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능동 진동 제어 시스템을 이용한 UH-60A 헬리콥터 기체의 진동 감소 시뮬레이션
Vibration Reduction Simulation of UH-60A Helicopter Airframe Using Active Vibration Control System 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.48 no.6, 2020년, pp.443 - 453  

이예린 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  김도영 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  김도형 (Aeronautics Technology Research Division, Korea Aerospace Research Institute) ,  홍성부 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) ,  박재상 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University)

초록
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대표적인 기동 헬리콥터인 UH-60A의 기체 진동응답을 감소시키고자 능동 진동 제어 시스템(Active Vibration Control System, AVCS)을 이용한 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 로터 진동 하중, 기체 구조 동역학 모델링, 진동응답 해석 및 진동 제어 시뮬레이션 연구를 수행하기 위하여 DYMORE II, NDARC, MSC.NASTRAN 및 MATLAB Simulink 등의 다양한 해석, 설계 및 제어 프로그램들을 함께 사용하였다. 5개의 CRFG와 7개의 가속도계로 이루어진 Multi Input Multi Output(MIMO) 모델을 AVCS 시뮬레이션 연구에 이용하였다. 본 시뮬레이션 연구를 통하여 진동이 극심한 158knots의 비행속도에서 UH-60A의 주요 위치(조종석, 로터와 기체의 접합부, 중앙 승객실 및 후방 승객실) 위치에서 AVCS의 사용으로 인하여 4/rev 기체 진동응답이 25.14~96.05%만큼 감소될 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study using the active vibration control technique attempts to alleviate numerically the airframe vibration of a UH-60A helicopter. The AVCS(Active Vibration Control System) is applied to reduce the 4/rev vibration responses at the specified locations of the UH-60A airframe. The 4/rev hub vibra...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 대표적인 다목적 기동 헬리콥터 기종인 UH-60A(Fig. 3)에 대하여 AVCS를 이용하여 고속 비행 시 기체 주요 위치에서 발생하는 진동 응답을 저감하는 시뮬레이션 연구를 수행한다. 본 논문에서는 7개의 가속도계와 5개의 하중발생기로 이루어진 MIMO(Multi Input Multi Output) 시스템을 이용하여 기체의 다양한 위치 및 방향의 진동을 동시에 저감하며, CRFG의 다양한 위치 및 조합을 고려하여 진동 제어 시뮬레이션 연구를 수행한다.
  • 10) 알고리즘을 사용한다. 본 논문에서 Fx-LMS 알고리즘은AVCS에서 회전익기 기체 진동응답을 억제하기 위하여 필요한 진동 억제 하중을 계산한다. Fx-LMS 알고리즘에서 사용되는 가속도 신호는 크게 3가지로써 헬리콥터의 로터의 회전에 의해 발생하는 기체 진동 응답 신호(y(n)), 기체 진동응답 신호와 크기는 같고 위상은 반대인 진동 상쇄 신호(ŷ(n)), 그리고 이 두 신호(y(n)와 ŷ(n))를 더하여 정의되는 에러 신호(e(n))가 있다.
  • 본 연구에서는 다양한 해석 및 제어 프로그램을 이용하여 UH-60A의 기체 구조의 진동응답 해석 및 능동 진동 제어 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 로터 전진면의 압축성 효과로 인해 로터 진동이 극심한 비행속도인 158knots에서 UH-60A 헬리콥터의 4/rev로터 허브 진동 하중은 비선형 유연 다물체 동역학해석 코드인 DYMORE II를 이용하여 계산하였다.

가설 설정

  • 5)에 대하여 정규모드 해석을 수행하였다. 본 연구의 stick 모델의 동체의 저차 굽힘 모드의 고유 진동수가 참고문헌[15]의 수치와 유사하도록 탄성보 요소의 단면적 및 재료물성치를 적절하게 가정하였다. Table 3은 UH-60A 헬리콥터 기체의 정규 모드 해석 결과인 저차 모드의고유진동수를 보여준다.
  • 또한, 진동 억제 하중을 정확히 계산하기 위해서는 Forward path의 수학적인 전달함수의 시스템 식별계수를 계산해야한다. 이를 위해 제어 시스템은 선형시불변(Linear Time Invariant, LTI)이라고 가정하고 LMS 업데이트 방정식[3]을 이용하여 시스템 식별계수를 계산하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
헬리콥터 기체의 진동 저감 기법은 어떻게 나뉠 수 있는가? 헬리콥터 기체의 진동 저감 기법은 수동형 진동 저감 기법과 능동형 진동 저감 기법으로 나뉠 수 있다. 수동형 진동 저감 기법은 전통적인 진동 감소 기법으로 로터의 진동이 전달되는 경로인 로터헤드 마운트에 흡진기를 부착하거나 기체의 진동 저감이 필요한 위치에 흡진기를 부착하여 진동을 감소시킨다.
헬리콥터 진동의 발생 원인은 무엇인가 헬리콥터의 진동은 주 로터, 엔진 및 꼬리로터 등 다양한 원인으로 인해 발생된다. 다양한 진동원 중주 로터에 의한 진동이 가장 지배적이며, 주 로터 회전에 의해 회전좌표계의 로터 시스템에서 발생하는 진동 성분은 로터 허브를 통해 고정좌표계의 기체로 전달된다.
헬리콥터 기체의 진동 저감 기법 중 수동형 진동 저감 기법의 단점은 무엇인가 수동형 진동 저감 기법은 전통적인 진동 감소 기법으로 로터의 진동이 전달되는 경로인 로터헤드 마운트에 흡진기를 부착하거나 기체의 진동 저감이 필요한 위치에 흡진기를 부착하여 진동을 감소시킨다. 하지만, 수동 진동 저감 기법은 중량과 항력의 증가라는 제약이 있으며 특정 가진 주파수에 제한되어있기 때문에 다양한 비행 조건에서 진동 억제 효과가 일정하지 않다. 이와 달리 능동형 진동 저감 기법은 진동에 반대되는 제어 가능한 힘을 발생시켜 기체 진동을 제어하는 방법으로 비행 조건의 변화에 따라 적극적으로 진동응답을 저감할 수 있으며, 수동형 저감 기법에 비해 동일한 중량 대비 진동 저감 성능이 우수하다[1-3].
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참고문헌 (16)

