[논문]항공기 구조 동특성 해석을 위한 외부 장착 포드의 유한요소모델 구축 절차

이종학; 유구현; 양성철; 정대윤

문제 정의

포드의 Simplified-FEM 구축 시 핵심요소는 첫째, 포드의 관성력 정보를 정확하게 표현하여 항공기 전기체 모델과 결합 시 항공기의 동적 거동을 정확히 모사하기 위한 것이다. 둘째, 포드의 1차 고유 진동수와 고유 모드를 정확하게 표현하여 플러터 해석 시 항공기 및 포드가 받게 되는 동적 응답을 정확히 추출하기 위한 것이다. 본 논문에서는 Fig.
본 논문에는 항공기 구조물 동적 거동을 예측하는데 필요한 포드의 FEM 구축과 관련된 절차를 기술하였다. 포드의 전 모델 FEM(이하 'Full-FEM')과 간략화 모델 FEM(이하 'Simplified-FEM')을 구축하였으며, 피로해석용 FEM을 수정하여 구축한 Full-FEM을 사용하여 포드의 동특성을 파악 후 모달 테스트의 결과를 반영한 Simplified-FEM은 항공기 전기체 동특성 모델에 활용할 수 있도록 하였다.
본 연구에서는 항공기 외부 장착 포드의 모달 해석 및 모달 테스트 기법을 통해 포드의 고유 진동수와 고유 모드를 확인하였으며, 항공기 구조물 동적거동을 예측하는데 필요한 포드의 FEM 구축과 관련된 절차를 기술하였다. 또한, 최적화 기법을 통해 모달 테스트의 결과를 반영한 Simplified-FEM은 항공기 전기체 동특성 모델에 적용할 수 있도록 하여, 항공기의 진동 및 플러터 안정성에 대한 공학적 검토와 입증에 활용할 수 있도록 하였다.
이는 포드의 모달 해석 결과인 모드기여도 및 모드유효질량을 통해서도 확인할 수 있다. 포드의 Simplified-FEM 구축 시 핵심요소는 첫째, 포드의 관성력 정보를 정확하게 표현하여 항공기 전기체 모델과 결합 시 항공기의 동적 거동을 정확히 모사하기 위한 것이다. 둘째, 포드의 1차 고유 진동수와 고유 모드를 정확하게 표현하여 플러터 해석 시 항공기 및 포드가 받게 되는 동적 응답을 정확히 추출하기 위한 것이다.

