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논문 기본 정보

자료유형
학위논문
저자정보

강연철 (인하대학교, 인하대학교 대학원)

지도교수
조진연
발행연도
2020
저작권
인하대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수52

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이 논문의 연구 히스토리 (3)

2020

극초음속 비행체 구조물의 공력열탄성학적 설계 기법 연구
강연철 항공우주공 2020.01 학위논문

2019

비행 환경에 따른 극초음속 비행체의 구조 건전성에 관한 연구
강연철 ,  김규빈 ,  김정호 외 2명 한국항공우주학회지 2019.10 학술저널

2018

극초음속 비행체의 구조설계를 위한 공력 열하중 요소 개발
강연철 ,  김규빈 ,  김정호 외 2명 한국항공우주학회지 2018.11 학술저널

초록· 키워드

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일반적으로 극초음속 비행체에는 오랜 비행 임무 시간 동안 넒은 범위의 마하수와 고도에서 운용되기 때문에, 극심한 공력 가열에 의해 발생하는 열유량과 공력 하중이 비행체에 작용한다. 특히 공력 가열 현상은 구조물의 온도를 초고온으로 상승시켜 열적 안전성적인 측면에서 문제를 유발시킬 수 있다. 그리고 상승한 구조물의 온도는 비행체 구조물에 사용된 재료의 강성을 저하시키는 요인이며, 이로 인해 공력 가열이 없으면 동적 불안정 현상이 발생하지 않을 비행조건에서도 동적 불안정성 현상인 플러터를 야기할 수 있다. 앞서 소개한 이러한 현상은 구조물의 변형, 구조물의 온도, 극초음속 비행체 주변 유동장의 상호작용으로 변화될 수 있기 때문에, 이러한 물리 현상을 설명하기 위해서는 공력/열/구조 연계 해석이 필요하다.
이에 많은 연구진들이 공력/열/구조 연계 해석을 수행하기 위하여 복잡한 수치 해석 기법들을 이용한 연구를 수행하였다. 하지만 이러한 방법은 해석 시간이 소요가 많이 되기 때문에 초기 설계 단계에서 사용하기에는 적절하지 않다. 이에 본 연구에서는 효율적으로 공력/열/구조 연계 해석을 수행하기 위하여, 공력 열 하중 요소를 개발하였다. 공력 열 하중 요소는 계산된 압력과 열류량을 절점 하중 벡터와 절점 열유량 벡터로 변환해주는 요소이며, 이를 위해 유한 요소에서 사용되는 형상 함수를 사용하였다. 그리고 구조물의 변형에 따른 비정상 공력 하중을 계산하기 위하여 국부 피스톤 이론을 사용하였고 공력 가열에 의한 열유량을 계산하기 위하여 에커트 기준 온도 기법을 사용하였다. 그리고 개발된 요소를 이용하여 대 변형을 미 고려한 공력/열/구조 연계 해석을 수행하여 계산한 결과와 NASA에서 수행한 시험 결과와 비교하여 개발한 요소의 유효성을 확인하였다.
또한 앞서 설명한 바와 같이, 극초음속 비행체 구조물의 동적 안정성과 열적 안전성은 공력가열 현상으로 상승한 구조물의 온도에 영향을 받는다. 따라서 본 연구에서는 비행 마하수/비행 시간/비행 고도를 변화시켜가며 공력열탄성 해석을 수행하고, 결과로부터 공력 가열 효과가 극초음속 비행체의 열적 안전성과 동적 안정성에 미치는 효과에 대하여 고찰을 하였다. 이를 위해 재료의 녹는점과 비행체의 온도 비교를 하여 극초음속 비행체의 열적 안전성을 판별하였다. 그리고 시간 영역에서 계산된 변위 또는 주파수 영역에서 계산된 고유치를 이용하여 감쇠비를 계산하고, 계산된 감쇠비의 부호를 판별하여 극초음속 비행체 구조물의 동적 안정성을 판별하였다. 특히 본 연구에서는 주파수 영역에서 구조물의 동적 안정성을 판별하기 위하여 공력 하중으로부터 유도되는 강성 행렬과 감쇠 행렬을 새롭게 정식화 하였다.
그리고 초기 단계에서 극초음속 비행체를 설계하는데 효율적으로 사용할 수 있도록 유전자 알고리즘 기반의 극초음속 비행체 구조물의 설계 방법을 제안하였다. 제안한 방법은 극초음속 비행체가 주어진 비행 임무를 수행하는 동안 비행체 구조물의 동적 안정성과 열적 안전성을 보장하며, 비행체의 무게를 최소화하는 설계 변수를 계산하도록 프로그램으로 구현하였다. 이렇게 구현된 프로그램을 이용하여, X-43A가 주어진 비행 임무를 수행하는 동안 열적 안전성과 동적 안정성이 보장되며 비행체의 무게가 최소화되는 설계 변수를 계산하였다.
#극초음속 #공력열탄성 #플러터 #구조건전성 #비행체 구조물 설계

목차

1 서 론 1
1.1 연구 배경 1
1.2 기존 연구 5
1.2.1 극초음속 비행체의 열/구조/공력 연계 해석 5
1.2.2 극초음속 비행체 구조물의 구조 건전성 11
1.2.3 극초음속 비행체 구조물의 설계 16
1.3 연구 목표 18
2 극초음속 비행체의 공력/열/구조 연계 해석 22
2.1 개요 22
2.2 관련 이론 23
2.2.1 공력 하중 모델링 24
2.2.2 공력 가열 모델링 44
2.2.3 공력 열 하중 요소 47
2.3 연구 내용 및 연구 대상 모델링 55
2.3.1 연구 내용 55
2.3.2 연구 대상 모델링 56
2.4 해석 기법 검증 77
2.5 연구 대상 해석 결과 80
2.6 요약 97
3 극초음속 비행체의 구조 건전성 99
3.1 개요 99
3.2 관련 이론 100
3.2.1 비정상 열 전달 해석을 위한 정식화 110
3.2.2 구조 진동 해석을 위한 정식화 122
3.2.3 열/구조 연계 해석을 위한 정식화 128
3.2.4 극초음속 비행체 구조물의 동적 안정성 판별 136
3.3 연구 내용 및 연구 대상 모델링 145
3.3.1 연구 내용 145
3.3.2 검증 대상 모델링 147
3.3.3 연구 대상 모델링 151
3.4 해석 기법 검증 156
3.4.1 열 전달 해석 프로그램 검증 157
3.4.2 구조 진동 해석 프로그램 검증 162
3.4.3 공력/열 구조 연계 해석 프로그램 검증 166
3.4.4 공력/구조 연계 해석 프로그램 검증 167
3.4.5 공력/열/구조 연계 해석 프로그램 검증 168
3.4.6 비행체 구조물의 동적 안정성 판별 기법 검증 181
3.5 연구 대상 해석 결과 203
3.6 요약 225
4 극초음속 비행체 구조물의 설계 227
4.1 개요 227
4.2 관련 이론 229
4.2.1 유전 알고리즘을 이용한 극초음속 비행체 설계 229
4.3 연구 내용 및 연구 대상 모델링 233
4.3.1 연구 내용 233
4.3.2 연구 대상 모델링 234
4.4 해석 기법 검증 236
4.5 연구 대상의 설계 인자 분석 241
4.6 연구 대상 설계 259
4.7 요약 267
5 결론 269

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