[논문]이상적인 강선력 곡선에 의한 강선각 설계기법

차기업; 안상태; 조창기; 최의중

doi:10.9766/kimst.2015.18.1.015

Abstract ▼ AI-Helper

Rifling Force can be described with projectile velocity, gas pressure and rifling angle, etc. Under the same conditions, the character of the rifling angle decisively influences the rifling force. To reduce the harmful effect, locally distinct maximum of rifling force has to be avoided. The optimal ...

Rifling Force can be described with projectile velocity, gas pressure and rifling angle, etc. Under the same conditions, the character of the rifling angle decisively influences the rifling force. To reduce the harmful effect, locally distinct maximum of rifling force has to be avoided. The optimal design methodology of rifling angle curve had been developed by combined Fourier series and polynomial function. When it was tried newly to design the rifling angle curve, this design trial caused not to produce the lower rifling force than the existing design. Normally, the curve of the rifling angle is designed first, then the rifling force is set according to the rifling angle curve. However during the cause analysis, new design methodology was established to design the ideal rifling force curve before the rifling angle design. With this new methodology, the above optimal design method was analyzed and its limitation was confirmed.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구는 기존에 설계되어 있던 강선각 곡선에 대해 설계변경을 통해 최대 강선력의 수준을 낮추고자 강선각 최적설계 기법을 적용하였을 때 목적한 바와는 달리 최대 강선력이 오히려 증가하는 현상이 발생하였는데 그 원인에 대한 분석을 수행한 내용이다. 강선각 곡선은 탄의 탄도특성과 연계되는 설계항목으로 강외탄도의 호환성을 위해 탄이 포구를 이탈하는 “포구 끝단의 강선각”(이하 강선 끝각)은 동일하게 설계해야 한다.

제안 방법

7에서 a는 강선력이 “0”인 강선 시작점에서 최대 강선력에 도달하기 까지의 길이를, b는 최대 강선력에서 강선 끝각에 도달하기 까지의 길이를 나타내며 설계자가 적정 길이를 선정하여 설계를 진행하게 된다.Fig. 7의 기본형의 강선력 곡선에서 a = 100 mm, b = 450 mm로 설정하고 앞 절의 제원과 강내압력 및 탄속도 곡선을 입력으로 강선각 설계를 진행하였다. Fig.
강선 끝각은 탄의 강외탄도와 밀접한 관련이 있어 기존 탄과의 강외탄도 호환성을 위해서는 동일하게 설계해야 하지만 강선 시작각은 강외탄도에 영향을 주지 않으므로 기존설계 대비하여 최대 강선력을 낮추고자 강선 시작각에 대한 설계변경을 수행하였다. 강선각 곡선을 일반화 함수로 전개한 식 (2)에 수치 최적화 알고리즘을 적용함에 있어 강선 시작각, 강선 끝각, 강선 시작점과 끝점에서의 기울기(# x_e= 0) 등 총 4가지의 제한조건을 적용할 수 있다.
다음으로는 강선 시작각을 0°로 제한하여 수치 최적화 알고리즘을 적용하였다.
먼저 나머지 제원과 제한조건은 동일하게 하고 3.90°의 강선 시작각에 대한 제한조건을 해제하여 수치 최적화 알고리즘을 수행하였다.
5° 이후로는 강선각 최적설계의 강선각 곡선과 거의 일치하여 증가하는 것을 볼 수있다. 이러한 형태는 강선각 최적설계에 의해서는 산출할 수 없었던 강선각 곡선이었으며 두 기법으로 산출된 결과의 비교를 통해 강선각 최적설계와 관련하여 제기되었던 두 가지 문제점에 대한 원인을 분석할수 있었다.

대상 데이터

강선율 최적설계 모델은 40 mm 구경의 포신을 대상으로 하였으며 사용한 제원은 다음과 같다.

이론/모형

이 일반화된 함수의 각 계수 값을 변화시키면서 최대 강선력의 크기를 비교하여 강선력을 최소화 하는 계수 값을 탐색해 나가게 되는데 이 과정은 “수치 최적화 알고리즘[1]”을 이용하여 체계적으로 수행하게 된다.

