[논문]회전익 항공기용 주 로터 작동기에 대한 손상허용 평가 연구

박주원; 정정래

doi:10.20910/jase.2020.14.s.1

회전익 항공기용 주 로터 작동기에 대한 손상허용 평가 연구
A Study on Flaw Tolerance Evaluation of a Main Rotor Actuator for Rotorcraft 원문보기

항공우주시스템공학회지 = Journal of aerospace system engineering, v.14 no.spc, 2020년, pp.1 - 6

박주원 (한국항공우주산업(주)) , 정정래 (한화에어로스페이스(주))

초록
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미국 연방항공규정(FAR) §29.571 Amendment 55에서 다루고 있는 손상허용 평가 내용은 2012년에 개념 정립이 되었다. 최근 정립된 개념임에 따라 손상허용 평가 개념을 도입하여 입증 절차를 수행한 이력이 많지 않다. 본 논문은 회전익 항공기에서 주요 구조 요소(PSE; Principal Structure Element)로 분류된 주 로터 작동기 개발품을 FAR §29.571 요건의 손상허용 평가를 바탕으로 인증을 위해 수행한 일련의 과정 및 평가 방법들을 소개하고자 한다. 주 로터 작동기는 초기결함을 생성한 후 설계 목표수명의 2배수에 해당하는 손상허용 시험을 수행하였다. 이를 바탕으로 회전익 항공기 주 로터 작동기는 충분한 손상허용능력을 확보하고 있음을 입증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The flaw tolerance evaluation requirement prescribed in Federal Aviation Regulation (FAR) §29.571 Amendment 55 was established in 2012. As a result, there are not many datas of flaw tolerance evaluation. This paper introduces the series of processes and evaluation methods carried out for certification based on the flaw tolerance evaluation. An initial flaws were artificially formed on the main rotor actuator and then the damage tolerance test was performed, which was twice life time of design requirements, to demonstrate that the main rotor actuator of the rotorcraft is sufficiently capable of flaw tolerance.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Crack Size Growth Curve
그림 Fig. 2 Main Rotor Actuator
그림 Fig. 3 Load Path with Hydrualic Fluid
표 Table 1 Flaw Size Criteria to be replaced
그림 Fig. 4 Structure Analysis Result of Component
그림 Fig. 5 Fatigue Crack Propagation Stages
표 Table 2 Load Spectrum for Test
그림 Fig. 6 Stress Analysis Result of Piston
그림 Fig. 7 Stress Analysis Result of Cylinder
그림 Fig. 8 Initial Flaw of Piston
그림 Fig. 9 Initial Flaw of Cylinder
그림 Fig. 10 Measurement of Initial Flaw
그림 Fig. 11 Installation on Test Equipment
그림 Fig. 12 Loading Condition for Test
그림 Fig. 13 Raw data for Test
그림 Fig. 14 Fluorescent Penetrant Inspection Result of Initial Flaw of Piston (Post Test)
그림 Fig. 15 Fluorescent Penetrant Inspection Result of Initial Flaw of Cylinder (Post Test)
표 Table 3 Results of Fluorescent Penetrant Inspection

AI 본문요약
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가설 설정

5)한다[6]. 손상허용 해석 수행을 위한 평가 위치 선정은 가공 및 운용 중 결함이 발생할 가능성이 높은 외부 노출부 중 고 응력 부에 대하여 초기 결함을 가정하였다.
주 로터 작동기는 균열 개시(crack initiation) 구간 까지만 운용함을 초기에 가정하고 결함 성장부터 파손 (failure)까지의 허용성(tolerance)은 운용조건에서 배제하였다. 즉, 균열 개시(crack initiation)가 끝나는 지점까지를 주 로터 작동기의 운용수명으로 정하였다.

