SPH 기법을 이용한 항공기 금속재 슬랫과 복합재 플랩의 조류충돌 안전성 평가 = Bird-Strike Safety Assessment of Aircraft Metallic Slat and Composite Flap using the SPH Method

국문 초록 (Abstract)

항공기 구조물에 대한 조류충돌 안전성 평가는 일반적으로 시험 을 통해 수행한다. 그러나 조류충돌 시험은 높은 비용이 소요되며 일관된 시험 결과를 확보하는 데 한계가 있다. 따라서 본 논문에서 는 SPH 기법을 활용한 유한요소해석 기법을 이용하여 항공기 구조 물에 대한 조류충돌 안전성 평가를 수행하고자 하였다. 안전성 평가에 앞서 해석의 신뢰성을 확보하고자 SPH 기법 검증 을 수행하였다. 이를 위해 해석 결과에 영향을 미치는 입자 간 거리(Pitch)와 완화 길이 요소(Smooth length factor)를 변수로 선정하 였고 변수 조합에 따라 16개의 강체 평판 충돌 해석을 수행하였다. 이후 평판 중앙에서의 압력을 선행 연구의 평판 충돌 결과인 37 MPa과 비교하여 SPH 기법을 검증하였다. 16개의 조합 중 37.2 MPa로 선행 연구의 결과와 0.54%의 오차를 결과를 보인 입자 간 거리 5 mm와 완화 길이 요소 1.05 조합을 본 연구의 SPH 조류 모델에 적용하였다. 검증된 SPH 조류 모델을 이용하여 금속재 슬랫과 복합재 플랩에 대해 조류충돌 해석을 수행하였다. 이를 통해 구조물의 조류충돌 취 약부를 선정하고 구조물의 파손과 관통 여부를 정량적으로 분석하 여 조류충돌 안전성 평가를 수행하였다. 그 결과 금속재 슬랫은 조류가 초기 속도 174 m/s로 스킨 중앙 에 충돌한 Case #1에서 가장 큰 파손이 발생하였다. 충돌 시 조류 에서 슬랫으로 전달되는 에너지의 61%를 스킨에서 흡수했으며 충 돌의 중심부에서 212.2 mm의 변위가 발생하였다. 스킨의 응력(von-Mises stress)은 469 MPa로 도출하였으며 스킨의 항복 강 도인 265 MPa을 초과하여 소성변형이 발생하였다. 스킨의 변형률 은 36%로 스킨의 파단 변형률인 30%를 초과하여 파단이 발생하였 다. 그러나 조류가 충돌하는 스킨 이외에 다른 부분에서는 파단이 발생하지 않았고 구조물이 조류에 의해 관통되지 않으므로 금속재 슬랫은 조류충돌로부터 안전하다. 복합재 플랩은 조류가 초기 속도 70 m/s로 플랩 하단에 충돌한 Case #1에서 가장 큰 파손이 발생하였다. 충돌 시 조류에서 플랩 으로 전달되는 에너지의 34%를 스킨에서 흡수하였으며 충돌의 중 심부에서 101.1 mm의 변위가 발생하였다. 스킨의 응력은 섬유 방 향에서 635 MPa, 섬유 수직 방향에서 310 MPa로 도출하였다. 스 킨 복합재 파손 지수는 0.83으로 도출하였다. 복합재 플랩은 파손 지수가 1 미만이므로 조류가 충돌하는 스킨에서 파단과 관통이 발 생하지 않았고 구조물이 조류에 의해 관통되지 않으므로 조류충돌 로부터 안전하다. 본 연구에서는 SPH 기법 변수에 대한 검증을 통해 SPH 기법의 신뢰성을 확보하였고 이를 기반으로 해석적 방법을 이용해 항공기 구조물인 금속재 슬랫과 복합재 플랩에 대한 조류충돌 안전성 평가 를 수행하였다. 이는 향후 해석적 기법을 이용한 다른 항공기 구조 물의 조류충돌 안전성 평가에도 활용할 수 있을 것으로 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적과 범위 7
• 제2장 이론적 배경 8
• 2.1 조류 모델 8
• 2.1.1 SPH 기법 8
• 2.1.2 상태 방정식 10
• 2.2 금속재료 모델 12
• 2.2.1 Cowper-Symonds 모델 12
• 2.2.2 Johnson-Cook 소성 모델 13
• 2.2.3 Johnson-Cook 파손 모델 14
• 2.3 복합재료 모델 15
• 2.3.1 Chang-Chang 파손 모델· 15
• 제3장 SPH 모델 변수 선정 16
• 3.1 조류 및 충돌 해석 모델 16
• 3.2 SPH 기법 변수 선정 18
• 제4장 조류충돌 해석 23
• 4.1 조류충돌 해석 모델 23
• 4.1.1 금속재 슬랫 23
• 4.1.2 복합재 플랩 26
• 4.2 해석 조건 및 해석· 30
• 4.2.1 금속재 슬랫 30
• 4.2.2 복합재 플랩 33
• 제5장 결 과 35
• 5.1 금속재 슬랫 35
• 5.1.1 취약부 선정 35
• 5.1.2 취약부에 대한 분석 55
• 5.2 복합재 플랩 69
• 5.2.1 취약부 선정 69
• 5.2.2 취약부에 대한 분석 79
• 제6장 결 론 86
• 참 고 문 헌 88
• ABSTRACT 93