초록 ▼

□ 연구개요
본 과제의 연구 목표는 1단계 100kV 절연 성능 붐 시스템의 연구 성과를 확장한 “765kV 절연 성능을 가지는 대형 경량 붐 시스템 설계”이며 다음과 같은 세부 목표를 가진다.
• 세부목표 1: 초고압 절연 성능이 최대화된 복합재료 설계
• 세부목표 2: 3차원 쉘-프레임 구조물 최적화를 위한 레벨셋 함수 기반 고해상도 위상최적설계
• 세부목표 3: 대형 쉘-프레임 구조물 최적화를 위한 위상최적설계
위의 연구 목표는 “절연 복합 재료설계”와 “대형 쉘-프레임 구조물 위상최적설계”로 크게

□ 연구개요
본 과제의 연구 목표는 1단계 100kV 절연 성능 붐 시스템의 연구 성과를 확장한 “765kV 절연 성능을 가지는 대형 경량 붐 시스템 설계”이며 다음과 같은 세부 목표를 가진다.
• 세부목표 1: 초고압 절연 성능이 최대화된 복합재료 설계
• 세부목표 2: 3차원 쉘-프레임 구조물 최적화를 위한 레벨셋 함수 기반 고해상도 위상최적설계
• 세부목표 3: 대형 쉘-프레임 구조물 최적화를 위한 위상최적설계
위의 연구 목표는 “절연 복합 재료설계”와 “대형 쉘-프레임 구조물 위상최적설계”로 크게 구분할 수 있으며 1단계에서 달성한 연구 결과를 토대로 수행되었다.

□ 연구 목표대비 연구결과
￭ 세부목표 1: 초고압 절연 성능이 최대화된 복합재료 설계
- 시편 레벨의 건조환경 시험에서 발생한 누설 전류 문제는 대형화된 붐에서는 누설 전류가 감소함
- 습윤 환경 절연 성능은 LSR (Liquid Silicon Rubber)의 소수 특성을 이용하여 해결함
- LSR의 저강도 문제는 GFRP와 LSR의 이중 구조를 사용함으로써 해결함
- 따라서 HCR (High Consistency silicon Rubber) 도입과 각종 필러 최적화에 의한 절연 침식 성능 최적화 및 인장 강도 개선에 관한 연구는 수행하지 않음 (1차년 후에 세부목표 변경함)
￭ 세부목표 2: 3차원 쉘-프레임 구조물 최적화를 위한 레벨셋 함수 기반 고해상도 위상최적화
- 2차원 빔 트러스 구조물, 3차원 쉘 구조물 최적설계를 수행함
- 별도의 제한조건이 없이 얇고 일정한 두께의 부재로 구성되는 구조물을 최적화하는 방법을 개발함
- 초기 설계로부터 형상 변경이 큰 문제를 요소망 찌그러짐, 형상 파라미터 의존성 등의 수치적인 문제점이 없는 방법임
- 자유도 소거법을 이용한 3차원 쉘 구조물의 빠른 최적설계법을 제시함
- 3차원 쉘 구조물 최적화는 형상최적설계법은 완성하였으나 위상최적설계법 연구는 현재 진행중임
￭ 세부목표 3: 대형 쉘-프레임 구조물 최적화를 위한 위상최적설계
- 이동패치법(MMP)에 의한 쉘-프레임 구조 위상최적화법 개발
- 마스크를 이용한 제한조건을 새롭게 제시함으로써 3차원 쉘구조의 두께 컨트롤을 가능케함
- 3차원 쉘 부재의 두께를 상한값, 하한값, 일정값 등으로 자유롭게 컨트롤 하는 방법을 최초로 제시함
- 자유도 소거와 MMP 설계변수 도입으로 빠른 해석과 설계가 가능함
- 붐 시스템의 좌굴 강도에 대한 고려는 단면 최적화 레벨에서는 수행하였으나 3차원 최적화 문제로 시간관계상 확장하지는 못했음(진행 예정임)

□ 연구개발결과의 중요성
￭ 학문적 기여
- 초고압 절연 복합재료 최적 설계: 수백 kV급의 절연성능을 위하여 폴리머 기반 절연체와 GFRP 이중 구조의 구조 부재를 채용함으로써 습윤, 오염 등 거친 환경에서 안정적인 절연 성능을 가지는 절연 복합재를 설계하는 방법론을 제시하였다.
- 쉘 구조물을 위한 창의적 최적설계법: 위상최적설계법이 기존 설계에서 벗어난 창의적인 설계안을 제시하여 활발히 산업에 응용되고 있는 반면에 쉘 구조물을 직접 위상최적화하는 방법은 개발되지 않았다. 본 연구에서 해석 자유도와 설계 변수를 크게 감소시킴으로써 해상도 높은 쉘 구조 위상최적설계법을 최초로 제시한다.
￭ 경제적 기여
- 절연 성능이 요구되는 구조 부재 설계 기술: 수송 기계나 건설 기계 등의 전기 동력화로 인하여 고 강도/강성을 지니는 절연 재료의 필요성이 증가하고 있다. 본 과제에서 개발한 최적화 구조는 초고압 절연성능과 고강도/강성 구조성능을 지님으로써 관련 산업 분야의 경쟁력을 높일 수 있다.
- 대형 붐 시스템 최적설계 기술: 본 연구에서 개발하는 구조 최적설계법은 대형 붐 시스템뿐만 아니라 건설, 소방, 해양구조, 우주구조 등 일반 대형 시스템의 설계에 적용 가능하다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 1.1. 연구의 목표 및 내용 ... 4
• 1.2. 연구의 필요성 ... 6
• 2. 연구수행내용 및 연구결과 ... 8
• 1) 초고압 절연 복합재료 ... 8
• 2) 레벨셋 함수 기반 고해상도 위상최적설계: 2차원 빔 트러스 구조 ... 9
• 3) 레벨셋 함수 기반 고해상도 위상최적설계: 3차원 쉘 구조 ... 12
• 4) MMP 기반 3차원 위상최적설계 ... 15
• 3. 연구개발결과의 중요성 ... 17
• 4. 참고문헌 ... 18
• 5. 연구성과 ... 20
• 대표적 연구실적 ... 23
• 끝페이지 ... 35