Open CASCADE를 이용한 로터 블레이드 단면 모델링 프로그램 개발

강연철,조진연,M. K. Dhadwal,정성남,김태주 한국항공우주학회 2011 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2011 No.11

일반적으로 로터 블레이드는 복합재료로 만들어진 얇은 박막 형태의 외피와 이를 보강하기 위한 스파, 웹과 같은 내부 구조물들로 구성되어 있어 단면 구조가 복잡하고, 이로 인해 단면 모델링과 해석 수행시 어려움이 수반된다. 상용 프로그램을 사용하면 쉽게 단면 모델링을 수행할 수 있으나 특수한 목적으로 개발되어 있지 않기 때문에 로터 블레이드 단면을 효율적으로 설계하기 힘들며, 이를 단면을 해석하기 위한 해석기도 탑재되어 있지 않다. 이에 본 논문에서는 Open CASCADE 를 활용하여 복잡하게 모델링 되어 있는 로터 블레이드의 단면을 효율적으로 설계할 수 있는 CSMA(Cross-Section Modeling and Analysis) 프로그램을 구현하였다. 구현된 프로그램을 이용하여 복잡한 단면 형상을 갖고 있는 로터 블레이드 모델링을 수행하고 이를 통해 프로그램의 유용성을 확인하였다. Cross-section of rotor blade is designed with reinforcement and stacked structures of composite materials. It causes difficulties in modeling. Although there are commercial programs for modeling, those are not developed with special purpose of rotor blade section modeling and do not have a solver which is relate to rotor blade section analysis. For efficient modeling of cross-section of composite rotor blade, a modeling program so called CSMA, Cross-Section Modeling and Analysis, is developed by using Open CASCADE in Windows platform. As an example, modeling and analysis procedure in CSMA for cross-section of rotor blade is presented.

일반적인 단면 형상의 물성치 해석 프로그램 개발

강연철,조진연,김정호,정성남,김태주 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

일반적으로, 로터 블레이드와 항공기 날개의 보와 등과 같은 부재는 큰 세장비를 가지고 있다. 따라서 이와 같은 모델을 해석 시, 단면과 길이 방향상의 지배방정식을 수학적으로 분리하여 각 부분의 해석을 독립적으로 수행하고 있는 실정이다. 이에 단면 형상에 따른 물성치를 예측할 수 있는 2 차원 단면 해석 프로그램이 요구된다. 2 차원 단면해석의 경우 많은 상용프로그램을 이용하여 수행할 수 있으나, 면내 강성, 무게 중심, 관성 모멘트와 같은 정보를 제공하지 않고 있다. 이에 본 논문에서는 기존에 개발되었던 CSMA(Cross-Section Modeling and Analysis)를 확장하여 빠르고 쉽게 단면을 모델링하고, 일반적인 형상까지 모델링 할 수 있는 프로그램을 구현하였다. 구현된 프로그램을 이용하여 일반적인 형상의 모델링 및 해석을 수행하고 개발된 프로그램의 유용성을 확인하였다. Generally, rotor blades and beam structure have large aspect ratio. Thus, span wise and in-plane equations of these structures are decoupled from governing equation mathematically and analysis of each equation is independently carried out. So if engineer want to expect in-plane motion of these structures, they need to have a program be able to calculate in-plane properties. Although there are commercial programs for analysis, commercial programs does not give information related with in-plane properties likewise center of gravity, in-plane rigidity et al. In this paper, we complement and extend the CSMA, Cross-Section Modeling and Analysis, developed by researcher to show the efficiency modeling for not only blade shape but also general shape. As an example, modeling and analysis procedure in CSMA2 for cross-section of general shape is presented.

점용접 조건에 의한 연강의 미세조직 및 기계적특성에 관한 연구

강연철,김대영,김완기,김석원 대한용접접합학회 2000 대한용접·접합학회지 Vol.18 No.1

Spot welding, namely a kind of electric resisting welding has been used widely in field of automobile and aircraft industries because of easiness to apply. Specimens used in this study was a mild steel of 1.2mm thickness and the electrode was a Cu-Cr alloy of 6mm diameter. The surface sheared of specimens after testing of tensile shear was observed by SEM(scanning electron microscope) after ultrasonic cleaning for 10min., and microstructures and grain size of all specimens were measured with using of O.M.(Optical microscope). By the means of measurement and observations of tensile shear load, fatigue strength and share surface, the weldability of spot welding was evaluated. When tensile shearing testing, fracture starting point in all specimens was took place at the bond between HAZ(Heat affected zone) and nugget. With increasing in number of layers, fatigue strength was decreased. With increasing in electric current, grain size in the HAZ became more fine.

