구조와 거의 유사한 세부적인 3차원 유한요소해석 모델을 구축하는 것은 많은 시간과 인적 자원이 소요되며, 신뢰도 있는 해석 모델의 형성을 위해서는 많은 경험과 노하우가 필요하다. 또한 정밀한 3차원 모델의 경우 오히려 해석결과에 대한 정성적인 물리적 경향의 파악이나 공탄성 해석과 같이 응용해석을 위해서 요구되는 데이터의 추출에 있어서는 만족스럽지 못한 결과를 제시하는 경우가 종종 발생한다.

참고문헌 (12)

Chen, H., Yu, W., and Capellaro, M. "A critical assessment of computer tools for calculating composite wind turbine blade properties," Wind Energy Vol. 13, No. 6, 2009, pp. 497-516.

상세보기
Hu,P."VABS-IDE: VABS-Enabled Integrated Design Environment(IDE) for Efficient High-Fidelity Composite Rotor Blade and Wing Design", 51st, AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. American Institute of Aeronautics.
Yu, W., and Blair, M. "GEBT: A general-purpose nonlinear analysis tool for composite beams," Composite Structures Vol. 94, No. 9, 2012, pp. 2677-2689

상세보기
Yu, W., Hodges, D. H., and Ho, J. C. "Variational asymptotic beam sectional analysis - An updated version," International Journal of Engineering Science Vol. 59, No. 0, 2012, pp. 40-64.

상세보기
Park, I. Jung, S., Cho, J., Kim, D., "A Study on Calculation of Cross-Section Properties for Composite Rotor Blades Using Finite Element Method", Journal of the KSAS, Vol. 37, No. 5, 2009, pp. 442-449.
Kim, K., Cho, J., Jung, S., Kim, T., "Development of Weighted Triangular Mesh Generation Algorithm using Domain-wise Hash Structure and Quad Tree Structure", Journal of the KSAS, 2008, pp. 110-113.
Kim, K., Cho, J., Jung, S., Kim, T., "Development of Pre/Post-Processor for Cross- Section Modeling for Composite Rotor Blades", Journal of the KSAS, 2008, pp. 375-378.
Do, H., Cho, J., Park, I., Jung, S., Kim, T. Kim, D., "Development of Program for Modeling of Cross Section of Composite Rotor Blade", Journal of the KSAS, Vol. 39, No. 3, 2011, pp. 261-268.
Kang, Y., Cho, J., Dhadwal, M. K., Jung, S., Kim, T., "Development of Program for Modeling of Cross Section of Composite Rotor Blade Using Open CASCADE", Journal of the KSAS, 2011, pp. 1787-1791.
Yu, W. "VABS Manual for Users." 2012.
KJ, B. Finite Element Procedures., New Jersey: Prentice Hall, 1996.
Kovvali, R. K., and Hodges, D. H. "Verication of the Variational Asymptotic Beam Section (VABS) Analysis for Initially Curved and Twisted Beams," 52nd AIAA/ASME/ ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics and Materials Conference. AIAA, Denver, Colorado, 2011.

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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