[논문]응답해석을 이용한 고속비행체의 비행진동규격 연구

황동기; 송오섭

doi:10.9766/kimst.2018.21.6.723

[국내논문] 응답해석을 이용한 고속비행체의 비행진동규격 연구
A Study on the Flight Vibration Specification of High Speed Vehicle using Response Analysis 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.6, 2018년, pp.723 - 730

황동기 (국방과학연구소 제1기술연구본부) , 송오섭 (충남대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

A well-designed flight vibration specification enables the optimum weight design of the Surface-to-Air or Air-to-Air Missile, improves the maneuverability of the flight vehicle, improves the engagement of target, and increases the price competitiveness of the components and the missile system. Conventional flight vibration specifications are used by using a somewhat higher standard as suggested in MIL-STD-810C, or based on accumulated data from developed similar missile systems. In this study, we confirmed the validity of FEA response analysis by comparing response data obtained by FEA and response data of real product. Also we proposed that each specification that reflects the structural characteristics of the place where the components are mounted is required instead of verifying all the components by a single flight vibration specification.

주제어

표/그림 (25)

그림 Fig. 1. General procedure for response PSD in most FEM codes
그림 Fig. 2. An object of study
표 Table 1. Properties of study object
그림 Fig. 3. Configuration for a axial test
그림 Fig. 4. Excited force and measured acceleration(axial test)
그림 Fig. 5. Configuration for a bending test
그림 Fig. 6. Excited force and measured acceleration(bending test)
그림 Fig. 7. FE beam/shell/solid model
그림 Fig. 8. The test results
그림 Fig. 9. Components motion(test results)
그림 Fig. 10. Bending mode shape(using accelerometers attached on housing)
그림 Fig. 11. Bending mode shape(using all accelerometers)
표 Table 2. Data measured from the axial test
표 Table 3. Applied damping ratio
그림 Fig. 12. The FEA results
그림 Fig. 13. Grms of components(C1, C2, C3)
그림 Fig. 14. Grms of measured and analyzed results
그림 Fig. 15. Frame and measured points for components
표 Table 4. Data obtained from FEA(axial)
그림 Fig. 16. Proposed flight vibration spec. for C1
그림 Fig. 17. Proposed flight vibration spec. for C2
그림 Fig. 18. Proposed flight vibration spec. for C3
그림 Fig. 19. Comparison of proposed flight vibration spec.
그림 Fig. 20. Grms of proposed flight vibration spec.
표 Table 5. Proposed spec. by analyzed data(g²/Hz)

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 FE(Finite Element) 응답해석을 통한 유도탄 탑재 구성품 각각에 대한 비행진동규격 설정방안을 제시하고 시험 결과와 비교를 수행하여 유효함을 확인하였다. 유도탄 동체의 형상, 탑재 위치 및 체결 방법에 따라 진동 응답은 다양하게 나타날 수있으므로, 기존의 단일 시스템 비행진동규격에 따른 접근은 일부 구성품에는 과한 규격이 되어 과설계를 이끌 수 있다.
본 연구에서는 실제 제작된 유도탄 전방부를 이용한 자유-자유 조건의 랜덤 가진 시험을 통해 얻어진 데이터와 FE 모델을 이용한 랜덤 응답 해석 데이터의 비교를 통해 대공유도탄의 비행진동규격 작성 안을 제시하였다.

