[논문]VABS를 이용한 높은 세장비를 가진 복합재료 보 구조의 차원축소 및 응력복원 해석기법에 대한 연구

안상호

doi:10.7734/coseik.2016.29.5.405

[국내논문] VABS를 이용한 높은 세장비를 가진 복합재료 보 구조의 차원축소 및 응력복원 해석기법에 대한 연구
A Study on Stress Recovery Analysis of Dimensionally Reducible Composite Beam Structure with High Aspect Ratio using VABS 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.29 no.5, 2016년, pp.405 - 411

초록
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본 논문에서는 풍력 블레이드와 같이 세장비가 크고 초기 비틀림이 존재하는 복합재료로 구성된 블레이드에 대한 이차원 단면의 차원축소와 복원관계를 이론적으로 기술하였다. 그리고 VABS 이용한 보의 차원축소모델에 대한 유효성을 검증하기 위해 선행연구 모델을 활용하여 기존 연구결과를 수치적으로 비교하였다. 실물과 가장 가까운 날개 구조물 2차원 형상에 단면해석을 적용하여 정밀한 단면의 이산화를 수행하고 VABS를 이용하여 블레이드의 특성(질량행렬, 강성행렬)을 포함한 1차원 보 모델링을 수행하였다. 1차원 보 모델을 통해 세장비가 큰 날개 구조물의 거동을 확인하고 내부하중을 계산하여 단면위치에서 변형률 복원을 수치적으로 계산하고 이산화된 단면에 수치적으로 매핑하여 시각적으로 확인하고 여유마진을 계산하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presented the theory related to a two dimensional linear cross-sectional analysis, recovery relationship and a one-dimensional nonlinear beam analysis for composite beam with initial twist and high aspect ratio. Using VABS including related theory, preceding research data of the composite wing structure has been modeled and compared. Cross-sectional analysis was performed and 1-D beam was modeled at cutting point including all the details of real geometry and material. The 3-D strain distribution and margin of safety at recovery point was calculated based on the global behavior of the 1-D beam analysis and visualize numerical results.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 VABS를 이용한 세장비를 가진 복합재료 보 구조의 차원축소 및 응력복원 해석기법을 소개하고자 한다. 선행 연구의 비교결과를 통해 효율성과 정확성을 입증하고, 복합재료로 구성된 날개 구조물에 대하여 차원이 축소 모델링을 구성하고 복원관계를 이용하여 원하는 지역에서 단면의 응력 및 변형률 분포를 차원 복원하고 시각적으로 형상화하였으며 구조 요건을 만족할 수 있는 효율적인 복원해석 과정을 기술 하였다.
더불어 복합재료의 물성을 부여하고 적층각을 변화시키면서 연성의 정도를 확장시킬 수 있다. 본 절에서는 상자형 모델의 등방성 재질을 부여한 CUS 모델과 비등방성 재질을 부여한 CAS 모델에 대한 수치적으로 검증하였다.