제안 방법

매 블록의 시험을 마치고 결함 부위에 대하여 형광 침투 검사를 실시하였다. 16개의 블록 시험을 진행하는 동안 Table 3과 같이 결함 성장은 확인되지 않았 다.
해석적으로 결함이 성장 하지 않음을 확인 후 해석시 결함을 적용한 부위에 동일한 결함을 시험체에 적용하여 시험을 수행하였다.시험은 설계목표 수명의 2배수에 해당하는 비행하중 스펙트럼을 적용하여 수행하였으며 시험 완료 후 결함 부위를 형광 침투 검사하여 결함 성장 여부를 확인하 였다. 그 결과, 해석과 동일하게 결함은 성장하지 않음을 시험으로 확인하였다.
571에서 언급하는 손상 허용성을 입증하기 위해 손상허용 해석과 시험을 수행하였다. 응력 해석을 통해 주 로터 작동기 부품 중 외부에 노출되고 응력이 높은 두 곳을 선정하였으며, d = 0.5 mm인 반원의 결함을 적용하여 손상허용 해석을 수행하였다. 해석적으로 결함이 성장 하지 않음을 확인 후 해석시 결함을 적용한 부위에 동일한 결함을 시험체에 적용하여 시험을 수행하였다.
5 mm인 반원(semicircular)의 형상을 가진 초기 결함을 생성하였다. 이때 원하는 형상의 결함을 정확하게 구현하기 위해, 초기 결함 위치 주변의 도금 및 페 인트 제거 작업을 수행하였다.
비행 하중 스펙트럼은 주 로터 작동기와 동급의 제품이 적용되는 회전익 항공기의 하중 스펙트럼을 적용하였다. 이를 16개의 블록으로 나누어 구성하였으며, 단주기 반복하중의 하중인가 속도는 로터 회전 속도에서 블레이드 개수 5/rev을 적용한 28 Hz로 설정하였고, 저주파 반복하 중의 하중인가 속도는 관련 규격에 규정되지 않았으 나, 시험 수행을 위해 1 Hz로 설정하였다.
전체 시험 하중 스펙트럼을 동일한 조건의 16개 블록으로 분할하여 매 블록의 시험이 끝날 때마다 초기 결함 부위에 대하여 형광 침투 검사를 실시하였고, 결함은 성장하지 않았다.
주 로터 작동기는 FAR §29.571 요건에서 언급하는 손상 허용성을 입증하기 위해 피로해석 및 입증시험을 수행하였다.
571 요건에서 언급하는 손상 허용성을 입증하기 위해 피로해석 및 입증시험을 수행하였다. 주 로터 작동기에 초기 결함을 인위적으로 생성 후 시험을 수행하였다. 피로평가의 방법은 수명 피로 개념(life fatigue method)을 적용하였고, 초기 결함이 적용된 상태로 수명 피로 시험(life fatigue test)을 수행하였다.
주 로터 작동기는 균열 개시(crack initiation) 구간 까지만 운용함을 초기에 가정하고 결함 성장부터 파손 (failure)까지의 허용성(tolerance)은 운용조건에서 배제하였다. 즉, 균열 개시(crack initiation)가 끝나는 지점까지를 주 로터 작동기의 운용수명으로 정하였다.
초기 결함의 크기는 실제 항공기에서 발생할 수 있는 결함의 크기를 고려하여 모든 결함의 크기보다 더 큰 크기이며, 비파괴검사(NDI; Non Destructive Inspection)로 관찰이 가능한 d = 0.5 mm의 반원 (semicircular)의 형상으로 적용하였다[3]. 항공기에서 발생할 수 있는 결함의 크기는 주 로터 작동기가 적용 되는 회전익 항공기와 동급 항공기의 정비 절차(Table 1)를 참고하였다.
하중 스펙트럼 16개 블록의 모든 시험이 종료되고주 로터 작동기를 분해하여 초기 결함이 있는 피스톤과 실린더를 대상으로 형광 침투 검사를 실시하였다.그 결과, 피스톤과 실린더의 초기 결함이 모두 성장하지 않았음을 확인하였다.
5 mm인 반원의 결함을 적용하여 손상허용 해석을 수행하였다. 해석적으로 결함이 성장 하지 않음을 확인 후 해석시 결함을 적용한 부위에 동일한 결함을 시험체에 적용하여 시험을 수행하였다.시험은 설계목표 수명의 2배수에 해당하는 비행하중 스펙트럼을 적용하여 수행하였으며 시험 완료 후 결함 부위를 형광 침투 검사하여 결함 성장 여부를 확인하 였다.
시험체를 시험장비에 장착하고 유압 호스를 연결하 였다. 호스를 연결 후 유압유에 압력을 넣어 작동기를 최대 행정으로 25회 반복하여 실린더 내부에 유압유를 채우고 내부에 있던 공기들을 배출시켰다. 내부에 있는 공기를 모두 배출한 후에 작동기를 고정하고 정상 유압 압력을 공급하여 하중 경로가 형성될 수 있도록 해주었다.
회전익 항공기용 주 로터 작동기의 FAR §29.571에서 언급하는 손상 허용성을 입증하기 위해 손상허용 해석과 시험을 수행하였다.

