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가설 설정
- 는 항력계수, ρ는 밀도, V는 풍속을 각각 나타낸다. 항력계수는 평판으로 가정하고 1을 사용하였으며 밀도는 공기밀도 값을 적용하였다. 그리고 여기서 계산된 풍압은 Fig.
제안 방법
- Fig. 3의 Flow Chart와 같이 대형 레이더 기계구조부의 상세설계를 위해서는 설계 요구조건 분석이 선행되어야 하며, 3D 모델링 도구를 이용하여 모델링하여시뮬레이션을 통해 요구조건이 만족하는지를 검증하였다. 설계 요구조건이 만족될 때까지 시뮬레이션을 반복하여 설계를 진행하였으며 PDR(Preliminary Design Review) 및 CDR(Critical Design Review)을 거쳐 설계의 타당성을 검토하였다.
- 대형 레이더 기계구조부의 상세설계를 위해서 Table2와 같이 구조건전성, 구동안정성, 열적안정성, 이동/설치 등의 요구사항을 분석하였다. 각 요구사항을 분석/검토하여 실제 설계에 구체적으로 반영/적용하였다.
- TRM의 전력증폭모듈 부품한계 온도는 95 ℃이며 전원공급기 DC-DC Converter의 부품한계 온도는 100℃이므로 90 ℃가 넘지 않도록 최적 방열설계가 필요하다[3]. 각 전자모듈의 주요 발열원에서 발생한 열은 방열판을 통해 전도 되어 덕트 조립체 쪽으로 빠져나가 송풍팬을 이용해서 외부로 빼내게 되는 공랭식을 사용하였으며, 대형레이더의 체계 환경규격인 운용온도 조건(-30 ℃ ~ 50 ℃)을 만족시키기 위해 외기온도 50 ℃의 조건에서 대형레이더 내부의 온도가 90℃가 넘지 않아야 된다는 요구사항을 기준으로 방열해석을 수행하였다.
- 구조해석 결과, 풍하중의 영향으로 인해 대체적으로바람의 반대쪽 부분에 등가응력이 집중되는 경향을 보였다. 경량화 고강성 구조설계를 목표로 하였기 때문에 장치별로 구조해석을 반복하여 등가응력이 집중되는 부분에는 리브 및 추가 보강을 수행하여 힘을 분산시켰으며 여유가 있는 부분에는 경량화 설계를 하였다. 또한 배열소자의 정렬에 영향을 미칠 수 있는 윙힌지 부는 변위를 최소화하기 위해 초기에 Aluminum 6061을 사용하였다가 나중에 SS400 스틸재질로 변경하였다.
- 14와 같이 모터, 감속기, 피니언, 어댑터 등으로 구성되어 있다. 고효율 3상 전원을 사용하고, 소모전류는 약 5.5 A이며 정격출력은 5,500 W 정도이며 구동장치 양 끝 쪽에 각각 하나씩 2개를 사용하여 이중화 설계를 하였다. 24시간 무중단 운영을 위해 한쪽 모터가 고장 나더라도 나머지 한쪽 모터로 동력을 전환하여 작전을 수행 할 수 있도록 하기 위해서이다.
- 대형 레이더 기계구조부의 상세설계를 위해서 Table2와 같이 구조건전성, 구동안정성, 열적안정성, 이동/설치 등의 요구사항을 분석하였다. 각 요구사항을 분석/검토하여 실제 설계에 구체적으로 반영/적용하였다.
- 대형 레이더 기계구조부의 상세설계를 위해서 분석된 요구사항을 기준으로 구조건전성, 구동안정성 및 열적안정성을 고려한 상세설계를 진행하였다.
- 대형 레이더는 운용 시 75 knot의 풍하중과 20 kg/m2의 빙부하 환경조건을 견디도록 설계되어야 하며 이를 안테나부가 받는 하중으로 계산하여 적용하고 분석해 보았다. 풍하중이 안테나부에 수직으로 닿는 면적을 기준으로 풍압을 계산한 결과는 수식 (1)과 같다.
