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수학적 모델링을 이용한 공력-구조 연계 시뮬레이션 기반 공대공 미사일 조종날개 최적화 연구
A Study on the Air to Air Missile Control Fin Optimization Using the Mathematical Modeling Based on the Fluid-Structure Interaction Simulation 원문보기

한국시뮬레이션학회논문지 = Journal of the Korea Society for Simulation, v.25 no.1, 2016년, pp.1 - 9  

이승진 ,  박진용 (LIG넥스원 유도무기1연구센터)

초록
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본 연구는 공대공 미사일 조종날개의 공력 및 구조를 동시에 고려한 구동력 최소화에 대한 최적화를 수행하였다. 본 연구에서는 조종날개의 공력 및 구조적 특성을 동시에 고려하기 위하여 공력-구조 연계 시뮬레이션을 사용하였으며 공력 및 구조 시뮬레이션에 각각의 전용 소프트웨어를 사용하고자 비정상-약결합 방식 연계기법을 적용하였다. 전역 최적화에는 많은 반복 계산이 필요하므로 빠른 계산을 위하여 수학적 모델링을 이용하였으며 이를 위하여 면 중앙 합성 실험계획법으로 실험점을 선정하였다. 선정된 실험점 및 그에 대한 공력-구조 연계 시뮬레이션 결과를 토대로 2차 다항식 반응면을 생성하였으며 생성된 수학적 모델링을 이용, 유전자 알고리즘 기반 전역최적 설계를 수행하였다. 최적화 목적함수마하 0.7 및 마하 2.0 사이의 압력 중심점 이동거리 최소화로 설정하였으며 최적화 결과 압력 중심점 이동거리가 7.5% 감소된 최적형상을 도출하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study focuses on the air to air missile control fin planform optimization for the minimizing hinge moment with the considering phenomena of fluid and structure simultaneously. The fluid-structure interaction method is applied for the fluid and structure phenomena simulation of the control fins....

