[논문]랜덤진동에서 군용 항공기 외부연료탱크 및 파일런 구조 강건성 평가

김현기; 김성찬

doi:10.5762/kais.2021.22.3.777

랜덤진동에서 군용 항공기 외부연료탱크 및 파일런 구조 강건성 평가
Evaluation of Structural Robustness of External Fuel Tank and Pylon for Military Aircraft under Random Vibration 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.22 no.3, 2021년, pp.777 - 783

초록
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항공기는 기동 중 다양한 진동의 영향을 받게 된다. 이러한 진동들은 상황에 따라서는 항공기 생존에 치명적인 영향을 미칠 수 있으므로 항공기에 적용되는 구성품들은 랜덤 진동해석을 통해 다양한 진동 조건에 대한 안전성이 입증되어야 한다. 본 연구에서는 상용 소프트웨어인 MSC.Random을 사용하여 랜덤진동 조건에서 군용항공기 외부연료탱크와 파일런에 대한 구조 강건성을 평가하였다. 랜덤 진동해석은 경계조건 지점에 단위하중을 부과하여 주파수 응답해석을 수행한 후 파워 스펙트럼 밀도 프로파일로 가진하게 되는데, 이 과정에서 필요한 모드 데이타는 모달해석 방법을 통해 추출하였다. 그리고, 랜덤진동 조건으로 미국 국방환경규격에서 규정하고 있는 랜덤 진동 프로파일을 적용하였고, G 단위로 주어진 파워 스펙트럼 밀도 프로파일을 중력가속도 단위로 변환하여 사용하였다. 수치해석 결과로, x축, y축 및 z축 방향에서의 랜덤 가진에 대해 수치해석 모델을 구성하는 빔 요소, 쉘 요소 그리고 솔리드 요소의 안전여유를 파악하여 본 논문에서 다루고 있는 군용 항공기에 장착되는 외부연료탱크와 파일런의 구조 강건성을 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Aircraft are affected by various vibrations during maneuvering. These vibrations may have a fatal effect on the survival of aircraft in some cases, so the safety of components applied to the aircraft should be proven against various vibrations through random vibration analysis. In this study, the structural robustness of an external fuel tank and pylon for military aircraft was evaluated under random vibration conditions using commercial software, MSC Random. In the random vibration analysis, a frequency response analysis was performed by imposing a unit load on the boundary condition point, and then excitation was performed with a PSD profile. In this process, the required mode data was extracted through a modal analysis method. In addition, the random vibration profile specified in the US Defense Environment Standard was applied as random vibration conditions, and the PSD profile given in units of G's was converted into units of gravitational acceleration. As a result of the numerical analysis, we evaluated the structural robustness of the external fuel tank and pylon by identifying the safety margins of beam elements, shell elements, and solid elements in a numerical model for random vibration in the x, y, and z directions.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1. Configuration of External Fuel Tank and Mounting Locations
그림 Fig. 2. Configuration of Pylon and Mounting Locations
그림 Fig. 3. Boundary Condition of Pylon
그림 Fig. 4. Procedure of Random Vibration Analysis
그림 Fig. 5. Interface in MSC.Random[12]
그림 Fig. 6. Profile of Random Vibration for External Fuel Tank[11]
표 Table 1. Parameters Results of PSD profile for External Fuel Tank
그림 Fig. 7. PSD Profile based on Gravity Acceleration Unit for External Fuel Tank
그림 Fig. 8. Random Vibration Profile for Pylon [11]
그림 Fig. 9. PSD Profile based on Gravity Acceleration Unit for Pylon
표 Table 2. Parameters Results of PSD profile for Pylon
그림 Fig. 10. Minimum Margin of Safety by x-axis Random Analysis for External Fuel Tank
그림 Fig. 11. Minimum Margin of Safety by y-axis Random Analysis for External Fuel Tank
그림 Fig. 12. Minimum Margin of Safety by z-axis Random Analysis for External Fuel Tank
그림 Fig. 13. Minimum Margin of Safety by x-axis Random Analysis for Pylon
표 Table 3. Result of Random Vibration in External Fuel Tank
그림 Fig. 14. Minimum Margin of Safety by y-axis Random Analysis for Pylon
그림 Fig. 15. Minimum Margin of Safety by z-axis Random Analysis for Pylon
표 Table 4. Result of Random Analysis in Pylon

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 군용 항공기에 적용되는 외부 연료탱크와 파일런에 대한 개발의 일환으로 MSC.Random을 사용하여 랜덤 진동조건에 대한 구조 강건성을 평가하였다.

