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[국내논문] 전개형 시저스 구조물의 동역학적 모델링 및 전개 완료 형상에 따른 강성 분석
Dynamic Modeling of Scissors Structure and Stiffness Analysis Based on Deployed Configuration 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.47 no.6, 2019년, pp.405 - 413  

김태현 (Department of Aerospace Engineering, KAIST) ,  서종은 (Department of Aerospace Engineering, KAIST) ,  한재흥 (Department of Aerospace Engineering, KAIST)

초록
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전개형 구조물은 크기와 모양의 변형이 가능하여 수납과 이동이 용이한 장점으로 인해 우주 임무에 많이 사용된다. 특히, 우주에서 사용되는 구조물들의 경우에는 운용과정에서 직면하는 다양한 외란들을 견디기 위하여 높은 구조 강성을 가지도록 설계되어야 한다. 특히 전개형 구조물의 경우, 구조 경량화를 위하여 얇고 가벼운 소재를 사용하는 경우가 많기 때문에 전개 과정에서 발생하는 내력이나 전개 완료 상태에서의 구조 강성 등에 대한 면밀한 분석이 수행되어야 한다. 본 논문에서는 전개형 구조물 중에서 널리 사용되는 시저스 구조물에 대해 동역학적 모델을 수립하고 전개 속도, 각 조인트에 걸리는 내력 등 전개 거동을 분석한다. 또한, 구조물의 전개 완료 형상에 따른 구조 강성 변화를 분석하기 위하여 1단과 2단 두 가지 형상에 대해 모드 해석을 수행하였으며, 저차 모드의 모드 형상고유 진동수 변화를 확인하고 변화의 원인을 고찰하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Deployable structures are widely used for space mission because of their advantages in storage and transportation coming from its transformability of configuration. The space structures should be designed with high stiffness to withstand the various types of disturbance that they encounter during op...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 반해, Timoshenko 보 이론은 전단 변형과 회전 관성 효과를 고려하여 좀 더 정확하다는 장점이 있지만 많은 변수를 포함하고 수식 역시 간단하지 않다고 알려져 있다[9]. 본 논문에서는 Euler-Bernoulli 보 이론을 이용하여 전개형 시저스 구조물의 전개 완료 형상에 따른 첫 번째 모드의 고유 진동수 변화에 대해 분석한다.
  • 본 논문에서는 전개형 시저스 구조물에 대해 동역 학적 모델을 수립하여 전개 속도 및 각 조인트에 걸리는 내력 등 전개 거동을 분석하였다. 또한, 전개 완료 형상에 따른 구조물의 강성 변화를 확인하기 위해 1, 2단 시저스 구조물에 대하여 전개를 단계적으로 나누어 각각에 대해 모드 해석을 수행하였다.