  1. Welsh, W., Fredrickson, C., Rauch, C. and Lyndon, I., "Flight Test of an Active Vibration Control System on the UH-60 Black Hawk Helicopter," Proceeding of The American Helicopter Society 51st Annual Forum, 1995. 

  2. Millott, T. A., Goodman, R. K., Wong, J. K., Welsh, W. A., Correia, J. R. and Cassil, C. E., "Risk Reduction Flight Test of a Pre-production Active Vibration Control System for the UH-60M," Proceeding of The American Helicopter Society 59th Annual Forum, 2003. 

  3. Kim, D. H., Kwak, D. I. and Song, Q., "Demonstration of Active Vibration Control System on a Korean Utility Helicopter," International Journal of Aeronautical and Space Sciences, Vol. 20, No. 1, 2019, pp. 249-259. 

  4. Goodman, R. K. and Millott, T. A., "Design, Development, and Flight Testing of the Active Vibration Control System for the Sikorsky S-92," Proceeding of The American Helicopter Society 56th Annual Forum, 2000. 

  5. Blackwell, R. and Millott, T., "Dynamics Design Characteristics of the Sikorsky X2 Technology $^{TM}$ Demonstrator Aircraft," Proceeding of The American Helicopter Society 64th Annual Forum, 2008. 

  6. Lee, Y. L., Kim, D. H., Park, J. S. and Hong, S. B, "Vibration Reduction Simulations for Rotor and Airframe of a Lift-offset Compound Helicopter Using Two Active Vibration Control Techniques," Proceeding of The Transformative Vertical Flight Forum, 2020. 

  7. Bauchau, O. A., "DYMORE User's Manual," 2006. 

  8. Johnson, W., "NDARC-NASA Design and Analysis of Rotorcraft," Proceeding of The American Helicopter Society Specialists's Conference, 2010. 

  9. Bousman, W. G. and Kufeld, R. M., "UH-60A Airloads Catalog," National Aeronautics and Space Administration, Ames Research Center, Vol. 212827, 2005. 

  10. Norman, T., Peterson, R., Shinoda, P. and Datta, A., "Full-scale Wind Tunnel Test of the UH-60A Airloads Rotor," Proceeding of The American Helicopter Society 67th Annual Forum, 2011. 

  11. Potsdam, M., Yeo, H. and Johnson, W., "Rotor Airloads Prediction using Loose Aerodynamic/ structural Coupling," Journal of The Aircraft, Vol. 43, No. 3, 2006, pp. 732-742. 

  12. Yeo, H. and Romander, E. A., "Loads Correlation of a Full-scale UH-60A Airloads Rotor in a Wind Tunnel," Journal of The American Helicopter Society, Vol. 58, No. 2, 2013, pp. 1-8. 

  13. Park, J. S., Jung, S. N. and Park, S. H., "Airloads Validation Study for UH-60A Rotor using Multibody Dynamics Modeling," Proceeding of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences Conference, 2009. 

  14. Go, J. I., Park, J. S. and Choi, J. S., "Validation Study on Conceptual Design and Performance Analysis for Helicopter using NDARC," Journal of The Korean Society for Aeronautical and Space Sciences, Vol. 44, No. 10, 2016, pp. 877-886. 

  15. Idosor, F. and Seilble F., "Comparison of NASTRAN Analysis with Ground Vibration Results of UH-60A NASA/AEFA Test Configuration," NASA-CR-184565, 1990. 

  16. Kim, D. H., Kim, T. J., Jung, S. U. and Kwak, D. I., "Test and Simulation of an Active Vibration Control System for Helicopter Applications," International Journal of Aeronautical and Space Sciences, Vol. 17, No. 3, 2016, pp. 442-453. 

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