[논문]회전익항공기 외부 보조연료탱크용 복합재 컨테이너 조류충돌 수치모사 연구

김현기; 김성찬

doi:10.5762/kais.2017.18.7.709

초록
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일반적으로 항공기용 연료탱크는 평상시에는 연료 보관이 주요 기능이지만, 추락과 같은 긴급한 상황에서는 연료탱크의 건전성은 승무원의 생존 가능 여부와 직결된다. 특히, 항공기의 외부 보조 연료탱크가 조류충돌(bird strike)에 의한 파손으로 누유가 발생하게 되면 승무원의 생존성에 큰 위협이 될 수 있다. 이 때문에 항속거리 확장을 위한 보조연료탱크가 항공기 외부에 설치되는 경우에는 조류충돌에 대한 연료탱크의 건전성 입증이 요구된다. 본 연구에서는 외부 보조연료탱크용 복합재 컨테이너의 조류충돌 상황에 대한 영향성 분석을 위해 충돌해석 전용 소프트웨어를 사용하여 수치해석을 수행하였다. 수치모사를 위해 컨테이너 구조물은 쉘 유한요소를 사용하여 유한요소로 모델링하고 유체와 조류는 입자법을 사용하여 모델링 하였다. 수치해석 결과로 조류충돌에 의한 내부 유체의 거동을 살펴보고 구조물의 최대 변형량과 변형률을 계산하였으며 보조연료탱크 장착용 복합재 컨테이너의 최대응력 수준을 파악하여 외부 보조연료탱크 개발 초기 단계에서 조류충돌 영향성을 반영하기 위한 데이터 확보 가능성을 타진하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In urgent situations such as crashes, the integrity of an aircraft's fuel tank is directly related to the survivability of the crew. Thus, an external auxiliary fuel tank should be robust against bird strikes. In this study, a numerical analysis was carried out using impact analysis software to anal...

In urgent situations such as crashes, the integrity of an aircraft's fuel tank is directly related to the survivability of the crew. Thus, an external auxiliary fuel tank should be robust against bird strikes. In this study, a numerical analysis was carried out using impact analysis software to analyze the influence of bird strike on a composite container for an external auxiliary fuel tank. The structure was modeled as a shell element, and the fluid and bird were modeled by the particle method. The behavior of the internal fluid was also examined. The maximum stress, deformation, and strain of the composite container were also calculated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 충돌전용 상용 소프트웨어를 사용하여 조류충돌 수치해석을 수행하였다. 수치해석 방법으로 라그랑지안 기반의 유체-구조 연성해석 방법인 입자법(Smoothed Particle Hydro-dynamics, SPH)을 사용하였다.
본 연구에서는 수치해석을 통해 회전익항공기의 항속 거리 확장을 위한 외부 보조연료탱크용 복합재 컨테이너(container)의 조류충돌 영향성을 분석하였다. 충돌전용 상용 소프트웨어인 LS-DYNA을 사용하였고, 구조물은 유한요소 모델링을 적용하고, 내부유체와 충돌체는 입자법으로 모델링하였다.
본 연구에서는 회전익항공기용 외부 보조연료탱크를 보관 및 보호하는 복합재 컨테이너에 대한 조류충돌 수치해석을 수행하였다.

제안 방법

1) 수치해석 방법으로 입자법을 기반으로 하는 유체구조 연성 해석을 적용함.
충돌전용 상용 소프트웨어인 LS-DYNA을 사용하였고, 구조물은 유한요소 모델링을 적용하고, 내부유체와 충돌체는 입자법으로 모델링하였다. 수치해석 결과로 조류충돌에 의한 내부유체 거동과 복합재 컨테이너의 최대 변형량 및 변형률을 파악하고, 구조물에 발생하는 응력 수준을 계산함으로써 조류충돌 영향성을 반영하기 위한 설계 정보를 고찰하였다.
수치해석은 조류충돌이 복합재 컨테이너의 정면과 모서리 부위에서 발생하는 두 가지 상황을 고려하여 수행하였다.

대상 데이터

2는 조류충돌 해석을 위해 구축된 수치해석 모델이다. 수치해석 모델은 복합재 컨테이너와 내부유체 그리고 충돌체로 구분되는데, 복합재 컨테이너는 알루미늄 피팅과 복합재료 스킨으로 구성되며 10,210개의 쉘요소로 모델링되었고, 유체는 345,691개의 입자(particle), 충 돌체는 1,183개의 입자을 이용하여 모델링되었다. 유체를 포함한 컨테이너 모델의 총 중량은 372kg, 유체만의 중량은 341kg이다.
수치해석 모델은 복합재 컨테이너와 내부유체 그리고 충돌체로 구분되는데, 복합재 컨테이너는 알루미늄 피팅과 복합재료 스킨으로 구성되며 10,210개의 쉘요소로 모델링되었고, 유체는 345,691개의 입자(particle), 충 돌체는 1,183개의 입자을 이용하여 모델링되었다. 유체를 포함한 컨테이너 모델의 총 중량은 372kg, 유체만의 중량은 341kg이다. 조류충돌 조건으로 충돌체 중량은 2.
컨테이너는 복합재 24장 적층으로 구성되어 있다. 적층각도는 0/45/0/45/0/45/0/45/0/45/0/45|_s 이며, 복합재 1장의 두께는 0.
수치해석에 사용되는 복합재료의 물성 정보는 Table 1에 주어져 있다. 해석의 간소화를 위해 내부에 장착되는 보조연료탱크 외피와 복합재료 적층간 적용되는 폼(foam)은 생략되었다.

