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문제 정의
- 본 연구에서는 앞서 소개된 논문과의 차별화를 제시하기 위해 추력 시험대의 구성과 설계과정의 초기 단계에서 제시된 두 가지 유형의 모델을 비교한 후 안전성이 뛰어난 모델을 선택하게 된 근거에 대해 기술하였다. 추력 시험대의 기본 구성은 흡입구와 시험용 엔진, 배기구가 장착된 추력 시험대의 워킹 프레임과 추력을 측정하기 위한 로드셀 및 교정 장치가 부착되는 베이스 프레임으로 구성되어 있고, 엔진 추력에 대한 왜곡된 데이터가 발생되지 않도록 판스프링 타입의 플렉셔를 적용하였다.
제안 방법
- 1D 계산 결과와 전산해석 결과에 대한 상세한 비교를 위해 Fig. 9에 제시된 바와 같이 플렉셔의 길이 비 ()에 따라 총 10구간의 1D 계산 값과 전산해석 결과 값을 비교하였다. 1D 계산결과는 약 0.
- 구조해석을 위한 소프트웨어는 Ansys 2019 R3를 이용하였고, 추력 시험대 Type A는 자중으로 인한 압축하중과 엔진 추력에 의한 접선하중의 합성하중 조건으로 구조해석을 수행하였다. Type B는 구성품에 의한 자중은 인장 하중 조건으로 부여하였고, 추력으로 인한 접선 하중을 합성하중 조건으로 구조해석을 수행하였다. 격자 크기의 경우 다양한 격자 사이즈를 분포시켜 플렉셔나 고정블록에 대해 도출 해가 일정해지는 값을 확인하였으며, 플렉셔 위치와 고정블록 위치의 모든 격자 사이즈를 다양한 조건으로 확인하였다.
- 8(b)에 제시된 그림에서 확인 가능한 바와 같이 좌측상단의 A, B, C는 경계조건이다. 경계조건 A는 워킹 프레임과 그 구성품에 의한 전체 중량이 Remote Force로 하중을 부여하였고, 경계조건 B는 엔진 추력에 의한 접선하중으로서 워킹 프레임의 무게 중심점에서 x축 방향으로 힘이 발생되도록 Remote Force를 부여하였다. 경계조건 C는 Type A와 마찬가지로 베이스 프레임과 고정되는 플렉셔의 고정블록에 해당하는 영역으로서 Fixed Support가 되는 위치이다.
- 6에 제시된 바와 같다. 구조해석을 위한 소프트웨어는 Ansys 2019 R3를 이용하였고, 추력 시험대 Type A는 자중으로 인한 압축하중과 엔진 추력에 의한 접선하중의 합성하중 조건으로 구조해석을 수행하였다. Type B는 구성품에 의한 자중은 인장 하중 조건으로 부여하였고, 추력으로 인한 접선 하중을 합성하중 조건으로 구조해석을 수행하였다.
- 5KN급)가 부착될 수 있도록 설계하였다. 또한, 워킹 프레임의 하중에 대해 지지가 가능하도록 트러스트 구조형식으로 설계하였다. Fig.
- 추력 시험대의 플렉셔 Type A와 B는 플렉셔에 작용하는 하중을 제외한 기타 구성품의 배치는 모두 동일하며, 플렉셔는워킹 프레임에 장착되는 시험장치에 대해 안전성이 입증되어야 한다. 본 논문은 추력 시험대의 플렉셔 type을 선정하기 위해 아래 제시된 사항으로부터 추력 시험대의 유형을 선정하였다.
- 본 연구에서는 플렉셔를 적용한 추력 시험대 설계를 위해 두 가지 형상에 따른 하중의 영향성에 대해 1D 계산 결과와 전산해석 결과를 비교하였다. 플렉셔 자유단에서의 변형량 계산 결과와 길이 비() 에 대해 확인한 결과 1D 계산결과와 전산해석 결과가 매우 유사한 것을 확인하였다.
- 워킹 프레임에는 시험용 엔진이 위치하고, 엔진을 운용하기 위해 흡입구와 배기구가 함께 장착될 수 있도록 설계하였다. 엔진 마운트는 구조적 안전성에 대한 근거를 마련하기 위해 구조해석을 엔진의 최대 추력 조건에서 수행하여 충분한 안전율을 갖출 수 있도록 설계하였다. 흡입구 지지대와 배기구 지지대는 엔진 운용 시발생될 수 있는 소재 팽창을 고려하여 LM 가이드를적용시켰고, 베이스 프레임은 워킹 프레임에서 발생되는 추력을 측정하기 위해 로드셀(제조사: Interface, Spec.
