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- 구조물에 변형률 측정 위치를 선정한 후, 선정한 위치에서 변형률을 측정한다. 이후 보간법을 통해 측정한 변형률을 3차 함수로 정의하여 센싱 라인 전체의 변형률을 계산하고 측정한 센싱 라인을 하나의 보로 가정하여 선형 변위 예측이론으로 변위를 계산한다. 계산된 변위를 4차 함수로 정의한 후, 센싱 라인 전체에서의 변위를 계산하여 각 센싱 라인에서의 변위를 통해 날개 전체의 변위를 예측한다.
제안 방법
- 이후 보간법을 통해 측정한 변형률을 3차 함수로 정의하여 센싱 라인 전체의 변형률을 계산하고 측정한 센싱 라인을 하나의 보로 가정하여 선형 변위 예측이론으로 변위를 계산한다. 계산된 변위를 4차 함수로 정의한 후, 센싱 라인 전체에서의 변위를 계산하여 각 센싱 라인에서의 변위를 통해 날개 전체의 변위를 예측한다.
- 고정 지그를 통해 후퇴각을 모사하였으며, 날개 끝단에 추를 연결하고 도르래를 이용하여 끝단 하중을 모사하였다. 실험 장치도는 Fig.
- 변형률은 앞전에서 30 mm 떨어진 센싱 라인의 7개 지점, 뒷전에서 30 mm 떨어진 센싱 라인의 6개 지점에서 계산하였다. 고정단으로부터 x축 방향으로의 측정 위치는 보간 과정에서 오차를 줄이기 위해 해석을 통해 선정하였으며, 최대 변형률 지점과 최대 변형률 지점 기준으로 전, 후방 3개 지점을 선정하였다. 변형률 측정 위치는 Table 2와 같다.
- 10과 같으며 하중별 최대 변형률이 유사한 위치에서 나타남을 확인하였다. 끝단 하중일 때와 동일한 변형률 측정위치에서 변형률을 측정하여 변형률을 보정하고 변위를 예측하였으며 타원 분포 하중을 가하였을 때 예측한 변위는 Fig. 11과 같다. 끝단 하중일 때와 같은 변형률 측정위치에서 측정한 변형률을 통해 변위를 예측하여도 정확한 변위 예측이 가능함을 확인하였다.
- 다양한 하중 조건에서도 구조물의 변위 예측의 가능성을 확인하기 위해 연구 모델의 끝단 변위가 스팬 대비 9%의 굽힘 변형이 발생하도록 Table 3과 같이 실제 항공기 날개가 받는 하중과 유사한 균등, 삼각 및 타원 분포 하중을 가하여 구조해석을 수행하였다. 하중에 따른 변형률 분포 는 Fig.
- 최대 변형률이 발생하는 지점을 기점으로 구간을 나누어 변형률을 각각의 함수로 정의하는 경우 전 구간에서 유한요소 해석으로 계산한 변형률과 잘 일치하는 것을 확인 하였으며, 변위 예측 결과도 일치하는 것을 확인하였다. 다양한 하중 형태, 후퇴각에서도 구간을 나누어 변형률을 보간 하는 방법으로 변위를 예측하여 정확한 변위 예측을 하였다.
- 후퇴익 형상의 평판에 하중이 가해지면 복잡한 분포의 변형이 발생하므로 이를 선형 변위 예측 이론을 통해 변위를 예측할 경우, 예측 변위 오차가 발생한다. 따라서 본 연구에서는 변형률 분포를 확인하였으며 이를 통해 복합재 후퇴익 평판의 변형을 예측하였다
- 6과 같이 확인하였다. 따라서 최대 변형률 지점이 거의 변하지 않으므로 최대 변형률 지점을 기준으로 구간을 나누어 구간마다 다른 변형률 함수를 정의하고 변위를 예측하였다. 이러한 수정된 변위 예측 과정은 Fig.
- 변위 예측 방법의 검증을 위해 실험을 수행하였다. 해석에서 확인한 최대 변형률 지점을 고려하여 Table 1의 위치에 스트레인 게이지를 붙여 변형률을 측정하였다.