- 설계 요구조건이 만족될 때까지 시뮬레이션을 반복하여 설계를 진행하였으며 PDR(Preliminary Design Review) 및 CDR(Critical Design Review)을 거쳐 설계의 타당성을 검토하였다. 대형 레이더의 기계구조부 제작을 위해 용접과 가공 품질을 고려하여 제작 공정을 체계적으로 관리하였으며 체계조립을 위해 상호 구조물의 인터페이스를 검토 및 수정하였다. 또한 제작된 대형 레이더를 사이트에 이동 및 설치하기 위해 이동치구 및 인양치구를 사용하여 이동시 발생하는 진동충격하중을 최소화 하였다.
- 대형 레이더는 운용 시 75 knot의 풍하중과 20 kg/m2의 빙부하 환경조건을 견디도록 설계되어야 하며 이에 따라 구조건전성이 확보되어야 한다. 대형 레이더의 기계구조부는 크게 주안테나와 부안테나(피아식별안테나/부엽차단안테나), 플랫폼장치, 구동장치로 나눌 수 있으며 운용환경에서의 구조건전성 확인을 위해각 장치별로 구조해석을 수행하였다. 해석은 ANSYS Workbench Mechanical 상용 구조해석 프로그램을 사용하여 진행되었으며, 3D모델링 도구를 이용하여 모델을 적절히 단순화 하고 장치별로 약 20 mm 이내의 격자를 생성하여 해석모델의 유효성을 확인 후 구속조건 및 해석조건을 부과하여 진행하였다.
- 대형 레이더의 기계구조부 제작을 위해 용접과 가공 품질을 고려하여 제작 공정을 체계적으로 관리하였으며 체계조립을 위해 상호 구조물의 인터페이스를 검토 및 수정하였다. 또한 제작된 대형 레이더를 사이트에 이동 및 설치하기 위해 이동치구 및 인양치구를 사용하여 이동시 발생하는 진동충격하중을 최소화 하였다. 최종적으로 대형 레이더의 운용시험을 통해 기계구조부 개발 검증을 완료하였다.
- 20과 같이 이동치구의 연결부위의 연결블록에서 최대 등가응력이 발생하였지만 재료의 항복강도(Yield Strength)대비 충분한 안전여유(Margin of Safety)가 확보되어 구조건전성에 문제가 없다고 판단하였다. 또한 충격해석 결과 수직방향의 아랫방향 충격하중이 들어오는 조건에서 최대 등가응력이 발생하였고, 이때의 Equivalent Stress는 86.5 MPa로서, 재질의 항복강도(Yield Strength)대비 0.9의 안전여유(Margin of Safety)를 확보하여 구조건전성을 확보하였다[4].
- 베어링에 작용하는 힘을 구하기 위해 축력(Axial Force), 반경 방향 힘(Radial Force), 모멘트(Moment Force) 등을 계산하였으며, 이렇게 계산된 힘을 기준으로 베어링의 제원 이 결정되고 수명이 예측될 수 있다. 또한, 풍압과 빙부하를 고려하여 안테나를 구동하기 위한 구동토크를 계산하였고, 이 필요토크 값을 기준으로 모터 및 감속기를 선정하였다.
- 11과 같이 외부온도 50 ℃조건에서수행되었으며, 이는 대형레이더 체계 환경규격의 운용온도조건이 저온저장 및 동작은 -30 ℃이며 고온 저장 및 동작은 50 ℃이기 때문이고 이 외기온도범위에서 장비의 열정 안정성이 확보되어야 한다. 방열해석결과 선정된 송풍기로 설계 목표인 90 ℃ 이내의 온도를 만족하였으며 시험으로 이를 검증하였다. 또한 덕트조립체 하부에 위치한 안테나 전원공급조립체 및 송/수신조립체에 대한 방열해석결과도 Table 6과 같이 설계목표 온도 이내로 만족하였다[3].
- 1톤이 되는 회전부의 무게와 풍하중으로 인한 모멘트 등을 고려하여 구동 토크를 계산하고 이에 따라 적합한 모터/감속기 및 베어링 등을 선정해야 한다. 베어링에 작용하는 힘을 구하기 위해 축력(Axial Force), 반경 방향 힘(Radial Force), 모멘트(Moment Force) 등을 계산하였으며, 이렇게 계산된 힘을 기준으로 베어링의 제원 이 결정되고 수명이 예측될 수 있다. 또한, 풍압과 빙부하를 고려하여 안테나를 구동하기 위한 구동토크를 계산하였고, 이 필요토크 값을 기준으로 모터 및 감속기를 선정하였다.
