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[국내논문] 수치해석을 통한 민수용 헬리콥터의 조류충돌 인증 요구도 검증기법에 대한 연구
Study on Verification Methodology of Airworthiness Requirements for Bird Strike on Civilian Helicopter based on Numerical Analysis 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.6, 2019년, pp.70 - 79  

김동협 (국립한경대학교 기계공학과) ,  김상우 (국립한경대학교 기계공학과) ,  김현기 (한국항공우주연구원 항공연구본부) ,  김성찬 (한국항공우주연구원 항공연구본부) ,  신복균 (한국항공우주산업진흥협회 전략기획실)

초록
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매년 증가하는 항공기 조류충돌 사고는 현행 항공기 조류충돌 인증 요구도의 보완을 요구한다. 현재 미국과 유럽에서는 수치해석을 통해 조류충돌 요구도를 더욱 정밀하게 검증하는 방안을 검토 중이다. 한편 국토교통부에서 고시한 항공기 감항기준은 미국 연방항공청에서 제정한 감항기준에 준하여 작성되었다. 이는 국내 규정에서도 해석 기반의 조류충돌 요구도 검증 방안이 반영되어야 함을 의미한다. 본 논문에서는 한국항공우주산업(주)의 경찰청 헬리콥터 외부 보조연료탱크 조립체를 대상으로 유한요소 해석에 기반한 조류충돌 분석기법을 제안하였고, 해석 결과는 시험 결과에 상응하였다. 이에 따라 수치해석 기반의 분석기법과 절차가 조류충돌 요구도 뿐만 아니라, 나아가 다른 감항요건의 입증에도 폭넓게 활용되도록 제안하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The increase of bird strike requires to be amended more safely current airworthiness requirements for bird strike. The USA and Europe are considering the methodology to verify the bird strike requirements based on the finite element analysis (FEA). Meanwhile, the aircraft airworthiness standards in ...

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 한국항공우주산업㈜이 개발한 경찰청 헬리콥터 5호기에 장착된 복합재 외부 보조연료탱크 조립체를 대상으로 유한요소해석(FEA: Finite Element Analysis)에 기반한 조류충돌 분석을 수행하였다. 오일러-라그랑주 연성(CEL: Coupled Eulerian-Lagrangia n) 기법을 적용하여 연료탱크 내부에 채워진 액체 연료(liquid fuel)의 슬로싱(sloshing) 현상을 구현하였고, 입자완화 동역학(SPH: Smoothed Particle Hydrodyna mic) 방법을 이용하여 새의 충돌 거동을 모사하였다.
  • 한편 본 연구에서는 복합재 손상 모드에 따른 파손면적을 비교함으로써 복합재 파손에 지배적으로 영향으로 끼치는 손상모드를 평가하였다. Figure 4(a)에 나타낸 바와 같이 페어링의 파손 경향과 면적은 섬유 인장 손상 모드와 거의 상응하였다.
  • 이에 따라 미국과 유럽에서는 항공기의 조류충돌에 대한 구조 건전성을 확보하기 위해 수치해석 기술을 통해 조류충돌 요구도를 보다 정밀하게 검증하고 이를 감항 기준에 반영하는 방안을 검토 중이다. 본 논문에서는 국토교통부에서 규정하는 항공기 인증기준이 미국 FAA의 인증기준에 근간하여 작성되었음을 근거로 국내에서도 향후 해석 기반의 조류충돌 요구도 검증 방안이 반영되어야함을 제안하였다. 그 일환으로 한국항공우주산업㈜이 개발한 경찰청 헬리콥터 5호기의 복합재 외부 보조연 료탱크 조립체를 대상으로 FEA에 기반한 효율적인 조류충돌 분석기법을 제안하였다.
  • 본 논문에서는 국토교통부에서 규정하는 항공기 인증기준이 미국 FAA의 인증기준에 근간하여 작성되었음을 근거로 국내에서도 향후 해석 기반의 조류충돌 요구도 검증 방안이 반영되어야함을 제안하였다. 그 일환으로 한국항공우주산업㈜이 개발한 경찰청 헬리콥터 5호기의 복합재 외부 보조연 료탱크 조립체를 대상으로 FEA에 기반한 효율적인 조류충돌 분석기법을 제안하였다. 이때 CEL 기법을 통해 연료탱크에 채워진 액체 연료의 슬로싱 현상을 구현하였고, SPH 방법을 이용하여 새의 충돌 거동을 모사하였다.