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 본 논문에서는 공력-구조 연계해석을 통하여 조종날개 형상에 따른 압력중심점의 변화를 분석하고자 한다. 또한 분석된 결과는 반응면 기법으로 모델링 한 후 최적화를 수행하여 다양한 비행환경에 걸쳐 구동력이 최소화되는 조종날개 형상을 도출하고자 한다.
  • 본 논문은 구조변형을 고려한 공대공 미사일 조종날개의 구동력 최소화에 관하여 최적설계를 수행하였다. 기존의 연구에서 간략화 된 전용 In-house code를 개발하여 사용한 것과 달리 본 논문에서는 공력-구조 연계 시뮬레이션을 위하여 각각의 전용 해석S/W를 사용하였다.
  • 그러므로 본 논문에서는 실험설계기법과 반응면 기법을 이용하여 시뮬레이션 S/W의 결과값들을 토대로 본 연구에 대한 수학적 모델링을 생성한 후, 이를 이용하여 유전자 알고리즘 기반의 전역최적화를 수행하였다. 이를 통해 본 논문에서는 특히 공대공 미사일의 조종날개의 압력중심점 이동을 최소화함으로써 구동력을 최소화하기 위한 최적화 문제를 연구하였다.
  • 이로 인하여 공력만을 고려하여 압력중심점을 예측한 경우와 구조적 변형을 일으킨 조종날개의 압력 중심점 위치가 달라질 수 있다. 이에 본 논문에서는 공력-구조 연계해석을 통하여 조종날개 형상에 따른 압력중심점의 변화를 분석하고자 한다. 또한 분석된 결과는 반응면 기법으로 모델링 한 후 최적화를 수행하여 다양한 비행환경에 걸쳐 구동력이 최소화되는 조종날개 형상을 도출하고자 한다.
  • 이에 본 논문에서는 조종날개 구동에 소요되는 구동력(힌지 모멘트) 최소화를 위한 조종날개 형상의 최적화를 수행하고자 한다. 구동력은 조종날개의 압력중심점과 구동축 간 거리가 멀수록 커지므로 이를 감소시키려면 압력중심점의 이동을 최소화하고, 그 위치를 정확히 예측하여 구동축을 압력중심점과 일치시켜야 한다.
  • 조종날개의 압력 중심점 위치는 고도, 속도 및 받음각에 따라 변한다. 이에 본 논문에서는 최적화 문제 구성에 앞서 그 압력 중심점 위치 변화에 대한 경향을 확인하였다. 받음각, 고도 및 속도를 변화시켜가며 확인한 결과 비행속도가 아음속인가, 초음속인가에 따라 압력중심점의 위치 변화가 가장 컸다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
미사일의 크기 감소에 미치는 요소는 무엇인가? 미사일의 크기 감소에 미치는 요소는 여러 가지가 있으나 그중 하나로 조종날개 구동장치의 소형화를 꼽을 수 있다. 일반적으로 최신예 미사일의 구동장치는 전기식 모터, 감속기 조립체, 제어장치 및 전원 공급용 열전지로 이루어진다.
최신예 미사일의 구동장치는 어떻게 이루어지는가? 미사일의 크기 감소에 미치는 요소는 여러 가지가 있으나 그중 하나로 조종날개 구동장치의 소형화를 꼽을 수 있다. 일반적으로 최신예 미사일의 구동장치는 전기식 모터, 감속기 조립체, 제어장치 및 전원 공급용 열전지로 이루어진다. 만약 조종날개 구동에 소요되는 구동력을 최소화할 수 있다면 전기식 모터, 감속기 조립체의 크기를 줄일 수 있으며 소요전력의 감소에 따라 열전지 역시 크기를 줄일 수 있다.
공력-구조 연계해석에서 설계변수값을 조정해가며 반복하는 방법에는 많은 시간이 소요되는데 이를 해결하기 위한 방법에는 무엇이 있는가? 그러나 공력-구조 연계해석에는 1회 해석에도 많은 시간이 필요하다. 그러므로 최적화 도구에 의해 변경된 설계변수에 대하여 매번 직접 해석을 수행하는 것 보다는 수학적 모델을 생성하는 방법이 훨씬 전체 계산시간을 줄일 수 있다. 본 과제에서는 실험계획법(DOE, design of experiment)을 이용하여 실험점을 선정한 뒤, 그 결과값을 이용하여 최적설계를 위한 수학적 모델인 반응면을 생성하였다.
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참고문헌 (10)

  1. Robert E. Ball, "The Fundamentals of Aircraft Combat Surviavability Analysis and Design, 2nd Edtion", AIAA Education Series, 2003. 

  2. S.S. Chin, "Missile Configuration Design", McGraw-Hill, 1961. 

  3. P.C. Chen, D. Sarhaddi, D.D. Lio, "Aeroelastic/Aeroservoelastic Tailoring for Hinge Moment Minimization of Messile Fins", NATO RTO Meeting Proceedings 5, 1998. 

  4. D. Lesieutre, M. Dillenius, T. Lesieutre, "Multidisciplinary Design Optimization of Missile Configurations and Fin Planform for Improved Performance", AIAA 98-4890 7th Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, 1998. 

  5. Matthew S. Bopp, "A loosely coupled analyiss of the Fluid-Structure Interactions for Inflatable Aerodynamic Decelerators", AIAA 2013-0057 51th AIAA Aerosapce Science Meeting Including the New Horizons Forum and Aerospace Expostion, 2013. 

  6. ANSYS 16.1 User Manual. 

  7. Kwon-Su Jeon, "Application of Response Surface Method for the Highly Nonlinear Opimization Problems", Spring Conference of the Korean Society for Aerunautical and Space Scences, 2000. 

  8. Kwon-Su Jeon, "Survey of Multidisciplinary Design and Optimization Techniques for Efficeint System Design", Jounal of the Korean Society for Aerunautical and Space Scences, Vol. 29, No. 5, pp. 161-173, 2001. 

  9. Carlo Kopp, "Matra-BAe AIM-132 ASRAAM", http://www.ausairpower.net/API-ASRAAM-Analysis 

  10. J.H. Sa, "Aerodynamic Design Optimization of OA Airfoil Using the Response Surface Method", Spring Conference of the Korea Sociery of Computational Fluids Engineering., 2009. 

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