[논문]스마트 무인기 4자유도 지상시험치구 구조진동해석

박강균; 최현철; 김동만; 김동현; 안오성

문제 정의

스마트 무인기 지상시험 중 비행체의 파손을 방지하고 발생 가능한 지상시험치구의 파손을 예방하기 위하여 비상하중조건 및 충돌시험 환경에 따른 구조해석 및 진동해석을 상용프로그램을 이용하여 수행하였다. 설계된 모델에 대한 해석 결과를 바탕으로 최종 설계를 완료하였으며, 설계 완료된 모델이 어떤 구조적 특성을 갖는지 검토하였다. 최종보강 이후 모든 구조물이 인장강도 이하의 응력분포를 보여 구조적으로 안전하다는 결과를 얻을 수 있었으며 완충기 사양을 증가시키는 등의 설계 개선이 이루어졌다.
스마트무인기 지상시험치구는 Z방향 자유도와 3방향 회전자유도를 갖는 장치로서 지상에서 무인기의 운동제어 및 안정성을 검토하기 위한 것으로 특히 시험운용 중 파손에 의한 무인기의 보호에 그 목적이 있다. 시험 장치는 무인기를 지지하고 있는 Middle Structure(상부), Z방향 자유도를 가지는 Moving Structure(하부), 그리고 지면에 부착되어 있는 Base frame(바닥면)의 결합구조로 구성되어 있으며 각각은 비행체의 안전에 최우선을 두고 설계개념이 고안되어야 한다.

제안 방법

본 연구에서는 각 최고시험하중조건에 대하여 Fig. 1의 지상시험치구에 윗 방향, 뒷 방향으로 비행체의 1.52g, 앞 방향, 옆 방향, 아랫방향으로 4g의 공력하중이 가해지며 3배의 안전율을 적용하여 하중을 가하였다. 또한 충돌해석에 있어서 피치 각속도, 롤 각속도에 대해서는 운용 최대속도의 안전율을 1.
5배 속도의 조건으로 해석을 수행하였다. Fig.9와 같이 지상시험치구에 비행체 대신 집중질량과 관성력을 부가하였고 질량중심과 완충기를 강체빔으로 연결 후 계산된 충격하중(Moment)을 부가하는 방법으로 해석을 수행하였다. 하중은 충돌이 가해지는 치구에서 처음 발생하여 아래로 전달될 것으로 예상되어 회전각속도에 대한 를 예상하여 한번 부딪혀서 나오 time range 는 1cycle 정도의 시간인 0.
또한 유한요소해석을 위해 Fig. 4와 같이 전체 시험치구를 구조물과 비구조물로 나누었다. 비구조물은 해석결과에는 영향을 미치나 응력분포를 나타내지 않아도 되는 구조물을 집중질량으로 나타내어 관성력을 부여하였으며, 구조물은 탄성계수와 밀도를 각각 부여하여 응력분포를 알아야 하는 부분으로 정의하였다.
52g, 앞 방향, 옆 방향, 아랫방향으로 4g의 공력하중이 가해지며 3배의 안전율을 적용하여 하중을 가하였다. 또한 충돌해석에 있어서 피치 각속도, 롤 각속도에 대해서는 운용 최대속도의 안전율을 1.5배 적용하여 해석을 수행하였다.
5는 지상시험치구에 옆방향 4g 하중을 가한 모습을 나타내었다. 비행체를 집중질량으로 고려하여 치구와 연결되는 지점에 RBE(Rigid Bar Element)로 연결한 후 공력하중과 안전계수를 고려한 집중하중을 가하였다. 왼쪽아래부분의 하중은 무게추 역할을 담당하는 부분에 대하여 질량중심을 구하여 자중을 부여했으며 가운데 나타난 하중은 비행체를 제외한 전체 치구의 질량중심에 자중을 부여한 모습이다.
비행체의 관성을 부여한 질량중심을 비행체 대신 3축 회전판 위에 올려두고 회전속도의 1.5배 속도의 조건으로 해석을 수행하였다. Fig.
8과 같이 해석을 수행하였으며 비상하중조건 중 앞 방향 4g에 대해 해석을 수행하였다. 비행체의 자중(1,040kg)과 Base frame을 제외한 지상시험치구의 4,511kg의 자중을 무게 중심에 가하여 해석하였으며 최대응력이 bolting결합 구조물에서 311MPa이 나타나 인장강도 내에 포함되어 안전여유를 확보하였다.
스마트 무인기 지상시험 중 비행체의 파손을 방지하고 발생 가능한 지상시험치구의 파손을 예방하기 위하여 비상하중조건 및 충돌시험 환경에 따른 구조해석 및 진동해석을 상용프로그램을 이용하여 수행하였다. 설계된 모델에 대한 해석 결과를 바탕으로 최종 설계를 완료하였으며, 설계 완료된 모델이 어떤 구조적 특성을 갖는지 검토하였다.
지상시험치구에 대해 보강이 이루어진 모델을 rolling motion과 pitching motion에 대하여 해석을 수행하여 구조물의 안정성을 판단하였다. 보강된 모델은 전체적인 형상의 변경과 함께 완충기의 사양도 증가하였다.
최종 수정된 모델의 구조물 고유진동해석 해석 결과가 아래와 같이 나타났다 구조해석에 영향을 미치지 않는 비행체와 Mass balance 구조물은 집중질량으로 대신하였고 구조물의 질량은 무게중심에 부가하였다.
9와 같이 지상시험치구에 비행체 대신 집중질량과 관성력을 부가하였고 질량중심과 완충기를 강체빔으로 연결 후 계산된 충격하중(Moment)을 부가하는 방법으로 해석을 수행하였다. 하중은 충돌이 가해지는 치구에서 처음 발생하여 아래로 전달될 것으로 예상되어 회전각속도에 대한 를 예상하여 한번 부딪혀서 나오 time range 는 1cycle 정도의 시간인 0.15초까지 해석을 수행하였다.
하중이 가장 많이 걸릴 것으로 예상되는 Middle structure, Moving structure, Base frame에 대하여 구조해석 결과를 각각 나타내었다.