제안 방법

본 논문에서는 VABS를 이용한 세장비를 가진 복합재료 보 구조의 차원축소 및 응력복원 해석기법을 소개하고자 한다. 선행 연구의 비교결과를 통해 효율성과 정확성을 입증하고, 복합재료로 구성된 날개 구조물에 대하여 차원이 축소 모델링을 구성하고 복원관계를 이용하여 원하는 지역에서 단면의 응력 및 변형률 분포를 차원 복원하고 시각적으로 형상화하였으며 구조 요건을 만족할 수 있는 효율적인 복원해석 과정을 기술 하였다.
본 장에서는 VABS를 이용하여 박스형 보의 차원축소를 통한 강성 비교 검증, I-형 보의 1차원 거동 해석을 통한 VABS의 유효성 검증을 수행하였다.
Fig. 2와 같이 이방성 재질로 구성된 상자모델에 대하여 단면해석을 수행하여 비틀림 강성을 비교해 보았다. 복합 재료로 구성된 블레이드의 단순 모사로 볼 수 있으며 연성 특성을 잘 나타낼 수 있도록 CAS1과 CAS2로 구분하여 6개의 적층수를 갖도록 모델링하였다.
2와 같이 이방성 재질로 구성된 상자모델에 대하여 단면해석을 수행하여 비틀림 강성을 비교해 보았다. 복합 재료로 구성된 블레이드의 단순 모사로 볼 수 있으며 연성 특성을 잘 나타낼 수 있도록 CAS1과 CAS2로 구분하여 6개의 적층수를 갖도록 모델링하였다. CAS1의 실험적인 결과는 Chandra 등에서 처음 소개되었고 많은 연구자가 소개한 대표적인 검증 모델이다.
단면 벽의 굽힘 변형률을 무시한 경우에 비틀림 강성에 큰 오차가 발생되어 VABS로 계산한 비틀림 강성보다 낮은 값을 갖는다. Fig. 4에서 복합재료가 적층된 CAS2 모델의 끝단에 하중 4.44N을 적용했을 때 모사된 비틀림 각에 대한 수치해석과 실험값을 비교하였다. VABS를 이용한 연성이 고려된 1차원 보해석 결과가 실험치와 근접함을 알 수 있다.
5와 같다. 그리고 3차원 유한 요소 모델과 단면해석을 통해 얻어진 강성행렬을 연결시켜 1차원의 보 모델을 구성하였다. Table 2는 해석 수행 시 이용한 재질의 물성을 나타내었다.
복합재료의 적층 각(0, 45, 90)은 유한요소 모델의 완료 후, 각각의 층에 해당하는 요소들을 그룹으로 나누고 각각의 단면의 물성정보에 기입하여 반영한다. 정확한 단면해석 결과를 얻어내기 위하여 실물 블레이드의 형상과 동일하게 표현할 수 있도록 충분한 절점과 요소의 수를 갖는 유한요소 모델을 구성하였다.
Fig. 8와 같이 단면을 등가적인 강성행렬로 나타내기 위하여 복합재 블레이드의 형상이 급격히 변하는 부분과 재질이 가감되는 구간을 선정하여 단면해석을 수행하였다. 이산화된 단면의 형상을 이용하여 VABS를 적용한 차원축소 과정으로 얻은 복합재 구조물에 대한 보 모델링 결과는 단면위치에 따른 기하정보와 강성행렬 및 질량행렬이다.
보 해석에서 설계 하중을 입력하고 VABS의 복원 해석을 통하여 구조해석을 수행하면 날개 구조물 단면의 집중 응력이 발생하는 지역, 최대 변형률이 발생하는 지역을 예측할수 있다. VABS를 통해 축방향의 위치(r/R =0.295)에서 복원된 변형률을 계산하였다. 그리고 수치해석 데이터는 후처리 해석을 통해서 요소 별로 평균값을 적용하여 매핑하면 Fig.
세장비가 크고 복잡한 재질로 이루어진 복합재 날개 구조물에 3차원 유한요소모델을 적용하는 것은 많은 시간과 노력이 필요하다. 본 논문에서는 VABS를 이용한 보의 차원축소 모델에 대한 유효성을 검증하기 위해 선행연구 모델을 활용 하여 기존 연구결과를 수치적으로 비교하였다.
실물과 가장 가까운 복합재 날개 구조물의 3차원 형상에단면해석을 적용하여 정밀한 단면의 이산화를 수행하고 VABS를 이용하여 1차원 보 모델링을 수행하였다. VABS를 통해 계산된 변형률의 복원해석 결과를 매핑하여 가시화 하였다.
실물과 가장 가까운 복합재 날개 구조물의 3차원 형상에단면해석을 적용하여 정밀한 단면의 이산화를 수행하고 VABS를 이용하여 1차원 보 모델링을 수행하였다. VABS를 통해 계산된 변형률의 복원해석 결과를 매핑하여 가시화 하였다. VABS는 복원해석을 통하여 다양한 재료로 적층되어 있는 항공기의 개발과정에서 일어날 수 있는 변화를 예측하고 계산하여 설계변수를 적절히 수정하여 여러 단계로 이루어지는 개발 단계에서 3차원 유한요소 해석을 대체하고 비용과 시간을 줄일 수 있을 것이다.