- 엔진 작동으로 추력이 발생된다면 워킹 프레임과 베이스 프레임 사이에 위치하는 플렉셔의 형상에 변형이 발생되고, 그 변형된 수준이 베이스 프레임에 위치하는 로드셀에 전달되어 추력 측정이 가능하도록 설계하였다. 판 스프링 플렉셔는 흡입구 위치에 2개, 배기구 위치에 2개를 배치하였는데 플렉셔를 흡입구, 배기구 위치에 1개씩 배치하였을 경우 플렉셔의 비틀림이 발생된다면 위험 요소가 매우 심각해지기 때문에 안전성을 확보하기 위함이다.
- 워킹 프레임 구성품으로 인해 플렉셔에서 발생되는 인장하중과 추력에 의한 접선하중에 대해 추력 시험대 Type B에 대한 1D 계산과 전산해석 결과를 변형량에 대해 평가하였다. 계산 결과에 대해 Type A와 동일한 방법으로 플렉셔의 임의의 길이()에 대해 길이 비() 10구간의 1D 계산 값과 전산해석 결과 값을 비교하였다.
- 추력 시험대 Type B는 플렉셔에 대해 인장하중이 가해지는 구조인데, 추력 측정에 관한 메커니즘은 Type A와 유사하도록 설계되었다. 워킹 프레임과 베이스 프레임 사이에 위치하는 플렉셔의변형으로부터 로드셀을 이용하여 추력측정을 수행하게 되고 플렉셔의 수량 또한 구조적 안전성을 위해 흡입구 위치에 2개, 배기구 위치에 2개를 배치하였으며, 로드셀 수량은 2.2절에서 설명한 바와 같이 경험적인 사유로 2개를 배치하였다.
- 추력 시험대의 기본 구성은 워킹 프레임과 베이스 프레임, 판 스프링 타입의 플렉셔로 구성되어 있다. 워킹 프레임에는 시험용 엔진이 위치하고, 엔진을 운용하기 위해 흡입구와 배기구가 함께 장착될 수 있도록 설계하였다. 엔진 마운트는 구조적 안전성에 대한 근거를 마련하기 위해 구조해석을 엔진의 최대 추력 조건에서 수행하여 충분한 안전율을 갖출 수 있도록 설계하였다.
- W.은 자기 플라즈마 역학 동력 추진기의 추력 시험에서 발생되는 진동을 최소화하고 열적 변형을 방지하기 위해 플렉셔를 적용하였다[7]. Kim J.
- 플렉셔로 제작한 소재의 경우 KS-D3534-ST304이고 항복응력은 1038 이다. 적용된 플렉셔는 하중 조건에 따른 변형량과 연성 재료에 대한 항복조건(Von-Mises Yield Criterion)을 평가하기 위해 등가하중(Equivalent Stress)으로 확인하였고, 타입에 따른 안전율은 2.0 이상을 합격 기준으로 선정하였다. 안전율의 정의는 식 (10)과 같다.
- 추력 시험대 Type A는 워킹 프레임에 의한 압축 하중과 엔진 추력에 의한 접선하중을 합성하중 조건으로 구조해석을 수행하였다. Fig.
- 추력 시험대 Type B는 인장하중과 접선하중의 합성 하중 조건으로 선형 구조해석을 수행하였다. Fig.
- 추력 시험대의 기본 구성은 흡입구와 시험용 엔진, 배기구가 장착된 추력 시험대의 워킹 프레임과 추력을 측정하기 위한 로드셀 및 교정 장치가 부착되는 베이스 프레임으로 구성되어 있고, 엔진 추력에 대한 왜곡된 데이터가 발생되지 않도록 판스프링 타입의 플렉셔를 적용하였다.
- 추력 시험대의 전산해석은 추력 시험대 Type A와 Type B에 대한 전체 모델링에 대해 구조해석을 수행하지 않고, 플렉셔 형상과 고정블록에 대해서만 형상을 모델링하여 구조해석을 수행하였다. 구조해석 형상은 Fig.