제안 방법

3장에서 설명한 랜덤 진동해석 절차와 PSD 선도를 적용하여 외부연료탱크와 파일런에 대한 랜덤 진동해석을 수행하였다. 참고로, 보안상 해당 부품의 구체적인 형상 제시와 정량 수치사용의 제한으로 본 논문에서는 외곽형상만을 사용하여 안전여유가 가장 낮은 영역을 표시하였다.
MSC. Random을이용하여 군용 항공기에 장착되는 외부연료탱크(external fuel tank)와 파일런(pylon)에 대한 랜덤 진동(random vibration) 해석을 수행하였다. MSC.
외부연료탱크와 동일하게 수치해석 방법으로 모달해석 방법을 적용하였고, 감쇠비 3% 를 사용하였다. 그리고, Fig. 9의 랜덤 진동 프로파일을 x축, y축 및 z축으로 각각 가진하여 랜덤 진동해석을 수행하였다.
그리고, 해석 조건으로 미국국방환경규격(MIL-T-18847)에서 규정하는 파워 스펙트럼 밀도(PSD: Power Spectral Density, 이하 PSD) 프로파일을 적용하였는데[11], 외부연료탱크는 파일런에 탑재되는 구성품의 진동시험 레벨 프로파일을 적용하고, 파일런은 파일런 자체의 진동레벨 프로파일을 적용하였다. 그리고, x축, y축 및 z축 방향의 각 랜덤 가진에 대해 수치해석 모델을 구성하는 빔 요소, 쉘 요소 그리고 솔리드 요소에서의 안전여유를 파악하여 미국 국방환경규격에서 규정하는 랜덤진동 조건에 대해 본 연구에서 다루고 있는 군용항공기 외부연료탱크와 파일런에 대한 구조 강건성 여부를 평가하였다.
통상 감쇠비(damping)는 3~5%를 적용하는데 본 해석에서는 보수적인 구조 강건성 평가를 위해 감쇠비 3%를 사용하였다. 그리고, 단위하중에 의한 주파수응답 해석 결과에 Fig. 7의 PSD 선도를 x축, y축 및 z 축에 대해 각각 가진하여 랜덤 진동해석을 수행하였다.
먼저, 장착위치에 경계조건을 부과한다. 그리고, 랜덤 진동해석을 수행하는 각 방향에 대해 단위하중을 부과하여 주파수 응답해석을 수행한다. 마지막으로, MIL-T-18847에서 규정하는 PSD 선도로 가진하여 랜덤 진동해석을 수행한다.
랜덤진동 해석 과정에서 필요한 모드 정보는 모달해석(modal analysis)을 사용하여 추출하였고, 감쇠비는 3%를 적용하였다. 그리고, 해석 조건으로 미국국방환경규격(MIL-T-18847)에서 규정하는 파워 스펙트럼 밀도(PSD: Power Spectral Density, 이하 PSD) 프로파일을 적용하였는데[11], 외부연료탱크는 파일런에 탑재되는 구성품의 진동시험 레벨 프로파일을 적용하고, 파일런은 파일런 자체의 진동레벨 프로파일을 적용하였다. 그리고, x축, y축 및 z축 방향의 각 랜덤 가진에 대해 수치해석 모델을 구성하는 빔 요소, 쉘 요소 그리고 솔리드 요소에서의 안전여유를 파악하여 미국 국방환경규격에서 규정하는 랜덤진동 조건에 대해 본 연구에서 다루고 있는 군용항공기 외부연료탱크와 파일런에 대한 구조 강건성 여부를 평가하였다.
Randome 랜덤 환경에 노출된 구조물에 대한 랜덤해석을 수행하고, MSC Patran과 연계하여 등가응력(Von-Mises stress)과 변형률을 제공할 수 있다. 랜덤진동 해석 과정에서 필요한 모드 정보는 모달해석(modal analysis)을 사용하여 추출하였고, 감쇠비는 3%를 적용하였다. 그리고, 해석 조건으로 미국국방환경규격(MIL-T-18847)에서 규정하는 파워 스펙트럼 밀도(PSD: Power Spectral Density, 이하 PSD) 프로파일을 적용하였는데[11], 외부연료탱크는 파일런에 탑재되는 구성품의 진동시험 레벨 프로파일을 적용하고, 파일런은 파일런 자체의 진동레벨 프로파일을 적용하였다.
그리고, 랜덤 진동해석을 수행하는 각 방향에 대해 단위하중을 부과하여 주파수 응답해석을 수행한다. 마지막으로, MIL-T-18847에서 규정하는 PSD 선도로 가진하여 랜덤 진동해석을 수행한다.
수치해석 방법으로 모달해석 방법을 적용하였고, 유효 질량 분율(effective mass fraction)에 대해 거동의 80% 이상을 모사할 수 있는 범위로 고유주파수 600Hz까지 반영하였다. 통상 감쇠비(damping)는 3~5%를 적용하는데 본 해석에서는 보수적인 구조 강건성 평가를 위해 감쇠비 3%를 사용하였다.
수치해석 조건으로 미국국방환경규격에서 규정하는 PSD 프로파일을 적용하였고, x축, y축 및 z축 각 방향의 랜덤 가진에 대해 수치모델을 구성하는 빔 요소, 쉘 요소 그리고 솔리드 요소에서의 안전여유를 평가하였다. 수치해석 결과, 외부연료탱크는 x축에 대한 랜덤 진동이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었고, 파일런은 z축에 대한 랜덤 가진에 의해 가장 큰 영향을 받은 것으로 파악되었다.
1)은 26, 166개 요소(element)와 47, 892개 절 점(node)으로 구성되었다. 외부연료탱크 경계조건은 전방러그(FWD Lug)와 후방러그(AFT Lug)는 x방향, y방향 및 z방향 자유도를 구속하고, 후방 피봇(pivot)은 y방향 및 z 방향의 자유도를 구속하였다.
외부연료탱크 랜덤 진동해석 조건은 Fig. 6과 같이 MIL-T-18847에 정의된 주익 파일런에 탑재되는 구성품의 진동시험 레벨 프로파일을 적용하였다. Fig.
참고로, 보안상 해당 부품의 구체적인 형상 제시와 정량 수치사용의 제한으로 본 논문에서는 외곽형상만을 사용하여 안전여유가 가장 낮은 영역을 표시하였다.
파일런 수치해석 모델(Fig. 2)은 79, 255개 요소와 27, 202개 절점으로 구성되어 있고, 0D 요소(point element)를 사용하여 외부연료탱크 중량을 모사하였다. Fig.