대상 데이터

모델의 대략적인 형상은 가로 및 세로방향이 5m×5m 이고 무인기를 제외한 높이가 약 3m이다.
상부에 4자유도를 가지면서 움직이는 스마트 무인기가 집중질량 개념의 비구조 유한 요소로 설계되었고 지상시험장치대는 상부 방향 자유도를 가지는 Middle Structure( 상부), Z방향 자유도를 가지는 Moving Structure(하부), 그리고 지면에 부착되어 있는 Base frame(바닥면)의 구조물로 구성되어 있다.
시험 장치는 무인기를 지지하고 있는 Middle Structure(상부), Z방향 자유도를 가지는 Moving Structure(하부), 그리고 지면에 부착되어 있는 Base frame(바닥면)의 결합구조로 구성되어 있으며 각각은 비행체의 안전에 최우선을 두고 설계개념이 고안되어야 한다.
장치대의 총 질량은 5,551kg이고, Middle structure를 포함한 구조 질량은 4,511kg이고, 스마트 무인기를 포함한 비 구조질량 은 1,040kg이다.
모델의 대략적인 형상은 가로 및 세로방향이 5m×5m 이고 무인기를 제외한 높이가 약 3m이다. 지상시험설비의 구조진동해석을 위한 3차원 동적 유한요소모델은 Fig. 3과 같이 모델링하였으며, 절점 187,023 개와 요소 363,665개로 구성되어 있다.

이론/모형

본 연구에서는 강도해석을 위해 Von-Mises 응력 기준식을 사용하였으며, 식(1) 같은 이론식에 근거하여 유한요소해석을 통해 구해지게 된다.
본 해석에서는 스마트 무인기의 지상시험치구의 구조진동 해석을 위해 유럽 SAMTECH사에서 개발한 범용 유한요소 프로그램인 SAMCEF Ver. 6.3을 사용하였다. 현재 설계된 지상시험장치대는 초기에는 Fig.

