선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 본 논문에서는 최근 민수용으로 활용이 증가하는 드론의 형태 중 4개의 프로펠러로 구성되는 쿼드로터형 플랫폼의 진동 특성을 분석하기 위한 해석과 실험을 수행하였다.
가설 설정
- 해석에 적용되는 재료의 물성치는 로터암의 경우 Octagonal Type CFRP튜브로 앞 절에서 획득한 물성치를 사용하였고, 로터암이 체결된 Center Plate의 경우 알루미늄계열로 Al6061의 물성치를 사용하였다. 해석에 영향을 미치지 않기 위해 실축부분인 끝단질량은 강체로 가정하였고 주요 구성품의 물성치는 Table 4와 같다. 경계조건은 기체의 비행 상태를 모사하기 위해 자유-자유조건을 부여하였고, 하중조건은 앞 절의 튜브 진동해석과 동일하게 튜브의 끝단에 부착된 질량의 자중에 의해 중력이 작용하는 상태이다.
제안 방법
- 4와 같이 튜브의 한쪽 끝을 고정하고 다른 한쪽 끝에는 끝단질량과 가속도 센서를 부착한 후 순간적인 힘을 가하였을 때 발생하는 진동으로 인하여 변화하는 가속도 변위를 데이터 획득 장치 (DAQ)로 측정하고 Labview 프로그램에서 고속 퓨리에 변환 (FFT)을 수행하였다.각 조건 당 10번의 실험을 통해 재현성을 확인하였고 1차 모드의 고유진동수를 획득하였다. 획득한 1차 고유진동수를 바탕으로 Rayleigh’s method의 이론식에 근거한 각 튜브의 탄성계수를 계산한 결과 Table 2와 같이 Circular Type의 경우 평균 68.
- 수치해석은 상용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus를 사용하였고 적용된 물성치는 Table 2와 같다. 경계조건은 실험을 모사하기 위해 고정-자유 조건을 적용 하였다. 하중 조건은 튜브 끝단에서 단면적은 튜브의 단면적과 동일한 두께가 1 mm인가상의 무게추를 부착하였다.
- 하중 조건은 튜브 끝단에서 단면적은 튜브의 단면적과 동일한 두께가 1 mm인가상의 무게추를 부착하였다. 밀도를 조정하여 끝단질량을 구현하였고 자중에 의해 중력이 작용하는 조건에서 고유모드 값을 도출하였다. 각 튜브 형상에 대한 이론, 해석, 실험에 따른 1차 고유 진동수 결과를 Table 3에 정리하였다.
- 실제 운용 중인 소형 쿼드로터 플랫폼을 간략화된 모델로 구현하여 유한요소 해석과 임팩트 해머에 의한 진동실험을 수행하였고, 이를 근거로 주요 가진 주파수와의 분리여유를 검토하였다. 해석과 실험을 수행한 결과 동일한 고유모드형상을 획득하였고, 최대 8% 이내의 오차를 갖는 각 모드 별 고유 진동수를 확인하였다.
- 해석모델과 등가인 실제 플랫폼 구조물은 번지코드를 활용하여 비행상태를 모사하였고, 임팩트 해머와 데이터 획득 장치 (DAQ-Data Acquisition)를 이용해 주파수 응답을 획득하였다. 실험과 해석을 통해 센서에 영향을 줄 수 있는 고유모드를 식별하였고 운용 회전수 사이의 분리여유를 확인하였다.
- 앞 절의 해석 시 모드형상을 확인하였을 때 진폭 규모가 끝단과 로터암의 중심, 플랫폼의 중심부에서 크게 나타나 플랫폼상에 총 9개의 응답점을 선정하고 임팩트 해머를 사용하여 Fig. 7에 표시된 순서대로 힘을 가하였다. 임팩트 해머로 가해진 힘은 진동으로 바뀌어 플랫폼 중심에 부착된 가속도센서를 통해 데이터 획득 장치에 기록된다.
- 유한요소 모델과 등가인 실제 플랫폼을 구성하여 진동실험을 수행하였다. 해석에 사용된 간략화된 모델에서 끝단질량은 구동모터가 부착되었다.
- 유한요소 해석을 통해 프로펠러 회전 중심 주파수 대역인 120 Hz 부근에 영향을 미칠 수 있는 1차부터 6차까지의 고유모드를 검토하였고 Fig. 6과 Table 5에 결과를 정리하였다. 1차에서 3차 모드까지의 모드형상은 x, y축 방향으로 굽힘이 나타났고 4차, 5차 모드는 z축 방향으로 굽힘이 나타났다.
- 해석에 사용된 간략화된 모델에서 끝단질량은 구동모터가 부착되었다. 진동실험은 Fig. 7과 같이 기체의 제자리 비행 상태를 모사하기 위하여 번지 (Bungee)코드를 사용하여 구현하였다. 10 번지코드는 미국방규격11 을 적용하여 번지코드의 진동수분석을 수행하였고 매달린상태에서 플랫폼의 강체모드 운동이 1 Hz 미만이 되도록 총 4개의 번지코드를 사용하였다.