- 1톤을 차지하는 회전부가 무중단으로 회전하기 때문에 구동 안정성 또한 고려되어야 한다. 본 연구에서는 대형 레이더의 기계구조부 개발 절차를 상기 관점에서 분석하고 설계하여 제작/조립을 통해 최종 이동/설치까지의 과정을 다루었다. 이를 위해 요구사항을 분석하고 구조 및 방열해석을 통한 상세설계를 수행하였으며, 대형 레이더 시제의 최종 제작 및 조립 후 사이트로의 이동 및 설치를 수행하여 실제 운용을 통해 이를 검증하였다.
- 본 연구에서는 대형 레이더의 요구사양을 분석하여구조건전성, 구동안정성, 열적안정성을 확보하기 위한 설계요구조건을 상세히 도출 하였으며, 이동/설치를 위한 제한사항 등을 식별하였다. 도출된 설계요구조건을 기준으로 상세설계를 진행하였으며, 구조건전성을 확보하기 위해 운용 시 풍하중과 빙부하가 부과된 조건으로 장치별로 구조해석을 수행한 결과 모든 장치에서 재질의 항복강도(Yield Strength)대비 안전여유(Margin of Safety) 1.
- 빙부하 조건도 안테나부의 상단에 쌓이는 눈의 면적을 기준으로 계산하여 자중의 무게에 더하는 방식으로 구조건전성 분석에 적용하였다.
- 3의 Flow Chart와 같이 대형 레이더 기계구조부의 상세설계를 위해서는 설계 요구조건 분석이 선행되어야 하며, 3D 모델링 도구를 이용하여 모델링하여시뮬레이션을 통해 요구조건이 만족하는지를 검증하였다. 설계 요구조건이 만족될 때까지 시뮬레이션을 반복하여 설계를 진행하였으며 PDR(Preliminary Design Review) 및 CDR(Critical Design Review)을 거쳐 설계의 타당성을 검토하였다. 대형 레이더의 기계구조부 제작을 위해 용접과 가공 품질을 고려하여 제작 공정을 체계적으로 관리하였으며 체계조립을 위해 상호 구조물의 인터페이스를 검토 및 수정하였다.
- 안테나가 완전히 눕혀져있는 0°에서의 구조건전성을 좀 더 확보하기 위해 유압실린더가 연결된 유압힌지 부위의 플레이트 및 홀더 부분을 보강하고 용접 구조 뿐 아니라 추가 볼트체결구조로 보완하였다.
- 이동 시 다양한 환경에서 진동 및 충격하중에 지속적으로 노출되게 되는데 안테나의 다양한 센서 및 배열소자 등을 안전하게 보호하기 위해 이동 및 수송 시 동특성이 분석되어 구조건전성이 확보되어야 한다. 안테나의 PSD 해석 및 충격해석은 ANSYS Workbench Mechanical 해석프로그램을 사용하여 Modal 해석 후 Fig. 7, Fig. 8과 같이 MIL-STD-810G 그래프의 PSD값을 적용해서 진행 및 분석되었으며, 구조 건전성을 확보하기 위해서 3Sigma 등가응력까지 확인하였고, 각 부품 별로 6가지 방향의 충격하중을 부과하여 각 재질의 항복강도 대비 안전여유를 산출하였다[5].
- 대형레이더는 인양 후 이동치구에 안착되고 25톤 카고트럭에 탑재되어 이동을 한다. 이동 중에는 다양한 진동/충격 등의 이동환경에 노출 될 수 있으며 주안테나의 배열소자 및 각종 센서 등을 보호하기 위해 이동치구에 댐퍼를 사용하였지만, 완전히 감쇄하는 것은 불가능 하므로 이동시 주안테나의 Random Vibration Response 해석 및 충격 해석으로 구조건전성을 검증하였다. 앞서 언급하였던 미 군사규격 MIL-STD-810G에의거하여 해석을 수행하였으며, Fig.
