[논문]PSGA를 이용한 복합재료 블레이드의 최적 구조설계 프레임워크 개발 연구

안준혁; 배재성; 정성남

doi:10.7234/composres.2022.35.1.031

PSGA를 이용한 복합재료 블레이드의 최적 구조설계 프레임워크 개발 연구
Optimal Structural Design Framework of Composite Rotor Blades Using PSGA 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.1, 2022년, pp.31 - 37

안준혁 (Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University) , 배재성 (Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University) , 정성남 (Department of Mechanical and Aerospace Engineering, Konkuk University)

초록
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본 연구에서는 복합재료 블레이드의 최적 구조설계 프레임워크를 개발하고 이를 헬리콥터 블레이드에 적용하여 구조설계를 수행하였다. 개발된 최적 설계 프레임워크는 유전자 알고리즘과 입자 군집 최적화 알고리즘을 결합한 PSGA를 활용해 구성하였다. 이는 블레이드 단면에 대한 유한요소 모델 생성, 2차원 단면 유한요소 해석, 그리고 1차원 회전 보 해석의 단계를 거쳐 최적화 결과를 도출해낸다. 설계 과정에서 각 단면들은 B-spline으로 구성되며, 유한요소 생성 프로그램인 Gmsh를 활용해 모델링 된다. 이를 활용하여 최적화 과정에서 각 변수마다 대응되는 2차원 유한요소모델을 생성해 블레이드의 구조해석을 수행했다. 본 연구에서 제안한 프레임워크를 HART II 블레이드에 적용하여 최적 구조 설계를 수행했다. 최적 설계 결과 회전익 로터에서 요구하는 구조적 특징을 유지하면서, 공진회피와 질량 등의 조건이 개선된 블레이드 형상을 도출하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an optimal structural design framework has been developed for the structural design of composite helicopter blades. The optimal design framework is constructed using PSGA (Particle Swarm assisted Genetic Algorithm), which combines the genetic algorithm and particle swarm optimizer. The optimization process consists of a finite element (FE) modeling over the blade section, two-dimensional (2D) cross-sectional FE analysis, and 1D rotating blade analysis. In the design process, the geometric curves and surfaces are formed using the B-spline scheme while discretizing the sections via a FE mesh generation program Gmsh. The blade cross-sections are created in accordance with the design variables when performing the blade structural analysis. The proposed optimization design framework is applied to a modernization of the HART II (Higher-harmonic Aeroacoustics Rotor Test II) blades. It is demonstrated that an improved blade design is reached through the current optimization framework with the satisfaction of all design requirements set for the study.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Cross-section image of HART II blade [12]
그림 Fig. 2. Approximated curves with control points of example blade using B-spline
그림 Fig. 4. Outlook of optimization framework
그림 Fig. 3. Generated FE model using section generate algorithm
그림 Fig. 5. Design variables of cross-sections (uniform section)
그림 Fig. 6. Location of selected sections for blade analysis
그림 Fig. 7. FE model of HART II blade ((a) original [12], (b) regenerated)
그림 Fig. 8. Optimized result of HART II blade ((a) 0.193R, (b) 0.75R)
그림 Fig. 9. Comparison of flap bending stiffness distribution
그림 Fig. 10. Comparison of torsion stiffness distribution
표 Table 1. Mechanical material properties for optimization
표 Table 2. Comparison of non-rotational natural frequencies of blades

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전역탐색 알고리즘인 PSGA를 이용하여 복합재료 블레이드의 최적 구조설계 프레임워크를 구성하였다. 최적설계 과정에서 블레이드의 단면 형상은 B-spline 기법으로 보간하며, 여기에 Gmsh 프로그램을 이용해서 요소분할 업무를 수행하였다.