- 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP-Caron Fiber Reinforced Plastic) 소재로 구성된 로터암은 Rayleigh’s Method에 근거한 실험을 통해 물성치를 획득하였고, 로터암 조립체와 끝단질량으로 구성한 간략화된 유한요소 모델은 자유-자유 경계 조건 하에서 고유모드 해석을 수행하였다.
- 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP-Caron Fiber Reinforced Plastic) 소재로 구성된 로터암은 Rayleigh’s Method에 근거한 실험을 통해 물성치를 획득하였고, 로터암 조립체와 끝단질량으로 구성한 간략화된 유한요소 모델은 자유-자유 경계 조건 하에서 고유모드 해석을 수행하였다. 해석모델과 등가인 실제 플랫폼 구조물은 번지코드를 활용하여 비행상태를 모사하였고, 임팩트 해머와 데이터 획득 장치 (DAQ-Data Acquisition)를 이용해 주파수 응답을 획득하였다. 실험과 해석을 통해 센서에 영향을 줄 수 있는 고유모드를 식별하였고 운용 회전수 사이의 분리여유를 확인하였다.
- 8 GPa의 값이 도출되었다. 획득한 탄성계수를 적용하여 CFRP튜브에 대한 이론적 고유진동수 획득하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 4개의 프로펠러로 구성된 쿼드로터형 플랫폼에 대한 고유모드 해석과 실험을 수행하였고, 플랫폼의 주요 제원은 Table 1과 같다. 탄소섬유강화플라스틱 (CFRP-Caron Fiber Reinforced Plastic) 소재로 구성된 로터암은 Rayleigh’s Method에 근거한 실험을 통해 물성치를 획득하였고, 로터암 조립체와 끝단질량으로 구성한 간략화된 유한요소 모델은 자유-자유 경계 조건 하에서 고유모드 해석을 수행하였다.
- 5와 같은 쿼드로터형 플랫폼의 진동특성을 분석하기 위해 구조가 간략화된 유한요소 모델을 생성하였다. 전체 형상은 4개의 로터암이 Center Plate에 의해 십자 형태로 체결된 구조이고 끝단 질량인 모터는 앞선 튜브의 진동해석과 같이 로터암의 단면적과 동일한 두께 1 mm의 형상으로 모델링하여 부착하였다. 해석에 적용되는 재료의 물성치는 로터암의 경우 Octagonal Type CFRP튜브로 앞 절에서 획득한 물성치를 사용하였고, 로터암이 체결된 Center Plate의 경우 알루미늄계열로 Al6061의 물성치를 사용하였다.
- 전체 형상은 4개의 로터암이 Center Plate에 의해 십자 형태로 체결된 구조이고 끝단 질량인 모터는 앞선 튜브의 진동해석과 같이 로터암의 단면적과 동일한 두께 1 mm의 형상으로 모델링하여 부착하였다. 해석에 적용되는 재료의 물성치는 로터암의 경우 Octagonal Type CFRP튜브로 앞 절에서 획득한 물성치를 사용하였고, 로터암이 체결된 Center Plate의 경우 알루미늄계열로 Al6061의 물성치를 사용하였다. 해석에 영향을 미치지 않기 위해 실축부분인 끝단질량은 강체로 가정하였고 주요 구성품의 물성치는 Table 4와 같다.
데이터처리
- 수치해석은 상용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus를 사용하였고 적용된 물성치는 Table 2와 같다. 경계조건은 실험을 모사하기 위해 고정-자유 조건을 적용 하였다.
- 실험장치8,9 는 Fig. 4와 같이 튜브의 한쪽 끝을 고정하고 다른 한쪽 끝에는 끝단질량과 가속도 센서를 부착한 후 순간적인 힘을 가하였을 때 발생하는 진동으로 인하여 변화하는 가속도 변위를 데이터 획득 장치 (DAQ)로 측정하고 Labview 프로그램에서 고속 퓨리에 변환 (FFT)을 수행하였다.각 조건 당 10번의 실험을 통해 재현성을 확인하였고 1차 모드의 고유진동수를 획득하였다.
이론/모형
- 7과 같이 기체의 제자리 비행 상태를 모사하기 위하여 번지 (Bungee)코드를 사용하여 구현하였다. 10 번지코드는 미국방규격11 을 적용하여 번지코드의 진동수분석을 수행하였고 매달린상태에서 플랫폼의 강체모드 운동이 1 Hz 미만이 되도록 총 4개의 번지코드를 사용하였다.
- 신호획득, 처리, 분석을 위해 KISTLER 社의 AMADEUS_SINUS와 Vibraut 社의 ME’scope 소프트웨어를 사용하였다.