이론/모형

본 논문에서는 충돌전용 상용 소프트웨어를 사용하여 조류충돌 수치해석을 수행하였다. 수치해석 방법으로 라그랑지안 기반의 유체-구조 연성해석 방법인 입자법(Smoothed Particle Hydro-dynamics, SPH)을 사용하였다. 입자법은 ALE(Arbitrary Lagrangian and Eulerian)에 비해 계산시간이 짧고, 접촉조건의 부과가 용이하여 구조격자의 변형이 심한 경우에도 구조물 외부로 내부유체의 누설이 발생할 가능성이 낮다는 장점이 있다.
본 연구에서는 수치해석을 통해 회전익항공기의 항속 거리 확장을 위한 외부 보조연료탱크용 복합재 컨테이너(container)의 조류충돌 영향성을 분석하였다. 충돌전용 상용 소프트웨어인 LS-DYNA을 사용하였고, 구조물은 유한요소 모델링을 적용하고, 내부유체와 충돌체는 입자법으로 모델링하였다. 수치해석 결과로 조류충돌에 의한 내부유체 거동과 복합재 컨테이너의 최대 변형량 및 변형률을 파악하고, 구조물에 발생하는 응력 수준을 계산함으로써 조류충돌 영향성을 반영하기 위한 설계 정보를 고찰하였다.

성능/효과

∨ 모서리 충돌시에는 최대 면내응력이 514MPa, 최대 등가응력은 607MPa로 계산되어 조류충돌이 복합재 컨테이너의 정면부위에서 발생할 때 손상이 더 큰 것으로 파악됨.
∨ 조류충돌이 정면부위에서 발생하는 경우는 최대 면내응력은 649MPa, 최대 등가응력은 705MPa로 계산됨.
본 연구의 수치해석은 복합재 컨테이너만을 반영하였기 때문에 조류충돌에 의한 컨테이너의 구조 건전성 파악만이 가능하다. 이 문제를 보완하기 위해 향후에는 컨테이너 내부에 장착되는 연료탱크 및 내부 구성품을 반영하여 현재보다 정밀한 수치 해석 결과를 얻을 수 있도록 개선해 나갈 계획이다.
9∼10은 최대 등가응력을 살펴본 결과이다. 정면 충돌의 경우에는 최대 등가응력이 705MPa로 계산되었고, 모서리 부위 충돌에 의해서는 최대 등가응력이 607MPa로 계산되어, 면내응력 계산결과와 유사하게 최대 등가응력도 정면충돌의 경우에 약 14% 정도 크게 발생하고 있음을 알 수 있다. 수치해석 결과로부터, 응력 관점에서 조류충돌이 정면에서 발생하는 경우가 구조물에 더 큰 손상을 주는 것으로 파악되었다.
40으로 계산되어 정면충돌했을 때의 변형률이 약 16% 정도 크다는 것을 알 수 있다. 즉, 구조물의 변형은 모서리 부위 충돌시에 크게 발생하지만, 최대 변형률 결과에서는 정면충돌이 더 크게 나타나는 것으로 파악되었다. 이것은 모서리 부위의 충돌로 발생하는 변형은 강체운동의 영향이 크다는 것을 의미하므로, 조류 충돌이 정면부위에서 발생할 때 더 큰 응력이 발생할 것으로 예측할 수 있다.
8은 조류충돌이 컨테이너의 모서리 영역에서 발생하는 경우의 수치해석 결과이다. 최대 면내응력은 514MPa@4ms인데, 앞서 설명한 변형률 계산결과에서 예측된 바와 같이, 조류 충돌이 정면에서 발생하는 경우와 비교하여 응력 수준이 약 20% 정도 낮아 지는 것으로 계산되었다.
5는 조류충돌이 모서리에서 발생하는 경우의 변형 결과이다. 최대 변형량은 80mm@12ms로 계산되었고 정면충돌과 비교하여 최대 변형량이 약 21% 정도 증가하는 것으로 파악되었다.