- 플렉셔를 적용한 추력 시험대 설계를 위해 플렉셔에 작용하는 합성하중에 대한 압축하중과 인장 하중에 따른 형상으로 분류하여 추력 시험대 형상의 설계를 진행하였다. 플렉셔로 제작한 소재의 경우 KS-D3534-ST304이고 항복응력은 1038 이다.
- 엔진 마운트는 구조적 안전성에 대한 근거를 마련하기 위해 구조해석을 엔진의 최대 추력 조건에서 수행하여 충분한 안전율을 갖출 수 있도록 설계하였다. 흡입구 지지대와 배기구 지지대는 엔진 운용 시발생될 수 있는 소재 팽창을 고려하여 LM 가이드를적용시켰고, 베이스 프레임은 워킹 프레임에서 발생되는 추력을 측정하기 위해 로드셀(제조사: Interface, Spec.: 1KN급) 및 교정 장치(제조사: Interface, Spec.: 2.5KN급)가 부착될 수 있도록 설계하였다. 또한, 워킹 프레임의 하중에 대해 지지가 가능하도록 트러스트 구조형식으로 설계하였다.
대상 데이터
- Figure 1은 추력 시험대에 대한 그림이다. 추력 시험대의 기본 구성은 워킹 프레임과 베이스 프레임, 판 스프링 타입의 플렉셔로 구성되어 있다. 워킹 프레임에는 시험용 엔진이 위치하고, 엔진을 운용하기 위해 흡입구와 배기구가 함께 장착될 수 있도록 설계하였다.
- 진행하였다. 플렉셔로 제작한 소재의 경우 KS-D3534-ST304이고 항복응력은 1038 이다. 적용된 플렉셔는 하중 조건에 따른 변형량과 연성 재료에 대한 항복조건(Von-Mises Yield Criterion)을 평가하기 위해 등가하중(Equivalent Stress)으로 확인하였고, 타입에 따른 안전율은 2.
- 7에 제시된 것은 격자의 형태이다. 플렉셔와 고정블록에 대해 6면체 격자 (Hexa mesh)로 생성하였다. Type A와 B 형상이 동일한 형상이기 때문에 양쪽 모든 노드 수는 664, 863 개와 요소 수는 130, 173개로 동일하다.
데이터처리
- 대해 평가하였다. 계산 결과에 대해 Type A와 동일한 방법으로 플렉셔의 임의의 길이()에 대해 길이 비() 10구간의 1D 계산 값과 전산해석 결과 값을 비교하였다. 1D 계산 결과는 약 0.
- 워킹 프레임의 자중에 의한 압축하중과 추력에 의한 접선하중에 대한 추력 시험대 Type A의 플렉셔변형 값을 1D 계산과 전산해석으로 평가하였다. 1D 계산 결과와 전산해석 결과에 대한 상세한 비교를 위해 Fig.
- 추력 시험대 Type A에서 발생하는 워킹 프레임 의자 중에 의한 압축하중과 추력에 의한 접선하중에 대한 좌굴하중을 1D 계산과 전산해석으로 평가하였다. 식 (2)에 제시된 오일러 방정식으로 도출한 좌굴하중의 1D 계산 값은 베이스 프레임에 고정되는 조건에 의거한 공식으로 계산 결과 3, 349, 333 N이 도출되었다.
- 1에 제시된 두 가지 타입의 추력 시험대는 측정오차를 줄이기 위해 플렉셔를 적용한 방식에 따른 차이에 대해 나타낸 형상이고, 본 논문에서는 실제 운용하는 시험 조건에 대해 Type A와 Type B에 관한 상대비교를 통해 안전성이 뛰어난 추력 시험대를 실제 제작하여 시험에 적용할 예정이다. 추력 시험대는 이론에 대한 바탕으로 설계한 후 수치해석 결과를 비교하여 설계에 대한 타당성을 검증하였다.
성능/효과
- (1) 추력에 대한 접선하중과 워킹 프레임 자중에 의한 압축하중이 발생되는 형태의 Type A와 워킹 프레임에 대한 인장하중이 발생하는 Type B를 비교한 결과 Type B의 변형이 약 2배 수준 더 작게 발생되는 것을 확인하였다.
- (2) 플렉셔 소재에 대한 항복조건을 평가하기 위해 모델에 따른 등가응력을 검토하였고, Type A와 B에 대한 안전율을 평가한 결과 Type B의 안전율이 설계기준을 만족하는 것으로 확인되었다.
