[논문]유전자 알고리즘 PSGA를 이용한 복합재료 헬리콥터 블레이드 최적 구조설계

장세훈; 정성남

doi:10.7234/composres.2022.35.5.340

유전자 알고리즘 PSGA를 이용한 복합재료 헬리콥터 블레이드 최적 구조설계
Optimal Structural Design of Composite Helicopter Blades using a Genetic Algorithm-based Optimizer PSGA 원문보기

Composites research = 복합재료, v.35 no.5, 2022년, pp.340 - 346

장세훈 (Department of Aerospace Information Engineering, Konkuk University) , 정성남 (School of Mechanical and Aerospace Engineering, Konkuk University)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 복합재료 블레이드에 대한 최적 구조설계 프레임워크를 구성하고, 이를 헬리콥터 블레이드에 적용하여 최적 구조설계를 수행하였다. 단면 형상의 경우 C형 및 D형 스파를 선택할 수 있게 구성하였으며, 최적설계 프레임워크는 유전자 알고리즘과 입자 군집 최적화 알고리즘을 결합한 PSGA를 활용하였다. 단면의 기하학적 모델링은 B-spline을 이용하여 구현하였고, 유한요소 모델 생성 프로그램 Gmsh를 통해 단면 유한요소모델을 만든 뒤 단면 해석 프로그램인 Ksec2D를 사용하여 구조해석 결과를 도출하였다. 본 최적설계 프레임워크를 HART II 블레이드에 적용하여 최적 구조설계를 수행한 결과, C형 스파 모델은 기준 형상 대비 무게 7.39%, D형 스파 모델은 6.65% 감소하였으며, 이때 전단중심은 모두 공력중심과 인접한(5% 이내) 결과를 도출하였다. 본 연구를 통해 일반적인 헬리콥터 블레이드의 단면에 적용할 수 있는 최적 구조설계 프레임워크의 유효성을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, an optimal structural design of composite helicopter blades is performed using the genetic algorithm-based optimizer PSGA (Particle Swarm assisted Genetic Algorithm). The blade sections consist of the skin, spar, form, and balancing weight. The sectional geometries are generated using the B-spline curves while an opensource code Gmsh is used to discretize each material domain which is then analyzed by a finite element sectional analysis program Ksec2d. The HART II blade formed based on either C- or D-spar configuration is exploited to verify the cross-sectional design framework. A numerical simulation shows that each spar model reduces the blade mass by 7.39% and 6.65%, respectively, as compared with the baseline HART II blade case, while the shear center locations being remain close (within 5% chord) to the quarter chord line for both cases. The effectiveness of the present optimal structural design framework is demonstrated, which can readily be applied for the structural design of composite helicopter blades.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Geometric model approximated by B-spline with control points
그림 Fig. 2. Generated finite element model using a Gmsh
그림 Fig. 3. Design optimization framework
그림 Fig. 4. Design variables of (a) C-spar and (b) D-spar section
그림 Fig. 5. Locations of selected stations for blade section analysis
그림 Fig. 6. Design variables of 0.16R cross-section
그림 Fig. 7. FE model of HART II blade at 0.75R ((a) original [16], (b) regenerated)
그림 Fig. 8. Comparison of relative stiffness constants of based on HART II values
표 Table 1. Constraints for the values in the optimized design
그림 Fig. 9. Optimized result of HART II blade ((a) 0.16R (b) 0.75R (C spar model [11]) (c) 0.75R (D spar model)
그림 Fig. 10. Comparison of flap bending stiffness
그림 Fig. 11. Comparison of torsional stiffness
그림 Fig. 12. Comparison of mass center offset from leading edge
그림 Fig. 13. Comparison of shear center offset from leading edge
표 Table 2. Mechanical material properties for optimization
그림 Fig. 14. Comparison of rotating natural frequencies

AI 본문요약
AI-Helper

제안 방법

본 연구에서 헬리콥터 블레이드의 단면 모델링은 단면의 기하학적 모델링을 수행하고, 2D 유한요소모델을 제작하는 순서로 진행된다.
본 연구에서는 PSGA를 이용하여 단면 유한요소기반 구조해석을 통해 복합재료 블레이드 최적 구조설계 프레임 워크를 개발하였으며, C형 및 D형 스파 형상으로 선택할 수 있도록 구성하였다. 최적설계 과정에서 블레이드의 단면 형상은 B-spline을 이용하여 모델링을 하였으며, Gmsh를 통해 유한요소모델을 생성한 후 Ksec2D 및 회전 보 고유진동해석을 통해 최적 구조설계를 수행하였다.
이러한 모델링 과정을 통해 다양한 형상의 단면을 유한 요소모델로 생성하는 것이 가능하며 본 연구에서는 해당 과정을 파이썬(Python)을 이용한 프로그래밍을 통해 자동화하여 다양한 설계 변수에 대응하는 모델링을 수행할 수 있도록 구현하였다.
본 연구에서는 PSGA를 이용하여 단면 유한요소기반 구조해석을 통해 복합재료 블레이드 최적 구조설계 프레임 워크를 개발하였으며, C형 및 D형 스파 형상으로 선택할 수 있도록 구성하였다. 최적설계 과정에서 블레이드의 단면 형상은 B-spline을 이용하여 모델링을 하였으며, Gmsh를 통해 유한요소모델을 생성한 후 Ksec2D 및 회전 보 고유진동해석을 통해 최적 구조설계를 수행하였다. 해당 최적설계 프레임워크의 유효성을 검토하기 위해 HART II 블레이드의 단면에 적용하여 기존 물성치와 비교한 결과 최대오차 6.