제안 방법

혼합 요소 모델은 Table 1을 따르는 물성치를 기준으로 작성되었다. 그러나 관심 영역, 즉 응답해석 대상 구성품은 쉘 모델로, 구성품들을 서로 연결해 주는 프레임(Frame)은 솔리드 모델로, 프레임을 외부에서 보호하는 동체(Housing)는 쉘 모델로 작성하였고, 관심영역 밖은 보 모델을 이용하여 구성하였다.
또한 동체 외부(양쪽면)에 가속도계(B&K 4507-B -004, Accelerometer_2, 1면 5개)를 부착하여 시험체의 모달 파라메터(고유진동수, 모드형상)를 추출하고, 를 FEA 굽힘모드 결과와 비교하여 FE 모델과의 유사성을 확인하였다.
2를 이용하여 구성하고, NX Solver를 이용하여 랜덤응답해석을 수행하였다. 모델은 집중질량(Lumped mass), 보(Beam), 쉘(Shell) 및 솔리드(Solid)로 이루어진 혼합모델을 구성하여 연구 대상의 모달 파라메터(Natural frequency, Mode shape) 및 각 구성품에 대한 응답을 계산하였다.
본 연구에서는 기존의 일반적 규격 생성 방법을 적용하여 Envelop을 생성하고, Grms(G Root Mean Square)의 비교를 통해 각 구성품의 규격 가혹도를 비교하였다.
응답해석에서 가속도 크기는 댐핑(Damping)을 어떤 값을 사용하는지에 따라 크게 좌우된다. 본 연구에서는 실제 대공유도탄의 모달시험(Modal test)을 통해 얻어진 댐핑을 사용하여 응답해석을 수행하였고, 이로부터 계산된 가속도 크기는 시험치와 유사한 값을 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 연구 대상에 대해 시험적 방법 및 FEA 방법을 수행하였고, FEA 결과의 타당성을 확인하기 위해 시험에서 계측된 데이터를 입력으로 하여 결과를 비교하였다.
즉, 출력측 스펙트럴 밀도 함수는 주파수 응답 함수(FRF, Frequency Response Function)의 진폭의 제곱에 가진력에 대한 스펙트럴 밀도 함수를 곱한 것과 같다.본 연구에서는 입력측에 시험에서 계측된 가속도의 PSD(Power Spectrum Density, g²/Hz)를 입력으로 사용하여 출력측 가속도 응답(PSD)을 계산하였다.
5). 이때 관심 대상 구성품(C1,C2, C3)에 가속도계(PCB 356A02, Accelerometer_1)를 부착하여 응답을 측정하고, FEA 응답해석과 비교하였다. 가진 힘 및 가진 힘 옆에 부착된 가속도계(B&K 4507-B-004)의 계측 결과(가속도, PSD)는 Fig.
Piersol^[8]은 여유치의 수준을 랜덤 과정^[9]을 통한 확률적 접근 방법을 택했다. 즉, 규격 작성을 위해 획득된 데이터는 대상 장비가 겪어야 될 모든 상황을 고려해서 얻어진 데이터가 아니므로, 획득된 자료의 표준편차를 2~3배 취한 후 더해줌으로써 불확실성이 해소되는 비행진동규격이 되도록 하였다.

대상 데이터

7의 FE 모델을 이용한 랜덤응답해석(Random response analysis)을 수행하였으며, 응답해석 시 입력되는 댐핑비(Damping ration, ζ)는 Table 3과 같다. 댐핑비는 기존 유사 유도탄 모달시험(Modal test)에서 획득한 데이터로, 황동기 등[2]에서 사용된 값을 사용하였고, 제시된 댐핑비는 대공유도탄의 무게 최소화 설계에 기인하여 200 Hz 이하에서 유사하게 측정된다.
본 논문에 사용된 연구 대상은 대공유도탄 전방부 조립체로, 추력을 발생시키는 추진기관을 제외한 전자부품이 조립된 구성품(Component)과 구성품을 구조적으로 지지해 주는 동체(Housing)로 이루어졌다. 전방부조립체는 4개 연결부(Section)로 조립되고, 각 연결부는 나사 체결되며(Fig.
시험 대상은 자유-자유 경계조건(Free-free condition)을 모사하기 위하여 전/후방에 번지케이블(Bungee cable) 이용 거치 후, 후방과 측면에서 가진기(Shaker, B&K Type 4826)로 랜덤 힘(Random force, 2KHz)으로 가진시킨다(Fig. 3, Fig. 5).

데이터처리

FE는 NX I-DEAS 6.2를 이용하여 구성하고, NX Solver를 이용하여 랜덤응답해석을 수행하였다.
FE 모델에 의한 자유진동 해석 시 1차 굽힘모드는 119 Hz, 2차 굽힘모드는 266 Hz로 계산되었고, 종진동은 349 Hz로 계산되었다. 시험과 FEA 결과는 굽힘모드 2차에서 11 Hz(약 3.9 %) 오차가 발생했으나, 제시된 모델을 사용한 축 진동 응답해석을 수행하여 결과를 시험데이터와 비교하였다.

이론/모형

Fig. 7의 FE 모델을 이용한 랜덤응답해석(Random response analysis)을 수행하였으며, 응답해석 시 입력되는 댐핑비(Damping ration, ζ)는 Table 3과 같다.