비행 환경에 따른 극초음속 비행체의 구조 건전성에 관한 연구

강연철(Yeon Cheol Kang),김규빈(Gyubin Kim),김정호(Jeong Ho Kim),조진연(Jin Yeon Cho),김헌주(Heon Ju Kim) 한국항공우주학회 2019 韓國航空宇宙學會誌 Vol.47 No.10

극초음속 비행체의 경우 고속으로 이동하는 유체와 구조물 표면사이의 마찰에 의해 공력 가열현상이 발생하며, 이로 인해 구조물의 강성이 저하되고 열 변형이 발생하게 된다. 이러한 물리적인 현상들은 비행체의 열공탄성학적인 불안정성을 초래할 수 있으며, 이와 더불어 구조물의 열적 안전성 감소시킬 수 있다. 이에 본 연구에서는 비행고도/비행시간/마하수를 변화시켜가며 공력열탄 성학적 연계해석을 수행하고, 해석된 결과를 이용하여 구조물의 열적 안전성과 동적 안정성에 대해 고찰을 하였다. 구조물의 동적 안전성을 판별하기 위해 계산된 변위와 자동회귀이동평균 기법을 이용하였으며, 내열 안전성은 계산된 온도와 구조물의 녹는점을 비교를 통해 판별을 하였다. 이를 통해 극초음속 비행체의 구조 건전성을 확보하기 위한 설계 방향을 제시하였다. In hypersonic regime, the complicated interaction between the air and surface of aircraft results in intensive aerodynamic heating on body. Provided this phenomenon occurs on a hypersonic vehicle, the temperature of the body extremely increases. And consequently, thermal deformation is produced and material properties are degraded. Furthermore, those affect both the aerothermoelastic stability and thermal safety of structures significantly. With the background, thermal safety and dynamic stability are studied according to the altitude, flight time and Mach number. Based on the investigation, design guideline is suggested to guarantees the structural integrity of hypersonic vehicles in terms of both of thermal safety and dynamic stability.

극초음속 비행체의 구조설계를 위한 공력 열하중 요소 개발

강연철(Yeon Cheol Kang),김규빈(Gyu Bin Kim),김정호(Jeong Ho Kim),조진연(Jin Yeon Cho),김헌주(Heon Ju Kim) 한국항공우주학회 2018 韓國航空宇宙學會誌 Vol.46 No.11

본 연구에서는 극초음속 비행체의 공력/열/탄성학적 거동을 반영할 수 있는 효율적인 공력 열하중 요소를 개발하였다. 빈번하게 설계 변경이 이루어지는 초기 설계 단계에서 효율적으로 사용될 수 있도록 준 해석적인 관계식을 적용하여 공력 하중과 열 하중을 구조 변형의 함수로 기술하고, 이를 기반으로 공력 열하중 요소를 정식화하였다. 정식화된 요소는 상용 프로그램의 사용자 서브루틴 형태로 구현하였으며, 이를 이용하여 극초음속 비행체 조종면의 공력/열/탄성학적 유한요소 연계해석을 수행하고 그 유용성을 확인하였다. An efficient aerodynamic thermal load element is developed to reflect the effect of coupled aero-thermo-elastic behaviors in the early design stage of hypersonic vehicle. To this aim, semi-analytic relationships depending on structural deformation are adopted for pressure and thermal load, and the element is formulated based on the relations. The proposed element is implemented in the form of ABAQUS user subroutine, and coupled finite element analysis is carried out to investigate the aero-thermo-elastic behaviors of control surface of hypersonic vehicle. Through the analysis, usefulness of the proposed aerodynamic thermal load element is identified.

Efficient Prediction of the Temperature History of a Hypersonic Vehicle Throughout the Mission Trajectory with an Aerodynamic Thermal Load Element

김규빈,강연철,우정민,김정호,조진연 한국항공우주학회 2020 International Journal of Aeronautical and Space Sc Vol.21 No.2

This work introduces an efficient approach for aero-thermo-mechanical analysis to predict the temperature history of a hypersonic vehicle during its full mission trajectory. The approach uses a recently proposed aerodynamic thermal load element, in which the effects of aerodynamic pressure and aerodynamic heating are efficiently considered using local piston theory and the Eckert reference temperature method, respectively. This element is implemented as a user-subroutine in commercial software to handle realistic models for the aero-thermo-mechanical analysis, such as the X-43A. A finite element model of the X-43A is constructed for a benchmark test. Using the model, an aero-thermo-mechanical analysis is carried out while considering the full mission trajectory of the X-43A. The predicted temperature results are compared with recorded flight test data from the X-43A. Additionally, the aero-thermo-mechanical behavior of the hypersonic vehicle is investigated according to various parameters. The investigation confirms that the approach can be efficiently used in the design of hypersonic vehicles with considerable savings in computational cost.