제안 방법

FEM은 Free-Free 조건으로 포드와 유사한 동적 거동을 나타내는 모델을 구축 후, Fixed 조건에서 1차 벤딩 모드(1st, 2nd 모드)를 만족 할 수 있도록 모델을 튜닝하는 과정으로 진행되었다.
잘라내기를 위한 섹션은 항공기와 장착부인 스터드 볼트, 스웨이 브레이스부와 모달 테스트 시 강성이 약하게 분석되었던 탑재카메라부가 연결되는 베어링부를 기준으로 결정하였다. Fig. 12와 같이 잘라내기를 수행 후 각 섹션별로 무게, 무게중심, 관성모멘트 정보를 계산하였다.
9는 포드의 Fixed 조건 모달 테스트 시험 구성이다. Impact Hammer를 이용하여 포드의 길이 방향 8개소를 Y축 방향으로 가진 하여 각 가진별 FRF를 추출하여 포드의 모달 특성을 분석하였다. 기준 응답 가속도계는 1번에 부착하였다.
6은 포드의 Free-Free 모달 테스트 시험 구성이다. Impact Hammer를 이용하여 포드의 길이 방향 9개소를 Y축 방향으로 가진 하여 각 가진별 FRF를 추출하여 포드의 모달 특성을 분석하였다. 기준 응답 가속도계는 1번에 부착하였다.
고유 진동수 최적화를 통해 Fixed 조건의 모달 테스트의 1차, 2차 고유 진동수를 1~2% 이내로 만족하는 Simplified-FEM을 획득하였다. Table 2 와 Fig.
3과 같다. 구조적인 특성을 감안하여 CHEXA, CPENTA 등의 3D Solid 요소와 CQUAD4의 2D Shell 요소를 사용하여 형상화 하였으며, 연결부인 화스너 및 힌지는 RBE2와 CBAR 등의 요소를 사용하였다. POD 내부 장착물의 질량에 의한 효과를 고려하기 위해서는 각 장착물의 CG 점에 집중질량을 생성하고, POD 구조물에 RBE3 요소로 연결하였다.
둘째, 포드의 1차 고유 진동수와 고유 모드를 정확하게 표현하여 플러터 해석 시 항공기 및 포드가 받게 되는 동적 응답을 정확히 추출하기 위한 것이다. 본 논문에서는 Fig. 2와 같은 절차를 적용하여 Simplified-FEM을 구축하였다.
SolidWorks에서는 조립체 상태에서 잘라내기 기능을 지원함으로써 간단히 물성치 정보를 추출할 수 있다. 잘라내기를 위한 섹션은 항공기와 장착부인 스터드 볼트, 스웨이 브레이스부와 모달 테스트 시 강성이 약하게 분석되었던 탑재카메라부가 연결되는 베어링부를 기준으로 결정하였다. Fig.
항공기 구조는 3D 탄성빔 요소인 beam44로 모사하였으며, 각 절점의 질량요소는 3D 질량요소인 mass21로 모사하였다. 최적의 고유 진동수를 찾을 수 있는 최적화 해석을 수행하기 위해 빔 요소의 강성을 카메라부(Beam1), 포드탑재부(Beam2), 냉각부(Beam3), 스웨이 브레이스 장착부(Beam4), 스터드 볼트(Beam5)로 나누었으며, 모달 테스트의 결과에 따라 각 변수 별 기본 강성을 선정하였다. Fig.
최적화는 주요 부위 빔 요소의 강성을 변수(B1E~B5E)로 하였으며 목적함수는 1차, 2차 고유 진동수가 최대한 모달테스트 결과와 같게 하였고, 구속조건으로는 각 빔요소의 강성 ±30% 이내 및 목적함수의 1차, 2차 고유 진동수값을 ±5%이내로 제한하였다.
포드 Full-FEM을 활용하여 모달 해석을 실시하였다. 모달 해석은 경계조건을 Free-Free 상태로 하고 Block Lanczos 기법을 적용하였다.
포드를 비교적 유연한 천재질의 슬링을 이용하여 크레인에 인양하여 Free-Free 모달 테스트를 수행하였다. Fig.
포드의 Simplified-FEM은 APDL을 지원하는 ANSYS를 활용하여 진행하였다. APDL을 활용하여 각 요소의 강성을 변수화 하여 최적화 해석을 수행할 수 있다.
포드의 전 모델 FEM(이하 'Full-FEM')과 간략화 모델 FEM(이하 'Simplified-FEM')을 구축하였으며, 피로해석용 FEM을 수정하여 구축한 Full-FEM을 사용하여 포드의 동특성을 파악 후 모달 테스트의 결과를 반영한 Simplified-FEM은 항공기 전기체 동특성 모델에 활용할 수 있도록 하였다.
FEM은 Free-Free 조건으로 포드와 유사한 동적 거동을 나타내는 모델을 구축 후, Fixed 조건에서 1차 벤딩 모드(1st, 2nd 모드)를 만족 할 수 있도록 모델을 튜닝하는 과정으로 진행되었다. 항공기 구조는 3D 탄성빔 요소인 beam44로 모사하였으며, 각 절점의 질량요소는 3D 질량요소인 mass21로 모사하였다. 최적의 고유 진동수를 찾을 수 있는 최적화 해석을 수행하기 위해 빔 요소의 강성을 카메라부(Beam1), 포드탑재부(Beam2), 냉각부(Beam3), 스웨이 브레이스 장착부(Beam4), 스터드 볼트(Beam5)로 나누었으며, 모달 테스트의 결과에 따라 각 변수 별 기본 강성을 선정하였다.
항공기 전기체 FEM에 적용하기 위해 포드의 관성력과 동특성 표현하는 Simplified-FEM을 구축하였다. 3D 모델링 도구(SolidWorks)를 활용하여 포드의 각 섹션별로 물성치를 추출하였고 해석 도구(ANSYS)를 활용하여 Simplified-FEM을 구축하였다.
항공기 구조물의 동적 거동 예측을 위한 접근방법은 크게 두 가지로 나누어지는데, 하나는 유한요소모델(이하 'FEM')을 이용한 해석적 방법이고, 다른 하나는 실험적 방법 즉, GVT이다. 항공기는 운용 중 다양한 동적 환경 하에서 높은 안전성과 신뢰성이 요구되므로 FEM을 이용하여 여러 운용 환경 하에서 항공기를 모의하여 동특성을 평가한다⁽²⁾. 그러나 FEM의 단순화, 가정, 불확실성 때문에 유한요소해석에 의해 예측된 결과를 실험을 통해 입증하거나 FEM 개선하여 재해석 할 필요가 있다.
항공기에 장착된 포드의 동특성을 분석하기 위하여 포드를 TGP Pylon을 이용하여 F-16C 항공기에 장착하여 Fixed 조건으로 모달 테스트를 수행하였다. Fig.

