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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 박정선
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수20
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2013년도에 발표한 우주개발 중장기 계획에 따라 2020년까지 한국형 발사체 개발이 예정 되어있다. 경쟁력 있는 발사체를 개발하기 위해서는 추진 제어 시스템과 함께 경량 구조에 대한 연구가 수행되어야 한다. 발사체의 주 구조물인 원통형 구조물은 발사 시 높은 압축하중을 받기 때문에 좌굴하중을 고려한 구조 설계가 요구된다. 등방성 격자구조(Isogrid structure)는 반복적인 삼각형 형태의 격자보강 구조로 원통형 구조에 무게 대비 효율적으로 강성을 높일 수 있는 구조이다. 또한 우주발사체의 추진제 탱크에 사용하고 있으며, 압축하중과 굽힘하중의 지지에 효과적인 구조물로 알려져 있다[1].
우수한 발사체 설계기술을 보유하고 있는 미국, 러시아 등은 경량 등방성 격자구조 설계에 대한 기술을 보유하고 있으나[1-5], 국내에는 이와 관련된 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 발사체 추진제 탱크의 경량화를 위해 등방성 격자구조의 최적설계를 수행하였다. 최적설계는 많은 횟수의 반복적인 계산을 수행하므로 짧은 해석시간을 필요로 한다. 따라서 해석시간을 축소하기 위해 삼각형 격자의 유한요소 크기를 변경한 모델과 원주 방향으로 축소한 모델을 생성하여 직경 2,400mm의 등방성 격자구조 실린더에 적용하여 좌굴해석결과를 전체모델과 비교하여 타당한 모델을 선정하였다. 발사체 추진제 탱크의 등방성 격자구조는 원통형의 형상과 리브와 스킨의 규격 차이로 인해 유한요소모델 생성이 까다롭다. 따라서 본 논문에서는 수치해석 프로그램을 이용하여 등방성 격자구조의 유한요소모델을 생성하였고, 4절점 쉘(Shell) 요소를 사용하였다. 또한, 수치해석 프로그램과 유한요소 프로그램을 이용한 최적설계 프로그램을 개발하였다. 선정된 모델을 이용하여 좌굴하중에 대한 최적설계를 수행하였으며, 최적설계 알고리즘은 전역 최적화 이론으로 많은 분야에서 사용되고 있는 유전자 알고리즘을 사용하였다. 또한, 최적설계 결과를 이용하여 전체모델과 축소모델의 유한요소해석을 수행하였고, 국부좌굴과 전체좌굴이 일어나는 형상과 패턴에 대해 비교분석 하였다.
우수한 발사체 설계기술을 보유하고 있는 미국, 러시아 등은 경량 등방성 격자구조 설계에 대한 기술을 보유하고 있으나[1-5], 국내에는 이와 관련된 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 발사체 추진제 탱크의 경량화를 위해 등방성 격자구조의 최적설계를 수행하였다. 최적설계는 많은 횟수의 반복적인 계산을 수행하므로 짧은 해석시간을 필요로 한다. 따라서 해석시간을 축소하기 위해 삼각형 격자의 유한요소 크기를 변경한 모델과 원주 방향으로 축소한 모델을 생성하여 직경 2,400mm의 등방성 격자구조 실린더에 적용하여 좌굴해석결과를 전체모델과 비교하여 타당한 모델을 선정하였다. 발사체 추진제 탱크의 등방성 격자구조는 원통형의 형상과 리브와 스킨의 규격 차이로 인해 유한요소모델 생성이 까다롭다. 따라서 본 논문에서는 수치해석 프로그램을 이용하여 등방성 격자구조의 유한요소모델을 생성하였고, 4절점 쉘(Shell) 요소를 사용하였다. 또한, 수치해석 프로그램과 유한요소 프로그램을 이용한 최적설계 프로그램을 개발하였다. 선정된 모델을 이용하여 좌굴하중에 대한 최적설계를 수행하였으며, 최적설계 알고리즘은 전역 최적화 이론으로 많은 분야에서 사용되고 있는 유전자 알고리즘을 사용하였다. 또한, 최적설계 결과를 이용하여 전체모델과 축소모델의 유한요소해석을 수행하였고, 국부좌굴과 전체좌굴이 일어나는 형상과 패턴에 대해 비교분석 하였다.
목차
요 약 i목 차 iii그 림 목 록 v표 목 록 viii기 호 목 록 ix제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 및 목적 11.2 연구 방법 3제 2 장 유한요소 좌굴이론 52.1 평판요소의 변위함수 52.2 평판요소의 강성행렬 142.3 평판요소의 좌굴하중 15제 3 장 등방성 격자구조의 유한요소 모델링 163.1 등방성 격자구조의 형상 및 제원 163.2 등방성 격자구조의 유한요소 모델링 18제 4 장 등방성 격자구조 최적설계 374.1 최적설계 프로그램 개발 374.2 유전자 알고리즘 384.3 최적설계의 정식화 394.4 발사체 추진제 탱크의 등방성 격자구조 최적설계 결과 414.5 유한요소 해석결과 비교 및 분석 434.6 등방성 격자구조 등가화 모델 47제 5 장 결 론 54참고문헌 56SUMMARY 58감사의 글 59
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