충격손상을 고려한 섬유강화 복합재 로터 블레이드의 피로수명 평가

기영중,박재훈,김성만,김지훈,Kee, Young-Jung,Park, Jae-Hun,Kim, Sung-Man,Kim, Gi-Hun 항공우주시스템공학회 2020 항공우주시스템공학회지 Vol.14 No.no.spc

복합재 헬리콥터 로터 블레이드는 두께방향으로의 강도가 부족한 구조적인 특성으로 인해 외부 물체의 충돌에 의해 내부 구조물에 손상이 발생하기 쉬운 단점을 지니고 있다. 따라서 복합재 블레이드의 피로 평가 시 외부 물체의 충돌에 의해 발생하는 결함과 강도저하 현상을 함께 고려해야 한다. 이를 위해 내결함 안전 수명(flaw tolerant safe-life) 및 파손안전(fail-safe) 개념을 이용한 피로평가 방안이 1980년대부터 적용되었으며, 최근에는 회전익 항공기의 감항기준에 위의 두 개념이 손상허용(damage tolerance) 평가 방안으로 대체되었다. 본 논문에서는 회전익 항공기에 사용되는 섬유강화 복합재 로터 블레이드를 중심으로 피로수명을 평가하기 위한 관련규정을 분석하고, 국내 헬기 개발사업 등을 통해 적용된 사례들을 검토함으로써 충격손상을 고려한 섬유강화 복합재 로터 블레이드의 피로 평가 방안을 제시하였다. Composite rotor blades for rotorcraft have an intrinsic vulnerability to foreign object impact from its inherent structural characteristics of insufficient strength in the thickness direction, which may easily lead to internal structure damage. Therefore, defects and strength reducing effects caused by foreign object impact should be considered in fatigue evaluation of composite blades. For this purpose, the flaw tolerant safe-life and fail-safe concepts were adopted in fatigue evaluation since 1980s, and recently those concepts have been replaced by the damage tolerance concept. In this paper, the relevant standards for fatigue evaluation are analyzed focusing on fiber reinforced composite rotor blades used in rotorcraft. In addition, fatigue evaluation procedure of composite blades considering impact damages is proposed by reviewing the practices implemented through domestic development projects.

복합재 헬리콥터 로터 블레이드의 피로 및 손상허용 평가 방안

기영중,백승길,Kee, Young-Jung,Paek, Seung Kil 항공우주시스템공학회 2014 항공우주시스템공학회지 Vol.8 No.3

Fatigue evaluations for the rotor blades of commercial or military rotorcraft have been carried out using the safe life concept since 1950s. Particularly, in the case of a rotor blade made of a composite material, a highly reliable fatigue life could be predicted by evaluation the cumulative damage using combination of fatigue life curve and load spectrum. However, there is a limit in adequately evaluating the strength reducing phenomena caused by damages or defects generated during the manufacturing process or impact damage induced by operational usages, using only the safe life concept. In this study, the fatigue evaluation process based on the damage tolerance concept is described and illustrated by means of successful application to substantiate the retirement time of composite rotor blades.

공진현상을 이용한 복합재 블레이드의 피로시험

기영중,이상원,박선규,Kee, Youngjung,Lee, Sangwon,Park, Seonkyu 항공우주시스템공학회 2010 항공우주시스템공학회지 Vol.4 No.2

Fatigue properties of composite materials are extremely important to design durable and reliable helicopter rotor blades. However, it is very difficult to apply conventional fatigue test loads in short period. Therefore, accelerating test speed and facilitating spectrum load realization are required. In this study, we have developed a fatigue testing method that uses a resonance of simply supported beam type blade specimen. This test consists in exciting the blade specimen with a frequency that corresponds to its natural frequency. In that case, the test specimen similar to a beam fixed between two pivot points starts vibrating and is significantly deformed. Resonant fatigue tests were performed by changing exciting vertical amplitude and frequency, and S-N curves of each composite materials were successfully obtained.

회전 효과를 고려한 Active Gurney Flap 의 동특성 해석

기영중,김태주,김덕관,Kee, YoungJung,Kim, TaeJoo,Kim, DeogKwan 대한기계학회 2015 대한기계학회 논문집. Transactions of the KSME. C, 산업기술과 혁신 Vol.3 No.3