- 는 풍압에 의한 모멘트를 각각 나타낸다. 이를 기준으로 베어링이 선정되었으며,고하중 저속에 적합하고 높은 강성 및 동적하중에 대한 내구력이 우수한 Slewing Bearing, Cross Roller 타입의 베어링을 사용하였다. 외륜 직경이 약 ∅1,500 mm 높이가 약 85 mm가 되며, Fig.
- 본 연구에서는 대형 레이더의 기계구조부 개발 절차를 상기 관점에서 분석하고 설계하여 제작/조립을 통해 최종 이동/설치까지의 과정을 다루었다. 이를 위해 요구사항을 분석하고 구조 및 방열해석을 통한 상세설계를 수행하였으며, 대형 레이더 시제의 최종 제작 및 조립 후 사이트로의 이동 및 설치를 수행하여 실제 운용을 통해 이를 검증하였다.
- 또한 인버터를 적용하여 부하 하중의 변동이 있더라도 일정한 회전수를 유지할 수 있게 하였다. 피니언을 사용하여 구동토크를 베어링에 전달하고, 안테나부로회전력을 전달할 수 있도록 하였다.
- 대형 레이더의 기계구조부는 크게 주안테나와 부안테나(피아식별안테나/부엽차단안테나), 플랫폼장치, 구동장치로 나눌 수 있으며 운용환경에서의 구조건전성 확인을 위해각 장치별로 구조해석을 수행하였다. 해석은 ANSYS Workbench Mechanical 상용 구조해석 프로그램을 사용하여 진행되었으며, 3D모델링 도구를 이용하여 모델을 적절히 단순화 하고 장치별로 약 20 mm 이내의 격자를 생성하여 해석모델의 유효성을 확인 후 구속조건 및 해석조건을 부과하여 진행하였다. 재질의 강도평가는 최대주응력이론에 따라 해석결과의 Equivalent(Von-mises) Stress, 즉 등가응력을 가지고 판단하였다.
대상 데이터
- 대형 레이더의 주장비인 구동장치, 플랫폼장치, 안테나하우징/윙 프레임 등은 대형 구조물인 동시에 정밀하게 가공 및 제작되어야 한다. 원재료는 AL6061-T6,T6511의 I형 압출재를 가공하여 사용하며, 원재료 가공 후 지그를 이용하여 압출재 들을 가조립 후 용접을 수행한 뒤 열처리 및 잔류응력을 제거하여 조립체의 기계적 강도를 확보한다. 용접 시에는 알루미늄 특성상 열로 인한 변형이 크기 때문에 반드시 지그 등의 특수치구를 이용하여 변형을 최대한 방지해야 한다.
- 는 정격토크를 나타낸다. 이 수식으로 계산된 구동토크를 기준으로 충분한 안전율(구동여유)을 적용하여 모터/감속기 조립체를 선정하였으며 Fig. 14와 같이 모터, 감속기, 피니언, 어댑터 등으로 구성되어 있다. 고효율 3상 전원을 사용하고, 소모전류는 약 5.
- 주안테나 내부의 TRM 부품인 전력증폭모듈의 한계온도가 95 ℃이기 때문에 90 ℃ 이하의 최적방열설계를 위해 유량 및 압력강하를 이론적으로 계산하여 약 250 CFM의 용량을 가진 ASHLAND(US)의 송풍기를 선정하였다. 이 송풍기는 380 V로 3350 RPM으로 회전하며 TRM이 배치된 곳에 Section별로 배치가 되었고,송풍기로 외부공기를 들여 와 Fig.
이론/모형
- 해석은 ANSYS Workbench Mechanical 상용 구조해석 프로그램을 사용하여 진행되었으며, 3D모델링 도구를 이용하여 모델을 적절히 단순화 하고 장치별로 약 20 mm 이내의 격자를 생성하여 해석모델의 유효성을 확인 후 구속조건 및 해석조건을 부과하여 진행하였다. 재질의 강도평가는 최대주응력이론에 따라 해석결과의 Equivalent(Von-mises) Stress, 즉 등가응력을 가지고 판단하였다. 각 재질의 항복강도(Yield Strength) 대비 얼마의 안전여유(Margin of Safety)를 가지고 있는지를 판단하였으며 안전여유가 0보다 크면 구조체가 안전한 것으로 판단하였다.