성능/효과
- 해석 오차의 경우 주요 부품의 형상 간략화에 따른 조립 강성의 변화가 주요 원인인 것으로 판단된다. 대상 모델은 주된 가진 주파수인 120 Hz 대역을 기준으로 5차 모드에 대해 약 24%의 분리여유를 갖는 것으로 확인되었으나, 실제 플랫폼의 경우 무게 증가로 인해 5차 모드 고유진동수가 낮아질 가능성이 있으므로 주의가 요구된다. 이는 향후 실제 플랫폼을 대상으로 지상 가진 실험 등을 통해 확인되어야 할 것으로 예상된다.
- 또한 9(c)도 해석과 동일하게 마주보는 2개의 로터암끼리 z축 양과 음의 방향으로 1차 굽힘이 획득되었고, 9(d)도 플랫폼의 중심부가 z축 양의 방향으로 상승하는 1차 굽힘이 획득되었다. 따라서 실험결과 유한요소 해석과 동일한 모드 형상이 도출되는 것을 확인하였다.
- 현재 수치상으로는 프로펠러 중심주파수와 약 24%의 분리여유17 를 갖는 것으로 확인되었으나, 실험과 해석에 사용된 모델이 플랫폼의 강성을 유지하는 주요 구조물인 로터암과 모터만으로 구성되어 있어 정확한 예측에 한계가 있다. 실제 플랫폼의 경우에는 각종 탑재물로 인해 강성 증가보다는 상대적으로 무게 증가가 클 것으로 예상되며, 이를 고려할 경우 전체 플랫폼의 고유진동수가 낮아질 가능성이 높아 실질적인 분리여유는 허용치인 20% 이내로 감소할 가능성이 클 것으로 예측할 수 있다.
- 각 튜브 형상에 대한 이론, 해석, 실험에 따른 1차 고유 진동수 결과를 Table 3에 정리하였다. 튜브의 형상과 길이에 대한 끝단질량 변화에 대해 각각의 고유진동수를 비교하였을 때 최대 오차가 약 0.5 Hz 이내로 이 때 약 1.4%의 오차를 나타내므로 획득한 결과의 신뢰성을 확인할 수 있다.
- 실제 운용 중인 소형 쿼드로터 플랫폼을 간략화된 모델로 구현하여 유한요소 해석과 임팩트 해머에 의한 진동실험을 수행하였고, 이를 근거로 주요 가진 주파수와의 분리여유를 검토하였다. 해석과 실험을 수행한 결과 동일한 고유모드형상을 획득하였고, 최대 8% 이내의 오차를 갖는 각 모드 별 고유 진동수를 확인하였다. 해석 오차의 경우 주요 부품의 형상 간략화에 따른 조립 강성의 변화가 주요 원인인 것으로 판단된다.
- 획득한 1차 고유진동수를 바탕으로 Rayleigh’s method의 이론식에 근거한 각 튜브의 탄성계수를 계산한 결과 Table 2와 같이 Circular Type의 경우 평균 68.4 GPa, Octagonal Type의 경우 44.8 GPa의 값이 도출되었다.
후속연구
- 본 연구를 통해 쿼드로터형 플랫폼의 고유 모드및 고유진동수 식별을 위한 해석기법의 유의성을 확인하였고, 향후 플랫폼 초기 설계 단계에서 진동 특성을 고려한 구조설계 시 유용한 정보를 제공할것으로 기대된다.
- 대상 모델은 주된 가진 주파수인 120 Hz 대역을 기준으로 5차 모드에 대해 약 24%의 분리여유를 갖는 것으로 확인되었으나, 실제 플랫폼의 경우 무게 증가로 인해 5차 모드 고유진동수가 낮아질 가능성이 있으므로 주의가 요구된다. 이는 향후 실제 플랫폼을 대상으로 지상 가진 실험 등을 통해 확인되어야 할 것으로 예상된다.
- 반면 5차 모드는 상대적 변위의 크기가 플랫폼의 중심부에서 가장 크고 프로펠러의 주된 운용 영역인 116 -133 Hz 대역과 근접해 있어 주의가 필요한 구간으로 확인되었다. 현재 수치상으로는 프로펠러 중심주파수와 약 24%의 분리여유17 를 갖는 것으로 확인되었으나, 실험과 해석에 사용된 모델이 플랫폼의 강성을 유지하는 주요 구조물인 로터암과 모터만으로 구성되어 있어 정확한 예측에 한계가 있다. 실제 플랫폼의 경우에는 각종 탑재물로 인해 강성 증가보다는 상대적으로 무게 증가가 클 것으로 예상되며, 이를 고려할 경우 전체 플랫폼의 고유진동수가 낮아질 가능성이 높아 실질적인 분리여유는 허용치인 20% 이내로 감소할 가능성이 클 것으로 예측할 수 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.