가설 설정

  • 1) 모든 부재는 동일한 제원을 가지는 강체이다.
  • 2) 각 조인트에서의 마찰은 무시한다.
  • 일반적인 보는 형상이 정해지면 강성 또한 정해지지만, 전개형 시저스 구조물의 경우에는 전개되면서 형상과 강성이 변한다. 따라서, 시저스 구조물은 전개에 따라 길이와 형상이 변하는 하나의 보라고 가정하였다.
  • 부재는 알루미늄 재질로 가정하였고 수납 상태를 의미하는 θ1 의 초기값은 85°, 최종적인 전개 상태일 때의 θ1 은 10°라고 가정하였다.
  • 시저스 구조의 한 유닛을 Fig. 9와 같다고 하였을 때, 전개 초기 각도 θ(0)는 85°로 설정하였고 이때의 길이를 L0 라 가정하였다.
  • 하나의 유닛은 총 4개의 부재로 이루어져 있고, 각 부재는 동일한 길이(2ι)로 그림과 같이 힌지로 연결되어 있다. 전개 구동력은 탄성 복원력을 모사하기 위하여 유닛 구조의 끝단에 용수철이 부착되어 있다고 가정하였다. 이때, 전개 구동력 F와 θ1 및 의 관계식을 통해 전개 속도, 각 조인트에 걸리는 하중 등 전개 거동을 분석하기 위해 각 부재를 분리하여 운동방정식을 유도하였다.
  • 9와 같다고 하였을 때, 전개 초기 각도 θ(0)는 85°로 설정하였고 이때의 길이를 L0 라 가정하였다. 전개 완료 형상은 총 11가지 경우로 나누어, 전개된 구조물의 길이를 nL 라고 한다면 n이 1부터 11까지 단계적으로 전개된다고 가정하였다. 즉, n=1일 때는 전개 길이가 가장 짧은 상태인 수납 상태를 의미하고, n=11일 때는 전개 길이가 가장 길게 전개된 상태라고 설정하여 모드 해석을 수행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
전개형 구조물이란 무엇인가 전개형 구조물은 크기와 모양의 변형이 가능한 구조물로서, 수납과 이동을 용이하게 하기 위해 사용된다[1,2]. 특히, 우주 관련 분야에서는 중량 대비 부피비를 크게 할 수 있다는 장점 때문에 안테나의 반사판, 태양전지판 등에 많이 활용된다[3-5].
전개형 구조물이 우주 관련 분야에서 활용되는 이유는 무엇인가 전개형 구조물은 크기와 모양의 변형이 가능한 구조물로서, 수납과 이동을 용이하게 하기 위해 사용된다[1,2]. 특히, 우주 관련 분야에서는 중량 대비 부피비를 크게 할 수 있다는 장점 때문에 안테나의 반사판, 태양전지판 등에 많이 활용된다[3-5]. 실제 우주 환경에서 사용되는 전개형 구조물은 궤도상에 올라가게 되면 수리 및 보수가 매우 어렵기 때문에 높은 신뢰성과 안정성이 요구된다.
실제 우주 환경에서 사용되는 전개형 구조물이 신뢰성과 안정성이 요구되는 이유는 무엇인가 특히, 우주 관련 분야에서는 중량 대비 부피비를 크게 할 수 있다는 장점 때문에 안테나의 반사판, 태양전지판 등에 많이 활용된다[3-5]. 실제 우주 환경에서 사용되는 전개형 구조물은 궤도상에 올라가게 되면 수리 및 보수가 매우 어렵기 때문에 높은 신뢰성과 안정성이 요구된다. 또한.
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참고문헌 (10)

  1. Fenci, G. E., and Currie, N. G., "Deployable Structures Classification: A Review," International Journal of Space Structures, Vol. 32, No. 2, 2017, pp. 112-130. 

  2. Suh, J. E., Jeong, S. Y., and Han, J. H., "A Two-Dimensional Modular Deployable Truss Structure with Bistability," Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 30, No. 3, 2019, pp. 335-350. 

  3. Sokolowski, W. M., and Tan, S. C., "Advanced Self-deployable Structures for Space Applications," Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 44, No. 4, 2007, pp. 750-754. 

  4. Lee, S. Y., Jeong, S. Y., Choi, Y. H., and Cho, K. D., "Mechanism Modeling and Analysis of Deployable Satellite Antenna," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 42, No. 7, 2014, pp. 601-609. 

  5. Miyazaki, Y., "Deployable Techniques for Small Satellites," Proceedings of the IEEE, Vol. 106, No. 3, 2018, pp. 471-483. 

  6. Puig, L., and Heo, K., "A review on large deployable structures for astrophysics missions," Acta Astronautica, Vol. 67, Jul-Aug. 2010, pp. 12-26. 

  7. Takatsuka, M., and Ohmori, H., "Dynamic Structural Analysis of Deployment of Scissors Structure in Space," International Journal of Space Structures, Vol. 28, No. 1, 2013, pp. 1-13. 

  8. Hernandez, M., and Carlos, H., Deployable Structures, M.S. Thesis, Massachusetts Institute of Technology, 1987. 

  9. Huang, T. C., "The effect of rotatory inertia and of shear deformation on the frequency and normal mode equations of uniform beams with simple end conditions," Journal of Applied Mechanics, Vol. 25, Dec. 1961, pp. 579-584. 

  10. Inman, D. J., Vibration with Control, John Willey & Sons, 2017. 

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