성능/효과

3 , 4 (c), (d) 차 차 모드는 에서 보이는 바와 같이 각각 10.1Hz, 38.4Hz로 초기모델에 비해 큰 고유진동수를 보였는데 의 비행체 동체 지지부의 변위가 크 Middle structure 게 나타났으며 이는 큰 질량을 가지는 이 구조물의 고유진동수가 낮기 때문이다 전체적으로 고유진동수가 증가하여 . 초기모델에 비해 구조적으로 진동에 대해 보다 안정되었음을 알 수 있다.
경계조건은 Arm assembly Link와 Moving structure와의 hinge-bolting결합을 contact 요소로 정의하였다. 구조해석 결과 초기모델에 대해서 응력이 인장강도보다 높게 나타났는데 모서리 부분과 하중을 지지하는 Frame과 Plate에서 파손이 나타났다. 구조에 발생한 최고 응력은 1,320MPa으로 안전계수는 -0.
7에서와 같이 응력분포가 인장강도 이하에 나타나 안전여유를 확보하였다. 두께증가와 보강재가 추가되었으며 최고응력은 448MPa로서 구조적으로 안정되었음을 알 수 있다.
설계된 모델에 대한 해석 결과를 바탕으로 최종 설계를 완료하였으며, 설계 완료된 모델이 어떤 구조적 특성을 갖는지 검토하였다. 최종보강 이후 모든 구조물이 인장강도 이하의 응력분포를 보여 구조적으로 안전하다는 결과를 얻을 수 있었으며 완충기 사양을 증가시키는 등의 설계 개선이 이루어졌다.
3을 사용하였다. 현재 설계된 지상시험장치대는 초기에는 Fig. 2의 왼쪽과 같이 modeling되어 550MPa의 인장강도(SM45C)를 가지는 구조물로 설계되었으나 선행 구조해석결과 허용인장강도보다 높은 응력이 발생하여 SM45C보다 큰 인장강도를 가지는 재질로 보강하였으며 구조물도 아래의 오른쪽 그림과 같이 두께가 증가하거나 보강재가 추가되어 안전여유를 확보하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	스마트무인기 지상시험치구의 목적은?	스마트무인기 지상시험치구는 Z방향 자유도와 3방향 회전자유도를 갖는 장치로서 지상에서 무인기의 운동제어 및 안정성을 검토하기 위한 것으로 특히 시험운용 중 파손에 의한 무인기의 보호에 그 목적이 있다. 시험 장치는 무인기를 지지하고 있는 Middle Structure(상부), Z방향 자유도를 가지는 Moving Structure(하부), 그리고 지면에 부착되어 있는 Base frame(바닥면)의 결합구조로 구성되어 있으며 각각은 비행체의 안전에 최우선을 두고 설계개념이 고안되어야 한다.
	스마트무인기 지상시험치구는 어떻게 구성되어 있는가?	스마트무인기 지상시험치구는 Z방향 자유도와 3방향 회전자유도를 갖는 장치로서 지상에서 무인기의 운동제어 및 안정성을 검토하기 위한 것으로 특히 시험운용 중 파손에 의한 무인기의 보호에 그 목적이 있다. 시험 장치는 무인기를 지지하고 있는 Middle Structure(상부), Z방향 자유도를 가지는 Moving Structure(하부), 그리고 지면에 부착되어 있는 Base frame(바닥면)의 결합구조로 구성되어 있으며 각각은 비행체의 안전에 최우선을 두고 설계개념이 고안되어야 한다. 비행체는 다양한 회전자유도를 가지고 지상시험을 실시하므로 장시간에 걸친 반복적3ww 하중을 지지해야 하며 시험과정 중 발생하는 충돌하중에도 구조적 안정을 유지해야 한다.
	Mecano 해석기법이란?	6.3의 Mecano 해석기법을 이용하였는데 이는 탄성변형 충돌해석기법으로 일정한 강성을 가지는 물성치를 사용하는 것으로 변형에 따른 구조물의 에너지 흡수율이 작아 외력에 대한 탄성체의 Reaction force가 크게 나타날 수 있는 보수적 개념의 해석 방법이다.

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