대상 데이터

구조물이 완전히 구속되지 않았을 때 고유진동수가 1Hz 미만일 경우 강체모드(Rigid Body Mode)로 간주된다. FEM의 유효성을 입증하기 위하여 Table 1, Fig. 4와 같이 X, Y, Z 방향의 병진모드와 회전모드를 포함한 여섯 개의 강체모드를 확인할 수 있다. Free-Free 조건에서 첫 번째 Global Flexible Mode는 75.
Patran & Nastran을 사용하였으며, FEM 형상은 Fig. 3과 같다.
POD 내부 장착물의 질량에 의한 효과를 고려하기 위해서는 각 장착물의 CG 점에 집중질량을 생성하고, POD 구조물에 RBE3 요소로 연결하였다. 해석모델은 215,480개의 절점수와 173,984개의 요소수로 구성되었다.

데이터처리

항공용 포드의 유한요소 모달 해석을 위해 상용 구조해석 프로그램인 MSC. Patran & Nastran을 사용하였으며, FEM 형상은 Fig.

이론/모형

항공기 전기체 FEM에 적용하기 위해 포드의 관성력과 동특성 표현하는 Simplified-FEM을 구축하였다. 3D 모델링 도구(SolidWorks)를 활용하여 포드의 각 섹션별로 물성치를 추출하였고 해석 도구(ANSYS)를 활용하여 Simplified-FEM을 구축하였다.
Free-Free와 Fixed(실제 항공기 장착) 조건으로 모달 테스트를 수행하였으며 Free-Free 조건의 모달 테스트 결과는 Simplified-FEM 구축 및 튜닝에 적용할 수 있다. 항공기 장착조건에서 유사한 장비인 랜턴포드와 비교 시, 포드의 1차 벤딩 모드의 고유 진동수가 20Hz 정도 낮음을 알 수 있다.
모달 테스트 결과에 따라 Simplified-FEM을 튜닝하기 위하여 고유 진동수 최적화 기법을 활용하였다.
포드 Full-FEM을 활용하여 모달 해석을 실시하였다. 모달 해석은 경계조건을 Free-Free 상태로 하고 Block Lanczos 기법을 적용하였다. 포드의 모달 해석결과는 Table 1과 같다.