성능/효과

강선 시작각은 0°로부터 시작 하였으나 산출된 강선각 곡선의 형태는 앞서의 매끄러운 대칭형과는 달리 무정형의 곡선 형태를 나타내었으며 특히 최대 강선력이 9.38 kN으로 강선 시작각이 3.78°인 경우 대비하여 16% 이상 증가되었고 기존 설계 보다도 최대 강선력이 증가하였다.
강선 시작점을 낮출 수 없거나 최대 강선력이 증가하는 원인에 대한 분석을 수행하는 과정에서 강선각 최적설계와는 반대로 최대 강선력이 일정한, 사다리 꼴 형태의 곡선 즉 “이상적인 강선력 곡선”을 미리 설정한 후 이에 대응되는 강선각 곡선을 산출할 수 있는 기법[4]을 확립할 수 있었다.
강선각 최적설계를 적용하여 강선각 곡선에 대한 설계변경을 시도함에 있어 원인 분석이 필요했던 항목은 초기 판단과는 달리, 강선 시작각의 제한조건을 해제한 경우 강선 시작각이 일정각도 이하로 감소되지 않는다는 점과 강선 시작각을 0°로 제한한 경우 최대 강선력이 기존 설계보다도 증가된 결과를 산출하고 있다는 점이었다.
두 번째로 강선각 최적설계에서 강선 시작각을 0° 로 제한한 경우는 9.38 kN의 최대 강선력을 산출한 데 반하여 이상적인 강선력 곡선의 설정을 통해서는 약 13% 감소된 8,17 kN의 최대 강선력이 산출되었다.
강선 시작점을 낮출 수 없거나 최대 강선력이 증가하는 원인에 대한 분석을 수행하는 과정에서 강선각 최적설계와는 반대로 최대 강선력이 일정한, 사다리 꼴 형태의 곡선 즉 “이상적인 강선력 곡선”을 미리 설정한 후 이에 대응되는 강선각 곡선을 산출할 수 있는 기법^[4]을 확립할 수 있었다. 목표로 하는 이상적인 강선력 곡선의 설정을 통해 산출된 강선각 곡선과 앞서의 강선각 최적설계를 통해 산출된 강선각 곡선을 비교함으로써 강선각 최적설계 적용 시 강선 시작각을 낮출 수 없거나 최대 강선력이 증가되는 원인을 분석할 수 있었다.
최대 강선력을 최소화 하기 위한 강선각 설계에 있어 설계변수인 강선각 곡선을 다항식과 퓨리에 함수의 조합으로 전개하는 강선각 최적설계 기법을 제안한 바 있었으나 신규로 강선각 곡선 설계에 적용시 기존의 강선 시작각을 일정 각도 이하로 감소시킬 수 없거나 강선 시작각을 0°로 설정하여 진행한 경우 최대 강선력이 오히려 증가하는 현상이 발생하였다. 이에 대한 원인 분석 과정에서 강선각 최적설계와는 반대로 이상 적인 강선력 곡선을 먼저 설정하고 이에 해당하는 강선각 곡선을 산출하는 기법을 확립하였으며 두 기법의 결과 비교를 통해 강선각 최적 설계기법의 타당성과 한계를 동시에 확인할 수 있었다. 향후 강선각 최적설계와 관련하여 수치 최적화 알고리즘에 대한 추가적인 검토와 대안 수립을 수행해 나갈 것이다.
최대 강선력을 최소화 하기 위한 강선각 설계에 있어 설계변수인 강선각 곡선을 다항식과 퓨리에 함수의 조합으로 전개하는 강선각 최적설계 기법을 제안한 바 있었으나 신규로 강선각 곡선 설계에 적용시 기존의 강선 시작각을 일정 각도 이하로 감소시킬 수 없거나 강선 시작각을 0°로 설정하여 진행한 경우 최대 강선력이 오히려 증가하는 현상이 발생하였다. 이에 대한 원인 분석 과정에서 강선각 최적설계와는 반대로 이상 적인 강선력 곡선을 먼저 설정하고 이에 해당하는 강선각 곡선을 산출하는 기법을 확립하였으며 두 기법의 결과 비교를 통해 강선각 최적 설계기법의 타당성과 한계를 동시에 확인할 수 있었다.