- 평판에 스트레인 게이지를 부착하여 측정된 변형률로 복합재료 후퇴익의 정적 변위를 Ko[2]가 수행한 선형 변위 예측 이론을 통해 예측하였다. 변위 예측의 오차를 줄이기 위해 다양한 후퇴각, 하중조건에서의 해석적 연구를 수행하여 후퇴익 형상의 변형 특성과 변형률 분포 파악하였다. 이를 통해 최대 변형률 지점을 기준으로 변형률을 보정하였으며, 복합재 후퇴익 평판의 변위를 예측하였다.
- 복합재의 물성치는 Table 1과 같다. 변형률은 앞전에서 30 mm 떨어진 센싱 라인의 7개 지점, 뒷전에서 30 mm 떨어진 센싱 라인의 6개 지점에서 계산하였다. 고정단으로부터 x축 방향으로의 측정 위치는 보간 과정에서 오차를 줄이기 위해 해석을 통해 선정하였으며, 최대 변형률 지점과 최대 변형률 지점 기준으로 전, 후방 3개 지점을 선정하였다.
- 변위 예측의 오차를 줄이기 위해 다양한 후퇴각, 하중조건에서의 해석적 연구를 수행하여 후퇴익 형상의 변형 특성과 변형률 분포 파악하였다. 이를 통해 최대 변형률 지점을 기준으로 변형률을 보정하였으며, 복합재 후퇴익 평판의 변위를 예측하였다.
- 정확한 변위 예측을 하기 위해 복합재 후퇴익 평판의 변형률 경향을 파악하였다. 그 결과 동일한 후퇴각과 동일한 하중 형태에서는 변위에 관계없이 최대 변형률이 발생하는 지점이 일정하다는 것을 확인하였다.
- 해석을 통해 최대 변형률 발생 위치를 확인한 후, 최대 변형률 발생 위치를 고려하여 변형률을 측정한다. 최대 변형률을 기준으로 구간을 나누어 구간 별 변형률 3차 함수를 정의하고, 이후 기존 선형 변위 예측과 같이 전 구역의 변위를 예측한다. 최대 변형률을 기준으로 구간을 나누어 보간한 변형률 결과는 Fig.
- 7과 같다. 해석을 통해 최대 변형률 발생 위치를 확인한 후, 최대 변형률 발생 위치를 고려하여 변형률을 측정한다. 최대 변형률을 기준으로 구간을 나누어 구간 별 변형률 3차 함수를 정의하고, 이후 기존 선형 변위 예측과 같이 전 구역의 변위를 예측한다.
- 후퇴각 45°, 끝단 하중의 조건으로 실험을 수행하였다.
- 12와 같으며 후퇴각 별 최대 변형률 발생 지점은 Table 4와 같이 각도가 커질수록 고정단 부분에서 멀어 짐을 확인하였다. 후퇴각에 따라 달라지는 최대 변형률 발생 지점을 기준으로 구간을 나누어 변형률을 보정하고 변위를 예측하였다. 후퇴각 55°에서의 변위 예측은 Fig.
- 후퇴각을 갖는 구조물의 후퇴각 변화에 따른 변위 예측의 가능성을 확인하기 위해 30°, 45°, 55°의 각도에서 끝단 스팬 기준 9% 굽힘 변형이 발생하도록 타원 분포 하중을 가하여 구조해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 논문에서는 복합재 후퇴익을 모사한 후퇴각을 가진 단순 보 평판을 복합재료(Carbon/Epoxy PW Prepreg)로 제작하여 연구 모델로 선정하였다. 평판에 스트레인 게이지를 부착하여 측정된 변형률로 복합재료 후퇴익의 정적 변위를 Ko[2]가 수행한 선형 변위 예측 이론을 통해 예측하였다.
- 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 후퇴각 45°의 1272 mm 스팬을 갖는 날개 방향 길이 900 mm, 폭 150 mm, [0/±45/90]s의 순서로 적층된 Carbon/Epoxy(T300/F155, Plain Weave, Hexcel) 복합재 평판을 연구 모델로 선정하였다.