가설 설정

  • Figure 3은 충돌해석에서 복합재 페어링과 복합재 연료탱크에 적용된 경계조건과 충돌체의 초기 속도를 보여준다. 페어링과 연료탱크를 Fig. 3과 같이 Tie 조건을 적용하여 서로 구속시켰고, 페어링을 지그(jig)에 고정된 것으로 가정하여 Eq. 5와 같이 공간상에서 6자유도를 구속하였다.
  • 2 lb)의 새(bird)와 충돌하여도 지속적인 비행이 가능하거나 안전한 착륙이 가능하도록 설계되어야 함을 요구하고 있다. 이에 따라 본 해석에서 충돌체의 질량을 1.0 kg으로 가정하였고, 젤라틴의 밀도를 고려하여 Fig. 2(e)와 같이 원통형 충돌체의 지름(88.7 mm)과 길이(177.5 mm)를 설정하였다. 또한 충돌체의 요소는 3차원 연속체 요소에서 SPH 기법을 적용하기 위해 입자 요소로 변환되었다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
현재 조류충돌 요구는 항공기의 어느 부위에 국한되어 있는가? 한편 조류충돌 요구도 검증 대상은 주로 항공기 엔 진, 날개, 그리고 윈드실드(windshield)에 국한되어 왔다[7]. 그러나 한국항공우주산업㈜이 개발한 경찰청 헬리콥터 5호기에는 비행거리를 증가시키기 위한 보조연료탱크가 외부에 장착된다.
본 논문에서 외부 보조연료탱크 조립체에 Hashin 파손 기준식을 적용하여 무엇을 분석하였는가? 또한 복합재로 제작된 외부 보조연료탱크 조립 체의 손 상모드별 파손을 예측하기 위해 Hashin 파손 기준식을 적용하였다. 이를 통해 조류충돌이 연료가 채워진 복합 재 외부 보조연료탱크 조립 체의 손상에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 연료의 누출 여부를 평가함으로써 연료탱크의 조류충돌에 대한 안전성을 검토하였다.
라그랑주(Lagrangian) 해석기법이란 무엇인가? 라그랑주(Lagrangian) 해석기법은 대상 모델을 연속 체 요소(element)로 구성하고 각 요소에 재료 물성을 적용하여 각 요소의 절점(node) 좌표와 시간에 따른 함수로 대상 모델의 거동을 정의하는 해석기법이다 [10]. 따라서 두 연속체 모델 사이의 거동이 보다 정확 하게 계산되므로 고체역학 분석에 주로 사용된다.
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참고문헌 (21)

  1. Ministry of Land, Infrastructure, and Transport, "Reports of bird strike accident 2010-2016," Sejong City, Republic of Korea, May 2016 

  2. R. A. Dolbeer, S. E. Wright, J. Weller, and M. J. Begier, "Wildlife strikes to civil aircraft in the United States 1990-2013," FAA Technical report, Office of Airport Safety and Standards, Washingtion D.C., Jan. 2014. 

  3. F. Faith, "Miracle on the Hudson' passenger to speak on Feb. 20," The Tullahoma News (https://tullahomanews.com/), Feb. 2019. 

  4. S. M. Lee, J. K. Hwang, and Y. K. Kim, "Bird strike requirements for helicopter and substantiation of Surion windshield," Proc. of Conf. The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Jeju-do, Republic of Korea, pp. 484-485, Nov. 2017. 