대상 데이터

주 로터 작동기는 Fig. 2 와 같이 피스톤과 실린더로 구성되어 하중을 전달하는 단일 하중 경로 구성품으로 재질은 스테인리스강(stainless steel, 17-4 PH)이 사용되었다.
초기 결함의 위치는 외부에 노출이 된 부분 중 응력 구조해석 결과로 응력이 가장 높은 피스톤의 중앙부근과 실린더 옆면 중앙부근 두 곳으로 선정하였다(Fig.4).

데이터처리

항공기 생산 및 운용, 유지보수 기간 중 발생할 수 있는 결함에 대한 결함성장 발생 여부를 평가하여 결함 성장이 시작하는 하한계 응력확대계수(K th: Threshold Stress Intensity Factor) 값과 비교하였다 [5]. 만약 계산된 응력확대계수(K_I) 값이 하한계 응력 확대계수보다 클 경우 결함성장 속도 평가를 수행(Fig.

이론/모형

주 로터 작동기에 초기 결함을 인위적으로 생성 후 시험을 수행하였다. 피로평가의 방법은 수명 피로 개념(life fatigue method)을 적용하였고, 초기 결함이 적용된 상태로 수명 피로 시험(life fatigue test)을 수행하였다. 이를 통해 주 로터 작동기의 손상 허용성이 입증된 수명을 확인하였다.

성능/효과

하중 스펙트럼 16개 블록의 모든 시험이 종료되고주 로터 작동기를 분해하여 초기 결함이 있는 피스톤과 실린더를 대상으로 형광 침투 검사를 실시하였다.그 결과, 피스톤과 실린더의 초기 결함이 모두 성장하지 않았음을 확인하였다.
시험은 설계목표 수명의 2배수에 해당하는 비행하중 스펙트럼을 적용하여 수행하였으며 시험 완료 후 결함 부위를 형광 침투 검사하여 결함 성장 여부를 확인하 였다. 그 결과, 해석과 동일하게 결함은 성장하지 않음을 시험으로 확인하였다. 위의 손상허용 평가를 통해 회전익 항공기용 주 로터 작동기가 FAR §29.
위의 손상허용 평가를 통해 회전익 항공기용 주 로터 작동기가 FAR §29.571에서 규정하는 손상 허용성 능력을 확보하고 있음을 확인하 였다.

참고문헌 (7)

Federal Aviation Administration, "FAR $\S$ 29.571 Fatigue Tolerance Evaluation of Metallic Structure", Amendment 29-55, Washington D.C, Jan. 2012.
G. Marquis and J. Solin, "Fatigue Design and Reliability", Elsevier Science Ltd., Oxford, UK, 238 pages, Jan. 1999.
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Department of the Navy, "MIL-A-8867C: Airplane Strength and Rigidity Ground Tests", Defense Logistics Agency, Virginia, USA, 50 pages, Jun. 1987.
A. J. McEvily, "ASM Handbook Volume 19: Fatigue Crack Threshold", ASM International, Geauga County, USA, pp. 134-152, 1996.
L. M. Tudose and C. O. Popa, "Stress Intensity Factors Analysis on Cracks in the Hertzian Stresses Field of Teeth Gears", Proc. of the 10th International Conference on Tribology, Bucharest, Romania, pp. 1-8, Nov. 2007.
T. L. Anderson, "Fracture Mechanics: Fundamentals and Applications", CRC Press, Boca Raton, USA, 640 pages, May 2004.

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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