데이터처리

재생성 된 유한요소모델을 Ksec2D를 이용하여 단면해석을 수행하고, 이전 단면해석 결과와 비교하였다. Fig.

성능/효과

14은 비회전 고유진동수 및 회전고유진동수에 대한 fan 선도를 작도한 것이다. C형 및 D형 스파 모델 모두에서 비회전 1차 고유진동수에서 주어진 구속조건을 모두 만족하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 운용 rpm에서 회전고유 진동해석 결과들이 로터 회전속도의 정수배에서 최소 ±0.
HART II 블레이드에 대한 최적 구조설계 결과는 C형 스파 모델을 사용한 결과 기준 대비 무게 7.39% 감소 효과를 나타냈고, 전단중심의 경우 앞전으로부터 20.05%에 위치했다. D형 스파 모델의 경우 기준 대비 무게 6.
1%의 오차를 보였다. 도출된 단면 형상에 대한 수치 비교를 통해 본 연구에서 제시한 단면 모델링 기법이 어느 정도 유효함을 확인하였다.
또한, 운용 rpm에서 회전고유 진동해석 결과들이 로터 회전속도의 정수배에서 최소 ±0.15/rev 이상 차이나는 것을 확인하였으며, 운용 rpm에서의 공진 회피에 대한 구속조건이 만족되었음을 확인하였다.
해당 최적설계 결과에서는 C형 스파가 무게 감소에 유리했고, 전단 중심의 경우 D형 스파 모델이 공력중심과 더 가까이 있어 공력중심과 전단중심 차이에 따른 모멘트를 줄이는 데 더 유리했다. 이를 통해 C형 스파 모델과 D형 스파 모델을 비교하여 선택할 수 있게 되었고, 본 연구에서 제안한 최적 구조설계 프레임워크의 유효성을 확인하였다.
50%에 위치했다. 해당 최적설계 결과에서는 C형 스파가 무게 감소에 유리했고, 전단 중심의 경우 D형 스파 모델이 공력중심과 더 가까이 있어 공력중심과 전단중심 차이에 따른 모멘트를 줄이는 데 더 유리했다. 이를 통해 C형 스파 모델과 D형 스파 모델을 비교하여 선택할 수 있게 되었고, 본 연구에서 제안한 최적 구조설계 프레임워크의 유효성을 확인하였다.
최적설계 과정에서 블레이드의 단면 형상은 B-spline을 이용하여 모델링을 하였으며, Gmsh를 통해 유한요소모델을 생성한 후 Ksec2D 및 회전 보 고유진동해석을 통해 최적 구조설계를 수행하였다. 해당 최적설계 프레임워크의 유효성을 검토하기 위해 HART II 블레이드의 단면에 적용하여 기존 물성치와 비교한 결과 최대오차 6.4%에서 수렴된 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다.

참고문헌 (22)

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
Li, M.A., Qijun, Z., 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
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
Berdichevsky, V., Armanios, E., and Badir, A., "Theory of Anisotropic Thin-walled Closed-cross-section Beams", Composites Engineering, Vol. 2, 1992, pp. 411-432.

상세보기
Chandra, R., and Chopra, I., "Structural Response of Composite Beams and Blades with Elastic Couplings", Composites Engineering, Vol. 2, 1992, pp. 347-374.

상세보기
Jung, S.N., Nagaraj, V.T., and Chopra, I., "Refined Structural Model for Thin- and Thick-walled Composite Rotor Blades", AIAA Journals, Vol. 40, No. 1, 2002, pp. 105-116.
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
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.
Ahn, J.H., Bae, J.S., and Jung, S.N., "Optimal Structural Design Framework of Composite Rotor Blades Using PSGA", Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 35, No. 1, 2022, pp. 31-37.
Ahn, J.H., "Optimum Structural Configuration Design of HART II Blades using Global Search Algorithm," MS Thesis, Konkuk University, Korea, 2022.
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
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., Dhadwal, 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
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
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
Sim, J.W., Kee, Y.J., Kim, D.K., Kim, S.B., and Byun, S.W., "A Design and Manufacture of the Composite Blade for the Hingeless Rotor System of Unmanned Helicopter", Proceedings of the Korean Society for Composite Materials Conference, April, 2005, pp. 213-216.
Choe, H.S., Kwak, B.S., Park, S.M., Truong V.H., Nam, Y.W., and Kweon J.H., "Tensile Strength of Composite Bonded Scarf Joint in Various Thermal Environmental Conditions", Advanced Composite Materials, Vol. 29, No. 3, 2020, pp. 285-300.

상세보기

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증