제안 방법

최적설계 과정에서 블레이드의 단면 형상은 B-spline 기법으로 보간하며, 여기에 Gmsh 프로그램을 이용해서 요소분할 업무를 수행하였다. 블레이드 구조설계를 위해서는 2차원 단면 유한요소 해석 및 회전 보 고유진동 해석을 포함하였다. 먼저, 본 단면설계의 유효성을 확인하기 위해 HART II 블레이드의 균일 단면에 적용하여 기존 모델링 대비 최대 4.
전역 탐색 기법인 PSGA와 단면의 2차원 유한요소 모델링, 그리고 동적 고유 진동 해석 프로그램을 결합하여 블레이드 전체의 최적 구조설계 프레임워크를 구성하였다. Fig.

이론/모형

본 연구에서는 전역탐색 알고리즘인 PSGA를 이용하여 복합재료 블레이드의 최적 구조설계 프레임워크를 구성하였다. 최적설계 과정에서 블레이드의 단면 형상은 B-spline 기법으로 보간하며, 여기에 Gmsh 프로그램을 이용해서 요소분할 업무를 수행하였다. 블레이드 구조설계를 위해서는 2차원 단면 유한요소 해석 및 회전 보 고유진동 해석을 포함하였다.

성능/효과

2%의 오차 범위 내에서 단면 강성치 등을 정확하게 모델링할 수 있음을 보였다. 로터의 정적 및 동적 특성에 대한 여러 제한 조건을 고려하여 HART II 블레이드에 대한 최적 구조설계를 수행하고, 기존 블레이드 형상과 대비하여 약 1.63%의 무게가 절감된 최적의 구조형상을 도출하였다. 이때, 로터 운용시 필요한 고유 진동수의 설정 범위를 충족하면서 공진을 회피하고, 자동회전 관성지수 및 단면의 중심치 등 설계 구속조건들을 모두 만족하는 결과를 얻었다.
블레이드 구조설계를 위해서는 2차원 단면 유한요소 해석 및 회전 보 고유진동 해석을 포함하였다. 먼저, 본 단면설계의 유효성을 확인하기 위해 HART II 블레이드의 균일 단면에 적용하여 기존 모델링 대비 최대 4.2%의 오차 범위 내에서 단면 강성치 등을 정확하게 모델링할 수 있음을 보였다. 로터의 정적 및 동적 특성에 대한 여러 제한 조건을 고려하여 HART II 블레이드에 대한 최적 구조설계를 수행하고, 기존 블레이드 형상과 대비하여 약 1.
이때, 로터 운용시 필요한 고유 진동수의 설정 범위를 충족하면서 공진을 회피하고, 자동회전 관성지수 및 단면의 중심치 등 설계 구속조건들을 모두 만족하는 결과를 얻었다. 이를 통해 본 연구에서 제안한 최적 설계 프레임워크의 유효성을 확인하였다.

참고문헌 (22)

Rehfield, L., Atilgan, A., and Hodges, D., "Nonclassical Behavior of Thin-Walled Composite Beams with Closed Cross Sections", Journal of American Helicopter Society, Vol. 35, 1990, pp. 42-50.
Friedmann, P.P., and Shanthakumaran, P., "Optimum Design of Rotor Blades for Vibration Reduction in Forward Flight", Journal of the American Helicopter Society, Vol. 29, No. 4, 1984, pp. 70-80.

상세보기
Lim, J.W., and Chopra, I., "Aeroelastic Optimization of a Helicopter Rotor Using an Efficient Sensitivity Analysis", Journal of Aircraft, Vol. 28, No. 1, 1991, pp. 29-37.

상세보기
Celi, R., and Friedmann, P.P., "Structural Optimization with Aeroelastic Constraints of Rotor Blades with Straight and Swept Tips", AIAA Journal, Vol. 28, No. 5, 1990, pp. 928-936.

상세보기
Park, I.J., and Jung, S.N., "Structural Analysis of Thin-walled, Multi-celled Composite Blades with Elliptic Cross-sections", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 17, No. 4, 2004, pp. 25-31.
Bae, J.S., and Jung, S.N., "Highly Efficient Structural Optimization of Composite Rotor Blades using Bezier Curves", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 33, No. 6, 2020, pp. 353-359.
Cesnik, C.E.S., and Hodges, D.H., "VABS: A New Concept for composite Rotor Blade Cross-Sectional Modeling", Journal of the American Helicopter Society, Vol. 42, No. 1, 1997, pp. 27-38.