후속연구

이에 대한 원인 분석 과정에서 강선각 최적설계와는 반대로 이상 적인 강선력 곡선을 먼저 설정하고 이에 해당하는 강선각 곡선을 산출하는 기법을 확립하였으며 두 기법의 결과 비교를 통해 강선각 최적 설계기법의 타당성과 한계를 동시에 확인할 수 있었다. 향후 강선각 최적설계와 관련하여 수치 최적화 알고리즘에 대한 추가적인 검토와 대안 수립을 수행해 나갈 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강선각은 무엇인가?	강선부는 강선과 강저로 이루어져 있으며, 일반적으로 강선의 단면은 사각형 형상을 갖는다. 탄의 회전은 강선각에 의해 이루어지는데 강선각은 나사의 피치각과 유사하며 포강 중심선과 강선의 접선이 이루는 각을 말한다. 강선력은 탄띠와 강선의 접촉면에 수직으로 발생하는 힘으로 탄의 중량, 탄의 속도, 강내압력, 강선율 및 강선율 도함수의 함수로 나타낼 수 있다.
	포열 내부의 강선부는 무엇으로 이루어지고 어떤 형태를 갖는가?	포강으로 표현되는 포열 내부는 탄약을 장전하는 약실부와 탄에 회전력을 전달하는 강선부로 구성된다.강선부는 강선과 강저로 이루어져 있으며, 일반적으로 강선의 단면은 사각형 형상을 갖는다. 탄의 회전은 강선각에 의해 이루어지는데 강선각은 나사의 피치각과 유사하며 포강 중심선과 강선의 접선이 이루는 각을 말한다.
	강선각 최적설계란 ?	예를 들어 강선각을 포열 전장에 걸쳐 일정하게 설계를 하면 강내압력이 최대가 되는 지점에서 최대 강선력이 발생되며 집중응력에 의한 국부적인 마모, 충격진동의 발생, 강내탄도의 불완전 등 여러 부정적인 효과를 유발하게 된다. “강선각 최적설계”란 강선각 곡선에 의해 결정되는 강선력 곡선에 있어 최대 강선력을 최소화하는 과정이며 이때 최대 강선력이 최소화된 강선력 곡선은 최대 강선력의 크기가 일정한 사다리 꼴 형태로 나타나게 된다. 강선각 최적설계는 설계변수인 강선각 곡선의 변화에 따라 최대 강선력이 최소화 되었는지를 살펴야 하는데 먼저 설계변수인 강선각 곡선을 어떠한 형태의 곡선으로도 변화될 수 있도록 계수를 포함하는 일반화된 함수로 전개를 하여야 한다.

참고문헌 (7)

C. H. Suh, "Computer Aided Design of Mechanisms, Part B," Panghan Publishing Company, pp. 845-873, 1984.
Herbert Krumm, "Gun Barrel Equipped with Optimized Rifling," United States Patent No. 5,077,926, 1992.
Kiup Cha et al., "A Study on the Optimal Design of Rifling Rate," Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology Vol. 13, No. 6, pp. 998-1005, 2010.
Herbert Krumm, "Gun Tube," United States Patent No. 5,337,504, 1994.
G. Backstein et al., "Handbook on Weaponry," Rheinmetall GmbH, pp. 576-578, 1982.
Kyungjo Park, "Robot Path Design to Reduce Tip Residual Vibration," Ph D Thesis, Department of Mechanical Engineering, KAIST, pp. 65-68, 1992.
Younghyun Lee, "Path Design to Reduce Residual Vibration for a Two-Link Mechanism and its Experimental Test," MS Thesis, Department of Mechanical Engineering, KAIST, pp. 39-401, 1994.

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