대상 데이터

해석 모델은 Chandra 등의 실험연구에 이용된 모델이며 25.4mm×12.7mm 단면을 가지며 길이가 762mm 이며 적층구조와 단면은 Fig. 5와 같다.
5g를 만족하여야 한다. 적용된 하중의 축방향 원심력 Fx=225kN이고 적용된 모멘트 My=1060 N-M, Mz=1690 N-M로 설정 하였다. 보 해석에서 설계 하중을 입력하고 VABS의 복원 해석을 통하여 구조해석을 수행하면 날개 구조물 단면의 집중 응력이 발생하는 지역, 최대 변형률이 발생하는 지역을 예측할수 있다.

데이터처리

Table 3을 통해 날개 구조물의 정적 강도를 평가하기 위한 허용값과 VABS를 통해 계산된 최대 변형률을 계산하고 여유마진을 계산하였다. 허용치가 적은 유리섬유 ±45가 적용 되어 있고 최상단 위치에 적용되어 있기 때문에 여유마진의 수준이 가장 낮다.

이론/모형

변형률의 미분항을 계산하기 위하여 Hodges의 운동 방정식[인용]을 이용한다. 응력에 대한 미분을 계산하여 나타 내면 아래와 같다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	항공기 날개에서 세미 모노코크형 구조란 무엇인가?	이런 개발환경 때문에 변경되는 형상의 특성을 반영 하면서도 효율적인 정적, 동적 해석 및 피로해석을 수행할 수 있는 등가 모델링 기법(Hodges, 2007)이 필요하다. 최신의 항공기 날개나 틸트 로터, 터빈 블레이드, 그리고 풍력 블레이드 등은 성능의 최대화를 기하기 위해 고효율 유선형 에어포일을 채용하며, 내부의 스파나 표피 등을 이종의 복합 소재로 하는 세미 모노코크형 구조로 설계한다. 또한 테이퍼나 초기 비틀림각, 초기 원추각, 테이퍼 그리고 상반각과 같은 기하학적 비균일 특성을 적절히 활용하여 고성능으로 설계 하는 것이 일반화되어 있다.
	항공기 날개 구조물 설계시 무엇을 고려해야 하는가?	항공기 날개 구조물의 설계시 구조물은 강도(strength), 강성(stiffness), 안정성(stability)을 확보하고 예측하기 위하여 경제적인 측면을 고려하여 해석 모델을 구성해야 한다. 그러나 개발단계에서 형상이 빈번하게 수정되기 때문에 초기 설계단계에서의 3차원 해석모델 구현이 사실상 구성하기 어렵다.
	등가 모델링 기법이 필요하게 된 개발환경은?	항공기 날개 구조물의 설계시 구조물은 강도(strength), 강성(stiffness), 안정성(stability)을 확보하고 예측하기 위하여 경제적인 측면을 고려하여 해석 모델을 구성해야 한다. 그러나 개발단계에서 형상이 빈번하게 수정되기 때문에 초기 설계단계에서의 3차원 해석모델 구현이 사실상 구성하기 어렵다. 이런 개발환경 때문에 변경되는 형상의 특성을 반영 하면서도 효율적인 정적, 동적 해석 및 피로해석을 수행할 수 있는 등가 모델링 기법(Hodges, 2007)이 필요하다.

참고문헌 (10)

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상세보기
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상세보기
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Yu. W. (2010) VABS Manual for Users.

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표제어: PCR

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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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