성능/효과
- 크레인은 용량 및 분대의 각도에 따라 인양을 할 수 있는 허용중량이 다르고 사이트의 환경에 따라 최대 올라올 수 있는 크레인 용량에 제한이 있을 수 있기 때문에, 이에 따라 통합건물의 제원에도 제한이 있을 수 있다. 300톤 하이드로크레인을 기준으로 19m 높이의 건물에 장비를 인양 할 수 있는 최대 허용하중은 28.6톤이며, 대형 레이더 안테나부 인양 하중이 약 20톤이므로 약 8.6톤의 마진을 보유하고 있어 안전하다고 판단하였다.
- 10과 같이 내부공기를 덕트 내 강제 순환시켜서 냉각시키는 구조이다.[3] 방열해석은 ANSYS Workbench Icepak 상용 해석프로그램을 사용하여 Fig. 11과 같이 외부온도 50 ℃조건에서수행되었으며, 이는 대형레이더 체계 환경규격의 운용온도조건이 저온저장 및 동작은 -30 ℃이며 고온 저장 및 동작은 50 ℃이기 때문이고 이 외기온도범위에서 장비의 열정 안정성이 확보되어야 한다. 방열해석결과 선정된 송풍기로 설계 목표인 90 ℃ 이내의 온도를 만족하였으며 시험으로 이를 검증하였다.
- 재질의 강도평가는 최대주응력이론에 따라 해석결과의 Equivalent(Von-mises) Stress, 즉 등가응력을 가지고 판단하였다. 각 재질의 항복강도(Yield Strength) 대비 얼마의 안전여유(Margin of Safety)를 가지고 있는지를 판단하였으며 안전여유가 0보다 크면 구조체가 안전한 것으로 판단하였다. 예를 들어 Al6061-T6의 항복강도가 276 MPa인데 해석결과 23 MPa의 등가응력이 나오면 아래와같이 안전여유가 계산될 수 있다.
- 9 이상의 구조건전성이 확보되었다. 구동안정성의 확보를 위해 구동토크를 계산하고 그에 적합한 Slewing Bearing의 베어링을 선정하여 피로수명을 확인한 결과 무중단 회전 운용 시 20년 이상 사용이 가능하며, 열적 안정성 확보를 위해 외기온도 50 ℃조건에서 방열해석 수행을 한 결과 설계목표 이내의 온도를 만족하였다. 상세설계를 거쳐 도면작업 후 각 장치별로 가공 및 용접, 도장을 거쳐 제작이 완료되면 모든 장치를 통합하는 체계조립을 수행하며 성능에 영향을 미칠 수 있는 배열소자 조립에 주의해야 한다.
- 구조해석 결과, 풍하중의 영향으로 인해 대체적으로바람의 반대쪽 부분에 등가응력이 집중되는 경향을 보였다. 경량화 고강성 구조설계를 목표로 하였기 때문에 장치별로 구조해석을 반복하여 등가응력이 집중되는 부분에는 리브 및 추가 보강을 수행하여 힘을 분산시켰으며 여유가 있는 부분에는 경량화 설계를 하였다.
- 안테나가 완전히 눕혀져있는 0°에서의 구조건전성을 좀 더 확보하기 위해 유압실린더가 연결된 유압힌지 부위의 플레이트 및 홀더 부분을 보강하고 용접 구조 뿐 아니라 추가 볼트체결구조로 보완하였다. 그 결과 모든 각도 구간에서 구조건전성을 확보 할 수 있었다.
- 항력계수는 평판으로 가정하고 1을 사용하였으며 밀도는 공기밀도 값을 적용하였다. 그리고 여기서 계산된 풍압은 Fig. 4와 같이 ANSYS Fluent 상용 CFD해석프로그램을 사용하여 안테나 정면에서 75 knot(39 m/s) 바람이 불어오는 조건의 해석을 통해 검증하였으며 검증된 결과 값은 5 % 이내로 수계산 값과 거의 일치하였다. 이렇게 계산된 풍하중 값은 각 장치별로 적용하여 구조건전성을 분석하는데 사용되었으며 장치별 계산 값은 수식 (2)와 같다.