성능/효과

따라서 기존 유사 시험 계측데이터의 보정, M&S(Modeling and Simulation) 기법 적용 등을 통한 최적화된 시험 규격의 생성이 필요하며, 이로부터 필요 이상 과설계에 따른 개발 기간 및 비용 증가 등을 억제할 수 있다.
4N(peak-to-peak) 랜덤 가진을 수행하였지만, 실 비행환경은 추진기관(Motor) 연소에 따른 추력 진동, 구동장치(Actuator) 조종날개의 작동력과 공력 변화력, 초음속 비행에 따른 동체 표면의 공력 변화 등[2]에 따라 수 백 ~ 수 천 N(Force)이 작용된다. 유도탄 설계 시 상기의 외력은 예측 가능하므로 유도탄 구성품에 대한 FE 응답해석 결과와 2.2항에서 제시한 방안을 이용하여 각 구성품에 적용할 규격 제시가 가능하다.
일반적으로 사용되는 비행진동규격 설정 방법으로 본 연구에서 도출된 데이터를 이용한 규격 설정 시각 구성품 간의 Grms 크기는 최대 220 % 차이(C2/C3)가 발생함을 확인하였다. 즉 1개의 대표 규격을 이용하여 시스템 구성품들의 환경을 검증하는 것은 공학적 측면에서 타당하지 않다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	유도탄 비행진동규격에 대한 최적화된 시험 규격의 생성이 필요한 배경은 무엇인가?	보통 유도탄 환경규격은 MIL-STD-810(현재는 MILSTD-810G Change 1)을 따른다. 그러나 유도탄 비행진동규격에 관해서 MIL-STD-810C[1]까지는 다소 과한 규격일지라도 제시하고 있으나, 이후 버전부터는 규격을 제시하지 않고 사용자가 실제로 계측하여 규격을 제정하여 사용하는 것을 권고하고 있다. 그러나 우리나라와 같은 협소한 시험장에서 안전성을 담보로 시험규격 설정을 위해 수 회 시험을 수행하는 것은 받아들이기 어려울 뿐만 아니라, 개발 예산의 증가로 인해 사업 수행을 어렵게 만든다. 따라서 기존 유사 시험 계측데이터의 보정, M&S(Modeling and Simulation) 기법 적용 등을 통한 최적화된 시험 규격의 생성이 필요하며, 이로부터 필요 이상 과설계에 따른 개발 기간 및 비용 증가 등을 억제할 수 있다.
	대공유도탄(Surface-to-Air/Air-to-Air Missile)은 어떤 특성을 갖는가?	대공유도탄(Surface-to-Air/Air-to-Air Missile)은 기동성(Maneuvering)이 뛰어난 표적(항공기, 유도탄, 무인기등)과의 교전을 위해서 그 보다 더 빠른 기동 특성을 갖는다. 이에 따라 현재의 대공유도탄은 더 빠른 기동력, 더 긴 사거리, 그리고 저가화 등을 추구하고 있다.
	대공유도탄의 종합 성능이 향상될 수 있도록 무엇을 감소시켜야 하는가?	이에 따라 현재의 대공유도탄은 더 빠른 기동력, 더 긴 사거리, 그리고 저가화 등을 추구하고 있다.여기서 기동력과 사거리는 유도탄 무게 항으로 표현되며, 결국 탑재 중량이 적을수록 설계 자유도가 높아지며 대공유도탄의 종합 성능이 향상된다.

참고문헌 (11)

MIL-STD-810C, "Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests," 514.2-36, 1975.
D. K. Hwang and O. S. Song, “A Study on Making Flight Vibration Specification of High Speed Vehicle,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 34, No. 9, pp. 591-596, 2017.
S. H. Choi, “Flight Environment Simulation Test for Reliability Improvement of Precise Guided Missile,” J. Korean Soc. Precis. Eng., Vol. 33, No. 10, pp. 781-787, 2016.
C. Y. Yang, "Random Vibration of Structures," John Wiley & Sons, Inc., U.S.A., pp. 135-136, 1985.
NX I-DEAS 6.2, Help Library(Durability and Response Analysis)
SDRC I-DEAS, "Dynamics Analysis with I-DEAS," A Course Presented by SDRC(Advanced Test and Analysis), Day 2, U.S.A., pp. 82-86, 2000.
T. Irvine, "Enveloping Data via the Vibration Response Spectrum," http://www.vibrationdata.com/VRS.htm (Accessed July 19, 2018)
A. G. Piersol, “The Development of Vibration Test Specifications for Flight Vehicle Components,” Journal of Sound and Vibration, Vol. 4, No. 1, pp. 88-115, 1966.

상세보기
J. S. Bendat and A. G. Piersol, "Random Data," John Wiley & Sons, Inc., U.S.A., pp. 1-247, 2010.
T. Irvine, "An Introduction to the Vibration Response Spectrum," Revision D, http://www.vibrationdata.com /tutorials2/vrs.pdf (Accessed July 19, 2018)
B. K. Das and P. Kumar, "Tailoring of Specifications for Random Vibration Testing of Military Airbone Equipments from Measurement," IJRET, Vol. 04, Issue 12, pp. 293-299, 2015.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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