이론/모형
- 변형률 측정 위치는 Table 2와 같다. MSC.PATRAN/NASTRAN 을 이용하여 유한요소 해석을 진행하였으며, 유한요소 모델은 2D Shell 요소(QUAD4)를 사용하였다. 한쪽 끝단을 6자유도 구속하고, 뒷전 900 mm 지점에서 스팬 대비 9%의 굽힘 변형(δtip)이 발생하도록 수직 방향으로 끝단 하중을 가하였다.
- 본 논문에서는 복합재 후퇴익을 모사한 후퇴각을 가진 단순 보 평판을 복합재료(Carbon/Epoxy PW Prepreg)로 제작하여 연구 모델로 선정하였다. 평판에 스트레인 게이지를 부착하여 측정된 변형률로 복합재료 후퇴익의 정적 변위를 Ko[2]가 수행한 선형 변위 예측 이론을 통해 예측하였다. 변위 예측의 오차를 줄이기 위해 다양한 후퇴각, 하중조건에서의 해석적 연구를 수행하여 후퇴익 형상의 변형 특성과 변형률 분포 파악하였다.
성능/효과
- 정확한 변위 예측을 하기 위해 복합재 후퇴익 평판의 변형률 경향을 파악하였다. 그 결과 동일한 후퇴각과 동일한 하중 형태에서는 변위에 관계없이 최대 변형률이 발생하는 지점이 일정하다는 것을 확인하였다.
- 11과 같다. 끝단 하중일 때와 같은 변형률 측정위치에서 측정한 변형률을 통해 변위를 예측하여도 정확한 변위 예측이 가능함을 확인하였다.
- 15와 Table 5와 같이 비교하였다. 비교 결과 전방 850 mm 지점의 보정 전/후 예측 변위의 오차는 2.77 mm에서 0.52 mm로 감소하였다. 또한, 후방 800 mm 지점에서의 보정 전/후 예측 변위의 오차는 5.
- 94 mm로 감소하였다. 전방, 후방 센싱라인에서 모두 오차가 감소함을 확인하였다.
- 최대 변형률이 발생하는 지점을 기점으로 구간을 나누어 변형률을 각각의 함수로 정의하는 경우 전 구간에서 유한요소 해석으로 계산한 변형률과 잘 일치하는 것을 확인 하였으며, 변위 예측 결과도 일치하는 것을 확인하였다. 다양한 하중 형태, 후퇴각에서도 구간을 나누어 변형률을 보간 하는 방법으로 변위를 예측하여 정확한 변위 예측을 하였다.
- 최대 변형률이 발생하는 지점을 기점으로 구간을 나누어 변형률을 각각의 함수로 정의하는 경우 전 구간에서 유한요소 해석으로 계산한 변형률과 잘 일치하는 것을 확인 하였으며, 변위 예측 결과도 일치하는 것을 확인하였다. 다양한 하중 형태, 후퇴각에서도 구간을 나누어 변형률을 보간 하는 방법으로 변위를 예측하여 정확한 변위 예측을 하였다.
- 후퇴각 55°에서의 변위 예측은 Fig. 13과 같으며 후퇴각이 변하여도 최대 변형률을 기준으로 구간을 나누어 변형률을 보정한 후 변위를 예측하면 변위 예측의 정확도를 향상 시킬 수 있음을 확인하였다.
후속연구
- 해석을 통해 변형률 센서의 위치와 개수를 선정하여 측정된 변형률을 구간을 나누어 구간별 함수로 정의하는 방법으로 복합재료를 사용한 평판의 다양한 하중과 후퇴각에서의 변위를 예측하였으며, 실제 복합재료를 사용한 후 퇴익 항공기 날개 정보의 정확성을 높이는데 활용될 것으로 기대한다.
- 향후 후퇴익의 전방, 후방의 변위 차를 이용하여 받음각 예측과 테이퍼진 복합재 후퇴익 평판의 변위 예측, 복합재 후퇴익의 동적 거동 예측 가능성을 고찰 할 것이다.
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