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비행체 하중을 고려한 항공기용 센서 포드의 피로수명 예측
Fatigue Life Prediction of Sensor Pod for Aircraft Considering Aircraft Loads 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.13 no.3, 2019년, pp.32 - 39  

조재명 (고려대학교 대학원 기계공학과) ,  장준 (고려대학교 대학원 기계공학과) ,  최우천 (고려대학교 기계공학부) ,  배종인 (한화시스템)

초록
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항공기 외부에 장착되어 전술임무에 사용되는 센서 포드는 운용기간 동안 예상되는 하중 스펙트럼에 대한 피로수명이 확보되어야 한다. 센서 포드와 같은 임무장비는 해석의 효율성을 고려하여 동적 진동 환경조건을 적용한 주파수 영역의 피로수명 예측방법이 선호되어 왔다. 본 논문에서는 실제 비행체 하중 스펙트럼을 고려하여 정적 및 동적 하중에 의한 응력을 합성한 주파수 영역에서의 피로수명 예측방법을 제안하였다. 기존 해석방법과 비교한 결과 제안된 해석방법은 피로수명이 보수적으로 예측되었다. 그리고 제안된 방법으로 해석한 결과 설계된 센서 포드는 피로수명 요구조건을 만족하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Sensor pods mounted on the exterior of the aircraft used for tactical missions should have a fatigue life based on the expected load spectrum during operation. For mission equipment such as the sensor pod, the frequency fatigue life prediction method which applies the dynamic vibration environment c...

주제어

표/그림 (11)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 개발단계의 항공기용 센서 포드에 대하여 비행체의 준 정적 하중과 동적 하중에 의한 응력을 합성하여 보다 보수적인 주파수 영역의 피로수명 예측방법을 제시하고 기존의 방법과 비교하여 피로수명을 예측하였다.
  • 항공기 외부에 장착되어 다양한 하중조건에 반복적으로 노출되는 센서 포드는 설계 단계에서의 피로 내구성 확보가 중요하다. 본 논문에서는 유한요소모델기반의 주파수 영역 피로해석을 통해 센서 포드의 피로수명을 보수적으로 예측하였으며, 요구수명을 만족함을 확인하였다. 정확한 피로수명의 예측을 위해 향후 본 제품의 제작과 함께 시험을 통한 비교분석 역시 필요하다고 판단된다.

가설 설정

  • 그리고 Eq. 1과 같이 누적된 피로손상도의 합이 1을 넘으면 피로 파괴에 이른다고 가정하여 Eq.2와 같이 구조물의 피로수명을 예측한다.
  • Miner 법칙은 피로내구한도(endurance limit) 이상의 각 응력들은 구조물에 영구적 손상을 가하며, 특정 응력에서 반복수 ni와 그에 상응하는 수명Nt 의 비율로 피로 손상도 Dt 를 갖는다고 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
시간 영역의 피로해석의 장점은? 시간 영역의 피로해석은 시간에 따른 구조물 응답응력을 직접 집계하여 손상을 계산하므로 정확한 예측이 가능하다는 장점이 있다. 반면에 적절한 통계적 대표값 적용을 위해 충분히 긴 시간 동안의 응답 이력이 필요하다는 점과, 방대한 데이터로 인해 유한요소모델기반의 해석에서 비실용적일 수 있다는 단점이 있다.
조물의 피로수명 예측을 위해 사용되는 방법은? 일반적으로 구조물의 피로수명 예측을 위해 시간 영역의 피로해석 방법과 주파수 영역의 피로해석 방법이 사용된다. 시간 영역의 피로해석은 시간에 따른 다양한 진폭의 응력을 레인플로우 집계(Rainflow counting)기법을 통해 집계하고, 이를 해당 재료의 응력-수명선도(S-N curve)와 Miner 법칙(Miner's rule)을 이용해 피로수명을 예측한다[5-7].
센서 포드(sensor pod)가 피로파괴에 노출되는 원인은? 항공기의 외부에 장착되어 다양한 임무를 수행하는 전술용의 센서 포드(sensor pod) 또한 탑재체인 비행체의 운용과 함께 유사한 하중에 노출된다. 따라서 포드 주 구조에 작용하는 하중은 항공기의 운용주기 동안에 반복적으로 작용하여 피로파괴를 초래할 수 있으므로 이에 대한 분석이 필히 수행되어야 한다.
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참고문헌 (20)

  1. Fedral Aviation Regulation Part 25, Airworthiness Standards, Transport Category Airplanes, FAA, 1968. 

  2. MIL-STD-1530A, Aircraft Structural Integrity Program, Airplane Requirments, 11 Dec. 1975. 

  3. MIL-STD-810G, Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests, Department of Defense Test Method Standard, 31 Oct. 2008. 

  4. NATO AECTP 400, Mechanical Environmental Tests, NATO AECTP 400, Ed 3, Jan. 2006 

  5. M. Matsuishi and T. Endo, "Fatigue of metals subjected to varying stress," Japan society of mechanical engineers, 1968. 

  6. A. Palmgren, "Durability of Ball Bearings," VDIZeitschrift, vol. 68, no. 14, pp. 339-341, 1924 

  7. M. A. Miner, "Cumulative Damage in Fatigue," Journal of Applied Mechaic, vol. 12, pp. A159-A164, 1945 

  8. H. Andrew and K. Frederic, "Rainflow cycle counting and acoustic fatigue analysis techniques for random loading," 10 International Conference RASD, Southampton, July 2010. 

  9. M. Mrsnik, J. Slavic and M. Boltezar, "Frequency-domain methods for a vibration-fatigue-life estimation - Application to real data," International Journal of Fatigue, vol. 47, pp. 8-17, 2013. 

  10. H. S. Jung, K. S. Kim, J. S. Kim and S. W. Lee, "Fatigue Life Evaluation in Frequency Domain of aircraft Equipment Exposed to Random Vibration," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, vol. 45, no. 8, pp. 627-628, 2017 

  11. A. Halfpenny, "Accelerated Vibration Testing Based on Fatiue Damage Spectra," nCode International, 230 Woodbourn Road, Sheffield S9 3LQ, UK 

  12. NRTO, Aging Aircraft Fleets: Structural and Other Subsystem Aspects, 2000 

  13. S. O. Rice, "Mathematical Analysis of Random Noise," Selected Papers on Noise and Stochastic Processes, Dover, New York, 1954. 

  14. D. E. Newland, An Introduction to Random Vibrations, Spectral & Wavelet Analysis. Longman Scientific & Technical, 1993. 

  15. K. Shin and J. K. Hammond, Fundamentals of signal processing for sound and vibration engineers. John Willey & Sons, Ltd, 2008. 

  16. John W. Miles, "On Structural Fatigue Under Random Loading", Journal of the Aeronautical Sciences, vol. 21, no. 11, pp. 753-762, 1954 

  17. D. S. Steinberg, "Vibration Analysis for Electronic Equipment," John Wiley & Sons, 3rd edition, USA, 2000. 

  18. T. Dirlik, "Application of computers in Fatigue Analysis", Ph.D. Thesis, University of Warwick, 1985. 

  19. J. Goodman, Mechanics applied to engineering, Longman, Green & Co, 1954. 

  20. MIL-HDBK-5J, Metallic materials and elements for aerospace vehicle structures, Department of Defense handbook, USA, 2003. 

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