항공우주 내열 구조물의 효율적 열전달 해석을 위한 적합직교분해 기반 축약기법 연구

이규범,강연철,조진연,김정호,김헌주 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.11

일반적으로 항공우주 내열 구조물은 공력 열하중이 발생되는 환경에서 운용 되기 때문에 복잡한 열방어 시스템을 갖추고 있다. 그러므로 고속에서 기체 구조물의 열적 거동을 정확히 예측하기 위해서는 열 방어 시스템을 구체적으로 모델링 해야 한다. 그러나 이러한 복잡한 모델링으로 인해 계산량이 많아지는 단점이 있으며, 실제적인 열-공력-구조 연계 해석을 수행할 경우 계산비용은 더 크게 증가하게 된다. 이러한 관점에서 본 논문에서는 계산량을 크게 감소시킬 수 있는 적합직교분해 기반의 열축약기법에 대해 연구하였다. 특히 대표적인 몇 가지의 열 하중 패턴으로 얻은 해석 결과를 이용해 데이터(스냅샷) 행렬을 구성하는 방안을 제안하고, 이를 이용해 열 전달 해석을 수행하였으며, 계산 결과 및 비교를 통해 제안된 적합직교분해 기반 축약 모델의 신뢰성을 검증하였다. Usually, aerospace thermal structures are integrated with complicated TPS in order to protect the flight vehicle from the severe aerodynamic heating. Therefore, to accurately predict the thermal behaviors of high speed aerospace flight vehicle, it is essential to model the complicated TPS. However, the complexity of structural system increases the computational cost, and the burden is doubled especially when we carry out aero-thermo-elastic coupled analysis to predict more realistic thermal behavior. In this point, reduced order model has a clear advantage over the usage of full model. In the line of thought, POD based reduced order model is considered for heat transfer analysis of aerospace thermal structures in this work. Especially, data set (snapshot) matrix is constructed from the representative heat flux patterns. It is identified that the proposed approach gives a reliable result compared with the full finite element analysis.

항공기 중량 추정 프로그램 개발

우정민,강연철,김정호,조진연,황인성,강왕구,이해창 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

항공기의 개념설계 단계에서 최대이륙중량(Design take-off gross weight) 및 요소중량을 경험식을 이용하여 추정할 수 있으며 이 값을 기반으로 이후의 설계 과정을 진행하게 된다. 본 연구에서는 이 과정을 컴퓨터를 이용하여 자동화함으로써 이러한 개념설계 단계를 보다 효율적으로 진행할 수 있도록 하기 위해 이미 알려진 총 4 종류의 경험식을 활용하여 항공기의 최대이륙중량 및 요소중량을 추정할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 개발된 프로그램은 편리한 사용자 인터페이스를 통해 경험식으로 추정한 항공기의 최대이륙중량 및 요소중량을 쉽게 계산할 수 있고, 또한 이 경험식을 이용한 결과 간의 비교 및 평균 등이 가능하므로 항공기의 개념설계 단계에서 매우 유용하고 편리하게 활용될 수 있다. On aircraft conceptual design phase, one can estimate the design take-off gross weight and component weight with empirical formula, and then continue the next design process with these values. A program which can calculate the design take-off gross weight and component weight by applying four types of known empirical formula is developed in order to automate the weight estimation phase and it can make this phase efficient and easy to execute. This program offers a convenient user interface to calculate these values and one can compare or get the average of these values. Thus it would be very useful and convenient to apply this program on aircraft conceptual design phase.

발표22 : 반용융 공정에 의해 주조한 A356 합금의 미세조직 및 피로특성에 관한 연구

김석원,강연철 대한금속재료학회 ( 구 대한금속학회 ) 1999 대한금속학회 추계학술대회 개요집 Vol.1999 No.-

고체 로켓 추력 벡터 제어 유연구동부의 정적 구동 특성 유한요소 해석

이지훈,강연철,음성호,김정호,조진연 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

본 연구에서는 고체로켓(Solid rocket) 유연 구동 시스템(Flexible seal system)의 TVC 정적 구동 특성을 해석적으로 고찰하였다. 이를 위해 유연 구동 시스템(Flexible seal system)의 3차원 기하모델과 유한 요소 격자모델을 구성하고 이를 상용 유한 요소 해석 소프트웨어인 ABAQUS를 이용하여 재료/기하/압력으로 인하여 발생하는 비선형성을 고려한 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 챔버 내 압력 변화에 따른 추력 벡터 제어(TVC, Thrust Vector Control) 구동 특성을 알아보기 위하여 압력이 가해지는 상태에서 구동력(Vectoring load)을 부가하여 그 기본적 특성을 고찰하였다. 본 연구를 통하여, 유한요소 해석을 이용하여 다양한 형상과 재질에 대한 유연 구동부의 거동 특성을 파악할 수 있음을 확인하였다. In this paper, actuation behaviors of flexible seal system in solid rocket is numerically investigated. For analysis of flexible seal system, 3D CAD model and finite element model are constructed, and 3D nonlinear finite element analysis is carried out by commercial finite element software ABAQUS, considering geometric/material/pressure non-linearity. To investigate the TVC actuation characteristics according to chamber pressure, pressure and vectoring load are enforced to the finite element model, and the results are obtained. From the results, it is confirmed that TVC actuation characteristics according to various design parameters, such as geometry and material properties, can be analyzed through nonlinear finite element analysis.