후속연구

본 연구의 수치해석은 복합재 컨테이너만을 반영하였기 때문에 조류충돌에 의한 컨테이너의 구조 건전성 파악만이 가능하다. 이 문제를 보완하기 위해 향후에는 컨테이너 내부에 장착되는 연료탱크 및 내부 구성품을 반영하여 현재보다 정밀한 수치 해석 결과를 얻을 수 있도록 개선해 나갈 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최대 변형률 결과에서 정면충돌이 더 크다는 것이 의미하는 바는 무엇인가?	즉, 구조물의 변형은 모서리 부위 충돌시에 크게 발생하지만, 최대 변형률 결과에서는 정면충돌이 더 크게 나타나는 것으로 파악되었다. 이것은 모서리 부위의 충돌로 발생하는 변형은 강체운동의 영향이 크다는 것을 의미하므로, 조류 충돌이 정면부위에서 발생할 때 더 큰 응력이 발생할 것으로 예측할 수 있다.
	연료탱크 건전성 입증을 위한 시험에는 어떠한 것들이 있는가?	항공기 연료탱크의 주요 기능은 연료를 보관하는 것이지만, 추락 등의 긴급 상황에서는 연료탱크의 건전성은 승무원의 생존여부와 직결된다. 이 때문에 연료탱크 건전성 입증을 위해 요구되는 몇 가지 중요 시험들이 있는데, 충돌충격시험(crash impact test), 슬로싱 시험(sloshing test), 내탄시험(gunfire resistance test)등이 대표적으로 요구되는 시험들이다. 수십년간 국내외에서 연료탱크 건전성 입증을 위한 시도가 있어 왔는데[1-4], 최근에는 컴퓨터의 획기적인 발전으로 유체-구조 연성해석(Fluid Structure Interaction, 이하 FSI) 등의 수치해석 방법과 병행하여 진행되고 있다[5∼8].
	입자법의 장점에는 어떠한 것들이 있는가?	수치해석 방법으로 라그랑지안 기반의 유체-구조 연성해석 방법인 입자법(Smoothed Particle Hydro-dynamics, SPH)을 사용하였다. 입자법은 ALE(Arbitrary Lagrangian and Eulerian)에 비해 계산시간이 짧고, 접촉조건의 부과가 용이하여 구조격자의 변형이 심한 경우에도 구조물 외부로 내부유체의 누설이 발생할 가능성이 낮다는 장점이 있다.

참고문헌 (8)

Hyun-Gi Kim, Sung Chan Kim, Jong-Won Lee, In-Hee Hwang, Jang Wook Hue, Dong Woo Shin, Pil Sun Jun, Tae Kyung Jung, Byung Kun Ha, "Assessment of crashworthiness performance for fuel tank of rotorcraft", Journal of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 38, no. 5, pp. 806-812, 2010. DOI: https://doi.org/10.5139/JKSAS.2010.38.8.806

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Mary L. Ugone, John E. Meling, Jack D. Snider, Neal J. Gause, Alice F. Carey, "Acquisition: Fuel Cells of the V-22 Osprey Joint Advanced Vertical Aircraft", D-2003-013, 2002.
Hyun-Gi Kim, Sung Chan Kim, Jong Won Lee, In Hee Hwang et al., "Slosh & Vibration Qualification Test for Fuel Tank of Rotorcraft", The Korea Institute of Military Science and Technology, vol. 14, no. 1, pp. 62-68, 2011.

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Hyun-Gi Kim, Sung Chan Kim, Jong Won Lee, In Hee Hwang et al., "Assessment of Self-sealing performance of the Fuel Tank of the Rotorcraft against Gunfire Projectiles", The Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, vol. 38, no. 5, pp. 477-481, 2010. DOI: https://doi.org/10.5139/JKSAS.2010.38.5.477

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Hyun-Gi Kim, Sung Chan Kim, Jong Won Lee, In Hee Hwang, Kim, Kyung-Soo, "Numerical Simulation of Crash Impact Test for Fuel Tank of Rotorcraft", Journal of Computational Structural Engineering Institute of Korea, vol. 24, no. 5, pp. 521-530, 2011.
Hyun-Gi Kim, Sung Chan Kim, Jong Won Lee, In Hee Hwang, "A Study on Configuration Optimization for Rotorcraft Fuel Cells Based on Neural Network", Journal of Computational Structural Engineering Institute of Korea, vol. 25, no. 1, pp. 51-56, 2012. DOI: https://doi.org/10.7734/COSEIK.2012.25.1.051

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Cheng Luo, Hua Liu, Jia-ling Yang, "Simulation and analysis of crashworthiness of fuel tank for helicopters", Chinese journal of aeronautics, vol. 20, no. 3, pp. 230-235, 2007. DOI: https://doi.org/10.1016/S1000-9361(07)60037-5

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Hyun-Gi Kim, Sung Chan Kim, "Analysis of Crash Load in Crash Impact Test for Fuel Tank of Rotorcraft", Journal of the Korean Academia-Industrial Cooperation Society, vol. 16, no. 6, pp. 3736-3741, 2015. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2015.16.6.3736

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