성능/효과

본 연구에서는 항공기 외부 장착 포드의 모달 해석 및 모달 테스트 기법을 통해 포드의 고유 진동수와 고유 모드를 확인하였으며, 항공기 구조물 동적거동을 예측하는데 필요한 포드의 FEM 구축과 관련된 절차를 기술하였다. 또한, 최적화 기법을 통해 모달 테스트의 결과를 반영한 Simplified-FEM은 항공기 전기체 동특성 모델에 적용할 수 있도록 하여, 항공기의 진동 및 플러터 안정성에 대한 공학적 검토와 입증에 활용할 수 있도록 하였다.
7은 가진점을 나타내틑 포드의 그림과 모달 특성을 분석한 모드 형상이다. 분석 결과 빔의 모달 특성 이론에 따라 1차 모드에 1차 벤딩 모드, 2차 모드에 2차 벤딩 모드가 발생하였으며, 1, 2차 고유진동수의 비도 2.97 이론값인 2,76과 유사하게 나타났다. Z축 방향도 Y축과 동일한 조건으로 시험을 수행하였다.
8은 가진점을 나타내는 포드의 그림과 모달 특성을 분석한 모드 형상이다. 분석결과 빔의 모달 특성 이론에 따라 1차 모드에 1차 벤딩 모드, 2차 모드에 2차 벤딩 모드가 발생하였으며 1, 2차 고유진동수의 비도 2.33 이론값인 2.76과 유사하게 나타났다.
12는 가진점을 나타내는 포드의 그림과 모달 특성을 분석한 모드 형상이다. 분석결과, 1~3차 모드 (23, 44, 50Hz,)는 강체 모드 형상으로 항공기와 연성 모드이며, 4차 모드는 탑재카메라부와 포드기구 사이에서 노달 포인트가 발생하는 1차 벤딩 모드이다.
10은 가진점을 나타내는 포드의 그림과 모달 특성을 분석한 모드 형상이다. 분석결과, 1차 모드(30Hz)는 강체 모드 형상으로 항공기와 연성 모드이며, 2차 모드는 탑재카메라부와 포드기구 사이에서 노달 포인트가 발생하는 1차 벤딩 모드이다. Z축 방향도 Y축과 동일한 조건으로 시험을 수행하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	플러터 연상이란?	포드가 장착되는 전술정찰기와 같이 고속으로 비행하는 항공기의 공기의 흐름과 구조물의 관성, 탄성의 상호작용에 의해 심한 진동을 일으킬 수 있으며, 진동은 항공기 전체로 급속히 퍼져 구조물 전체의 파손을 초래하게 된다. 이러한 현상을 플러터 연상이라고 하는데, 플러터 현상이 발생하는 비행속도인 플러터 속도를 예측하기 위한 플러터 해석은 필수 적이다.
	데이터링크를 통해 지상으로 실시간 전송된 항공용 영상 정보는 어떤 영상 정보를 제공하는가?	항공용 영상정보 포드(이하 '포드')는 전술정찰기의 파일론(Pylon)에 장착되어 운용되며, 전술정찰소요표적에 대한 영상을 수집 후 데이터링크를 통해 지상으로 실시간 전송한다. 전송된 데이터는 지상처리 장비에서 영상판독작업을 통해 전술작전임무 수행 등을 위한 영상정보를 제공한다. 포드와 같은 장착물을 항공기에 장착하여 운용하기 위해서는 장착 항공기와의 적합성(Compatibility)을 입증하여야 한다.
	장착물을 항공기에 장착하여 운용하기 위해서는 무엇을 입증하여야 하는가?	전송된 데이터는 지상처리 장비에서 영상판독작업을 통해 전술작전임무 수행 등을 위한 영상정보를 제공한다. 포드와 같은 장착물을 항공기에 장착하여 운용하기 위해서는 장착 항공기와의 적합성(Compatibility)을 입증하여야 한다. 특히 항공기의 진동 및 플러터 안정성에 대한 공학적 검토와 입증이 필요하다.

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