상세보기
Ma, L., Zhao, Q., Zhang, K., Zhang, X., and Zhao, M., "Aeroelastic analysis and structural parametric design of composite rotor blade", Chinese Journal of Aeronautics, Vol. 34, No. 1, 2021, pp. 336-349.

상세보기
Lee, J., and Hajela, P., "Parallel Genetic Algorithms Implementation in Multidisciplinary Rotor Blade Design", Journal of Aircraft, Vol. 33, No. 5, 1996, pp. 962-969.
Dhadwal, M.K., Jung, S.N., and Kim,C.J., "Advanced Particle Swarm Assisted Genetic Algorithm for Constrained Optimization Problems", Computational Optimization and Applications, Vol. 58, 2014, pp. 781-806.

상세보기
Yu, Y.H., Tung, C., van der Wall, B.G., Pausder, H.J., Burley, C., Brooks, T., Beaumier, P., Delriuex, Y., Mercker, E., and Pengel, K., "The HART-II Test: Rotor Wakes and Aeroacoustics with Higher-Harmonic Pitch Control (HHC) Inputs-The Joint German/French/Dutch/US Project," Proceedings of the 58th American Helicopter Society (AHS) Annual Forum, Montreal, Canada, June, 2002.
Jung, S.N., You, Y.H., Dhuwal, M.K., Riemenschneider, J., and Hagerty, B.P., "Study on Blade Property Measurement and Its Influence on Air/Structural Loads", AIAA Journal, Vol. 53, No. 11, 2015.

상세보기
Jung, S.N., Dhadwal, M.K., Kim, Y.W., Kim, J.H., and Riemenschneider, J., "Cross-sectional Constants of Composite Blades Using Computed Tomography Technique and Finite Element Analysis", Composite Structures, Vol. 129, 2015, pp. 132-142.

상세보기
de Boor, C., "On Calculating with B-splines", Journal of Approximation Theory, Vol. 6, No. 1, 1972, pp. 50-62.

상세보기
Bohm, W., Farin, G., and Kahmann, J., "A Survey of Curve and Surface Methods in CAGD", Computer Aided Geometric Design, Vol. 1, No. 1, 1984, pp. 1-60.

상세보기
Dhadwal, M.K., Jung, S.N., and Kim, T.J., "Evolutionary Shape Optimization of Flexbeam Sections of a Bearingless Helicopter Rotor", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 27, No. 6, 2014, pp. 207-212.
Geuzaine, C., and Remacle, J., "Gmsh: A 3-D Finite Element Mesh Generator with Built-in Pre- and Post-processing Facilities," International Journal for Numerical Methods In Engineering, Vol. 79, No. 11, 2009, pp. 1309-1331.

상세보기
Dhadwal, M.K., and Jung, S.N., "Refined Sectional Analysis with Shear Center Prediction for Nonhomogeneous Anisotropic Beams with Nonuniform Warping," Meccanica, Vol. 51, 2016, pp. 1839-1867.

상세보기
Jung, S.N., Nagaraj, V.T., and Chopra, I., "Refined Structural Dynamics Model for Composite Rotor Blades," AIAA Journal, Vol. 39, No. 2, 2001, pp. 339-348.

상세보기
Hwang, H.J., Ahn, J.H., Chang, S.H., Jung, S.N., Kalow, S., and Keimer, R., "Digital Twin Approach for Structural Property Evaluation of Next Generation Active Twist Blades", Proceeding of the Vertical Flight Society's 76th Annual Forum & Technology Display, Virginia Beach, Virginia, USA, Oct. 2020.
Bogetti, T.A., Hoppel, C.P.R., and Drysdale, W.H., "Three-dimensional Effective Property and Strength Prediction of Thick Laminated Composite Media, Army Research Laboratory Technical Report 911, Oct., 1995.
Kruger, R., and Minguet, P., "Analysis of Composite Panel-Stiffener Debonding Using a Shell/3D Modeling Technique", Composite Structures, Vol. 81, 2007, pp. 41-59.

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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