대상 데이터

1과 2는 항공기용 외부연료탱크와 파일런의 외부형상이다. 외부연료탱크의 수치해석 모델(Fig. 1)은 26, 166개 요소(element)와 47, 892개 절 점(node)으로 구성되었다. 외부연료탱크 경계조건은 전방러그(FWD Lug)와 후방러그(AFT Lug)는 x방향, y방향 및 z방향 자유도를 구속하고, 후방 피봇(pivot)은 y방향 및 z 방향의 자유도를 구속하였다.
3과 같이 수치해석을 위한 경계조건은 전방 바깥쪽 고정부는 y방향 및 z방향 자유도, 전방 안쪽 고정부는 z 방향 자유도, 후방 고정부는 x방향, y방향 및 z방향의 자유도를 구속하였다. 참고로, 본 논문에서는 보안상 대상구성품의 외부형상만을 사용하였다.

이론/모형

9로 나타내었다. 외부연료탱크와 동일하게 수치해석 방법으로 모달해석 방법을 적용하였고, 감쇠비 3% 를 사용하였다. 그리고, Fig.

성능/효과

수치해석 결과, 외부연료탱크는 x축에 대한 랜덤 진동이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었고, 파일런은 z축에 대한 랜덤 가진에 의해 가장 큰 영향을 받은 것으로 파악되었다. 그리고, 외부연료탱크와 파일런의 모든 영역에서 0 이상의 안전여유를 확보하고 있는 것으로 확인되었다. 최종적으로, 본 논문에서 다루고 있는 군용 항공기의 외부 연료탱크와 파일런은 미국국방환경규격에서 규정하고 있는 랜덤 진동조건에 대해 구조 강건성을 확보하고 있는 것으로 평가되었다.
수치해석 결과, 외부연료탱크는 x축에 대한 랜덤 진동이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었고, 파일런은 z축에 대한 랜덤 가진에 의해 가장 큰 영향을 받은 것으로 파악되었다. 그리고, 외부연료탱크와 파일런의 모든 영역에서 0 이상의 안전여유를 확보하고 있는 것으로 확인되었다.
외부연료탱크에 대한 랜덤 진동해석 결과, 솔리드 요소에 대해서는 x축 랜덤 가진에 의해 외부연료탱크 중앙부에서 가장 낮은 안전여유를 갖는 것으로 파악되었고, 그 때의 안전여유는 6.07로 계산되었다. 쉘 요소에 대해서도 x축 랜덤 가진이 가장 큰 영향을 미치는 것으로 파악되었다.
그리고, 외부연료탱크와 파일런의 모든 영역에서 0 이상의 안전여유를 확보하고 있는 것으로 확인되었다. 최종적으로, 본 논문에서 다루고 있는 군용 항공기의 외부 연료탱크와 파일런은 미국국방환경규격에서 규정하고 있는 랜덤 진동조건에 대해 구조 강건성을 확보하고 있는 것으로 평가되었다.
13~15는 파일런에 대한 x축, y축 및 z축방향 랜덤 가진으로 발생하는 최소 안전여유를 보여주고 있다. 파일런은 빔 요소, 쉘 요소 그리고 솔리드 요소로 구성되었는데, 빔 요소는 y축 랜덤 가진, 쉘 요소는 z축 랜덤 가진, 솔리드 요소는 y축 랜덤 가진에 의해 가장 큰 영향을 받는 것으로 파악되었다. 최소 안전여유는 z축 랜덤 가진에 의해 쉘 요소에서 0.

참고문헌 (12)

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MSC Nastran Dynamic Analysis User's Guide, USA, MSC Software Corporation, 2017.

저자의 다른 논문 :

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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