- 계산 결과에 대해 Type A와 동일한 방법으로 플렉셔의 임의의 길이()에 대해 길이 비() 10구간의 1D 계산 값과 전산해석 결과 값을 비교하였다. 1D 계산 결과는 약 0.123 mm 변형이 발생되었고, 전산해석 결과는 Fig. 14에 제시된 바와 같이 약 0.13 mm 1D 계산결과와 전산해석 결과의 오차는 약 5% 수준으로 나타났다. 변형량 결과에 대한 정리를 길이 비()에 따른 변수를 적용하여 1D 계산과 전산해석 결과를 비교하여 Fig.
- 5 N이 도출되었다. 1D 계산결과 값과 전산해석 계산 결과 값을 비교한 결과, 워킹 프레임의 자중에 의한 압축 하중과 추력에 의한 접선하중에 대한 합성하중은 플렉셔에대해 좌굴을 유발하지 않을 것으로 판단된다.
- 9에 제시된 바와 같이 플렉셔의 길이 비 ()에 따라 총 10구간의 1D 계산 값과 전산해석 결과 값을 비교하였다. 1D 계산결과는 약 0.25 mm 변형이 발생되었고, 전산해석 결과 Fig. 10에 제시된 바와 같이 약 0.266 mm 변형으로 1D 계산결과와 전산해석 결과의 오차는 약 6% 수준으로 나타났다. 길이 비()에 따른 변수를 적용하여 1D 계산과 전산해석 결과를 비교해보면 Fig.
- 15에 제시하였다. 1D와 전산해석 결과에 대한 경향성을 비교한 결과 길이 비()에 따라 플렉셔의 변형량의 결과가 유사하게 제시되었다. 또한, 해석 결과에 대한 등가응력을 Fig.
- Type B는 구성품에 의한 자중은 인장 하중 조건으로 부여하였고, 추력으로 인한 접선 하중을 합성하중 조건으로 구조해석을 수행하였다. 격자 크기의 경우 다양한 격자 사이즈를 분포시켜 플렉셔나 고정블록에 대해 도출 해가 일정해지는 값을 확인하였으며, 플렉셔 위치와 고정블록 위치의 모든 격자 사이즈를 다양한 조건으로 확인하였다. 격자의 양질이 3mm로 부여하였을 때 가장 적절한 조건이 되는 것 확인하였다.
- 격자 크기의 경우 다양한 격자 사이즈를 분포시켜 플렉셔나 고정블록에 대해 도출 해가 일정해지는 값을 확인하였으며, 플렉셔 위치와 고정블록 위치의 모든 격자 사이즈를 다양한 조건으로 확인하였다. 격자의 양질이 3mm로 부여하였을 때 가장 적절한 조건이 되는 것 확인하였다. Fig.
- 11과 같이 계산 결과가 유사하게 나타났다. 또한, 해석 결과에 대한 등가응력에 대한 해석결과는 Fig. 12에서 제시된 바와 같이 최대 응력 758.37 임을 확인하였다. 플렉셔 소재 항복 응력(Yield Stress)에 대해 안전율은 1.
- 37 임을 확인하였다. 플렉셔 소재 항복 응력(Yield Stress)에 대해 안전율은 1.47로 확인되었다.
- 플렉셔 자유단에서의 변형량 계산 결과와 길이 비() 에 대해 확인한 결과 1D 계산결과와 전산해석 결과가 매우 유사한 것을 확인하였다. 추력 시험대의 플렉셔 Type A와 B는 플렉셔에 작용하는 하중을 제외한 기타 구성품의 배치는 모두 동일하며, 플렉셔는워킹 프레임에 장착되는 시험장치에 대해 안전성이 입증되어야 한다.
후속연구
- 또한, 워킹 프레임의 하중에 대해 지지가 가능하도록 트러스트 구조형식으로 설계하였다. Fig. 1에 제시된 두 가지 타입의 추력 시험대는 측정오차를 줄이기 위해 플렉셔를 적용한 방식에 따른 차이에 대해 나타낸 형상이고, 본 논문에서는 실제 운용하는 시험 조건에 대해 Type A와 Type B에 관한 상대비교를 통해 안전성이 뛰어난 추력 시험대를 실제 제작하여 시험에 적용할 예정이다. 추력 시험대는 이론에 대한 바탕으로 설계한 후 수치해석 결과를 비교하여 설계에 대한 타당성을 검증하였다.
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