논문 정리 '항공기 복합재 보강재 최적 설계'

항공기-날개

오늘은 '어레이 안테나 장착을 위한 단순화된 주익 구조의 복합재 모자형 보강재 최적설계' 논문을 정리해 보았습니다. 개인적인 공부 목적으로 정리한 것으로 정확하고 상세한 내용은 부디 원문을 참고하시길 부탁드립니다.

 

(박승현, 김인걸, 이석제, 전우철, 2012, "어레이 안테나 장착을 위한 단순화된 주익 구조의 복합재 모자형 보강재 최적설계", Composites research, Volume 25, 224-229)

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항공기 복합재 구조 최적 설계

어레이 안테나는 항공기에서 정찰, 감시 목적을 담당합니다. 이런 안테나를 내장하기 위해서는 주익 스킨에 구멍(Cutout)을 내야 하는데 컷아웃은 구조물의 성능을 저하시킵니다. 이 논문에서는 안테나와 날개 구조물의 성능 모두를 최적화하는 복합재 보강재 설계를 수행하였습니다. 

최적 설계 방법

먼저 유한 요소 모델을 생성하여 적절한 보강재 형상을 선정하고 응력, 좌굴에 대한 구속조건을 위해 VisualDOC, FEM을 이용하여 최적화를 수행하였습니다. 

구조 설계 및 해석 방법

특히 항공기 날개 부위는 비행 중 많은 하중을 받게 되는데 이 부분에 복합재 보강재를 설계하기 위해서는 다양한 구조적 특성이 변화되는 것을 알아야 하고 강성 및 강도 또한 당연히 고려되어야 합니다. 보강재는 항공기에서 일반적으로 사용되는 0/+45/-45/90 네 종류로 제한하였습니다. 안테나의 성능, 구조물의 성능을 최적화하기 위해 모자형 보강재로 보강하는 개념을 적용하였고 높은 비강성 특성을 가지는 섬유 복합재를 선정하였습니다. 

 

어레이 안테나가 장착되는 섹션을 포함한 유한요소 모델링을 생성하여 분포하중, 구속 조건을 주어 고전 적층판 이론을 사용하였습니다. 모자형 보강제는 스킨의 비틀림과 굽힘에서 큰 장점을 가지는 특성이 있으며 안테나를 보호하고 탈착이 용이하도록 설계되었다. 

최적설계 결과

유한요소모델 결과를 기반으로 최적화 프로그램인 VisualDOC에 적용하여 복합재 모자형 보강재의 무게를 최소화하는 두께를 분석하였습니다. 외부 보강재에 비해 내부 보강재의 두께가 전체적으로 두껍게 설계되는 것을 확인하였고 이는 구조물이 하중을 견디는 역할이 다르다는 결론이 나왔습니다. 최종적으로 추가적인 구속 조건을 적용하면서 전체적인 최적 설계를 적용하여 최적 설계의 타당성을 검증하였습니다.

결론 및 소감

해당 논문에서는 항공기 날개에 어레이 안테나를 장착할 경우 구조 성능, 안테나 성능을 최적화하는 복합재 보강재 설계를 수행하였습니다. 구조적 안전성 감소를 해결하면서 안테나의 요구 조건을 만족시킬 수 있는 모자형 보강재를 설계하였고 각 부재의 두께를 최적화 설계를 하였습니다. 항공기 복합재 사용이 증가하고 있고 특히 복합재 비중이 크고 큰 하중을 받는 주익 구조물에 효율적인 복합재 보강재 설계 가능성을 확인할 수 있는 논문이었습니다.