- 안테나 설치를 위한 세움/내림 조건에서도 구조해석 결과 추가보강을 수행하여 구조건전성을 확보하였다. 대형레이더가 이동시의 진동/충격 해석을 미 군사규격 MIL-STD-810G에 의거하여 수행하였으며 PSD해석에서 3Sigma 등가응력까지 확인 한 결과 재질의 항복강도(Yield Strength)대비 충분한 안전여유(Margin of Safety)이 확보되었으며 충격해석결과도 안전여유(Margin of Safety) 0.9 이상의 구조건전성이 확보되었다. 구동안정성의 확보를 위해 구동토크를 계산하고 그에 적합한 Slewing Bearing의 베어링을 선정하여 피로수명을 확인한 결과 무중단 회전 운용 시 20년 이상 사용이 가능하며, 열적 안정성 확보를 위해 외기온도 50 ℃조건에서 방열해석 수행을 한 결과 설계목표 이내의 온도를 만족하였다.
- 본 연구에서는 대형 레이더의 요구사양을 분석하여구조건전성, 구동안정성, 열적안정성을 확보하기 위한 설계요구조건을 상세히 도출 하였으며, 이동/설치를 위한 제한사항 등을 식별하였다. 도출된 설계요구조건을 기준으로 상세설계를 진행하였으며, 구조건전성을 확보하기 위해 운용 시 풍하중과 빙부하가 부과된 조건으로 장치별로 구조해석을 수행한 결과 모든 장치에서 재질의 항복강도(Yield Strength)대비 안전여유(Margin of Safety) 1.25 이상으로 구조건전성이 확보되었다. 안테나 설치를 위한 세움/내림 조건에서도 구조해석 결과 추가보강을 수행하여 구조건전성을 확보하였다.
- 여기서, C는 Bearing Dynamic Capacity를, P는 베어링에 적용된 힘을 나타낸다. 레이돔 내부 운용 기준으로 무중단 회전 시 베어링에 적용되는 회전체의 축력 128.5 kN, 반경방향 힘 1.4 kN, 모멘트 힘 40.7 kNm일 때 40.29년으로 계산되었으며 운용에 문제없음을 확인하였다.
- 또한 배열소자의 정렬에 영향을 미칠 수 있는 윙힌지 부는 변위를 최소화하기 위해 초기에 Aluminum 6061을 사용하였다가 나중에 SS400 스틸재질로 변경하였다. 부안테나 및 구동장치, 플랫폼 장치도 충분한 안전여유(Margin of Safety)을 확보하여 구조 건전성을 확인할 수 있었다.
- 이동 중에는 다양한 진동/충격 등의 이동환경에 노출 될 수 있으며 주안테나의 배열소자 및 각종 센서 등을 보호하기 위해 이동치구에 댐퍼를 사용하였지만, 완전히 감쇄하는 것은 불가능 하므로 이동시 주안테나의 Random Vibration Response 해석 및 충격 해석으로 구조건전성을 검증하였다. 앞서 언급하였던 미 군사규격 MIL-STD-810G에의거하여 해석을 수행하였으며, Fig. 19와 같이 모드해석을 먼저 수행 한 후 PSD 진동해석 결과 3Sigma 등가응력까지 확인하였고, Fig. 20과 같이 이동치구의 연결부위의 연결블록에서 최대 등가응력이 발생하였지만 재료의 항복강도(Yield Strength)대비 충분한 안전여유(Margin of Safety)가 확보되어 구조건전성에 문제가 없다고 판단하였다. 또한 충격해석 결과 수직방향의 아랫방향 충격하중이 들어오는 조건에서 최대 등가응력이 발생하였고, 이때의 Equivalent Stress는 86.
- 상세설계를 거쳐 도면작업 후 각 장치별로 가공 및 용접, 도장을 거쳐 제작이 완료되면 모든 장치를 통합하는 체계조립을 수행하며 성능에 영향을 미칠 수 있는 배열소자 조립에 주의해야 한다. 최종적으로 사이트로 이동 및 설치가 되어 대형레이더의 기계구조부 개발이 완료되었으며, 회전 및 각종 시험을 통해 운용성 검증을 완료하였다.
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