  5. M. L. Ugone, J. E. Meling, J. D Snider, N. J. Gause, and A. F. Carrey, "Acquisition: Fuel cells of the V-22 Osprey joint advanced vertical aircraft," Inspector General of the Department of Defense, Arlington, Oct. 2002. 

  6. M. Guida, F. Marulo, M. Meo, A. Grimaldi, and G. Olivares, "SPH-Lagrangian study of bird impact on leading edge wing," Composites Structures, vol. 93, no. 3, pp. 1060-1071, Feb. 2011. 

  7. K. Y. Lee, B. J. Yi, H. G. Chung, and C. K. Ryoo, "A study on certification procedures for aircraft parts manufacturer approval," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 42, no. 12, pp. 1073-1079, Dec. 2014. 

  8. D. H. Kim and S. W. Kim, "Numerical investigation of impact-induced damage of auxiliary composite fuel tanks on Korean Utility Helicopter," Composites, Part B: Engineering, vol. 165, pp. 301-311, May 2019. 

  9. D. H. Kim and S. W. Kim, "Evaluation of bird strike-induced damages of helicopter composite fuel tank assembly based on fluid-structure interaction analysis," Composite Structures, vol. 210, pp. 676-686, Feb. 2019. 

  10. D. J. Benson, "Computational methods in Lagrangian and Eulerian hydrocodes," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, vol. 99, no. 2-3, pp. 235-394, Sep. 1992. 

  11. J. H. Jo and Y. S. Lee, "Quantitative analysis of de bris clouds of aluminum plates with SPH," Proc. of Conf. The Society of CAD/CAM, Pyeongchang-gun, Republic of Korea, pp. 755-760, Jan. 2013. 

  12. R. A. Gingold and J. J. Monaghen, "Smoothed particle hydrodynamics: theory and application to non-spherical stars," Monthly Notices of The Royal Astronomical Society, vol. 181, no. 3, pp. 375-389, Dec. 1977. 

  13. Dassault, "Abaqus Analysis User's manual - Section 15.2.1," Abaqus 6.13 edition, Apr. 2013. 

  14. Z. Hashin, "Failure criteria for unidirectional fiber composites," Journal of Applied Mechanics, vol. 47, pp. 329-334, Jun. 1980. 

  15. Z. Hashin and A. Rotem, "A fatigue failure criterion for fiber-reinforced materials," Journal of Composite Materials, vol. 7, pp. 448-464, Oct. 1973. 

  16. X. Yang, Z. Zhang, J. Yang, and Y. Sun, "Fluid-structure interaction analysis of the drop impact test for helicopter fuel tank," Springerplus, vol. 5, no. 1, pp. 1573, Dec. 2016. 

  17. M. Y. Park, Y. J. Kim, J. H. Kim, S. Y. Jang, and C. Y. Park, "Bird strike test and result analysis for the safety design of aircraft structures," Proc. of Conf. The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Wonju-si, Republic of Korea, pp. 293-296, Apr. 2010. 

  18. J. S. Wilbeck, "AFMLTR-77-134: Impact behaviour of low-strength projectiles," Technical report Air Force Materials Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base, State of Ohio, Jul. 1978. 

  19. N. Nanami and O. O. Ochoa, "Damage assessment of a large-scale hybrid composite wind turbine blade," Journal of Mechanical Engineering and Automation, vol. 6, no. 5, pp. 117-127, 2016. 

  20. H. G. Kim and S. C. Kim, "A numerical study on the influence of the amount of internal fuel in a bird strike test for the external auxiliary fuel tank of rotorcraft," International Journal of Crashworthiness, pp. 1-15, Dec. 2017. 

  21. P. Kumar and B. Rai, "Delaminations of barely visible impact damage in CFRP laminates," Composite Structures, vol. 23, pp. 313-318, 1993. 

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