본 논문에서는 헬리콥터 로터 시스템의 진동과 소음을 저감시키기 위해 개발이 진행 중인 능동거니플랩(AGF, Active Gurney Flap)에 대해 유한요소법을 이용하여 수행된 동특성 해석결과를 소개하였다. 거니플랩은 평판의 형태로 블레이드 하부 표면에 수직인 방향으로 전개되며, 블레이드 뒷전(T/E, Trailing Edge) 부위에 장착된다. 거니플랩 조립체는 전기모터와 L-형 링키지 및 플랩 등의 부품들로 구성되어 블레이드 내부에 장착되며, 고정프레임에서의 진동 성분들을 감소시키기 위해 3~5/rev 범위로 능동적인 제어가 필요하다. 따라서 외연적 시간적분법을 통해 로터 회전에 의한 원심력과 제어입력이 적용되고 있는 상황에서 거니플랩의 동적 응답특성을 분석하였으며, 해석 결과를 통해 거니플랩의 하향변위 요구도를 만족시킬 수 있음을 확인하였다. In this study, the finite element analysis was carried out to investigate dynamic characteristics of the AGF(Active Gurney Flap) which is under development for reducing vibration and noise of the helicopter rotor system. The Gurney flap is a kind of small flat plate, mounted normal to the lower surface of the airfoil near to the trailing edge. An electric motor, L-shaped linkages and flap parts were integrated into a rotor bade, and 3~5/rev control was given to the AGF to reduce the vibration in the fixed frame. Thus, an explicit time integration method was adopted to investigate the dynamic response of the AGF with considering both centrifugal force due to the rotor rotation and active control input, and it can be seen that the vertical displacement of the AGF was satisfied to meet the design requirement.

소형민수헬기의 풍동시험을 위한 마하스케일 주로터 블레이드 설계

기영중(YoungJung Kee),박중용(JoongYong Park) 항공우주시스템공학회 2017 항공우주시스템공학회 학술대회 발표집 Vol.2017 No.4

3차원 유한요소를 이용한 회전 블레이드의 진동 해석

기영중(YoungJung Kee),신상준(SangJoon Shin) 항공우주시스템공학회 2016 항공우주시스템공학회 학술대회 발표집 Vol.2016 No.5

복합재 로터 블레이드의 피로시험 시뮬레이션 및 시험하중 분석

기영중(YoungJung Kee) 항공우주시스템공학회 2018 항공우주시스템공학회 학술대회 발표집 Vol.2018 No.4

복합재 헬리콥터 로터 허브 시스템의 제작 및 기본 물리량 시험

기영중(Youngjung Kee),김태주(Taejoo Kim),윤철용(Chulyong Yun),김덕관(Doegkwan Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.6

본 논문에서는 복합재료를 이용하여 플렉스빔과 토크튜브를 제작하기 위한 공정과 기본 물리량 시험과정을 소개하였다. 플렉스빔과 토크튜브는 헬리콥터에 적용되는 무베어링 로터 허브 시스템을 구성하기 위한 핵심 구성품이다. 토크튜브는 블레이드의 피치각을 변화시키기 위한 조종력을 전달하며, 플렉스빔은 구조적인 변형을 통해 플랩, 래그 및 페더링 힌지를 구현하는 기능을 담당한다. 지상회전시험을 수행하기에 앞서 플렉스빔과 토크튜브 및 블레이드의 플랩강성, 래그강성 및 토션강성을 측정하기 위한 기본 물리량 시험을 수행하였다. 또한, 해석을 통해 예측된 단면 강성과 기본 물리량을 통해 획득된 강성 값을 비교하였으며, 그 결과를 통해 복합재료로 제작된 플렉스빔과 토크튜브가 구조적인 강성 요구도를 만족함을 확인할 수 있었다. This paper describes the manufacturing processes for a flexbeam and torque tube made of composite materials, along with the procedures for testing their basic properties. A flexbeam and torque tube can be considered to be key structural components of a bearingless rotor hub system. A hinge offset effect can be realized by a large elastic deformation and twist of the flexbeam, and the blade pitch control forces are transferred by the rotation of the torque tube. The basic property tests included bending and twist tests to determine the flap stiffness, lag stiffness, and torsion stiffness of the flexbeam, torque tube, and blade, and these tests were performed prior to starting the whirl tower test. In addition, the estimated results were compared with experimental data, and the calculations were found to be a good match for the analysis results and had a similar tendency. Through these results, we could confirm that a flexbeam and torque tube made of composite materials satisfied the structural stiffness requirements.

소형민수헬기 주로터 풍동시험을 위한 마하 스케일 블레이드 설계

기영중(YoungJung Kee),박중용(JoongYong Park) 한국항공우주학회 2018 韓國航空宇宙學會誌 Vol.46 No.2

본 연구에서는 소형민수헬기(Light Civil Helicopter, LCH)의 풍동시험에 필요한 축소 로터블레이드에 대해 내부 구조설계와 동특성 및 하중해석을 수행하였다. 축소로터 풍동시험은 로터 시스템의 공력성능과 소음 특성을 평가하기 위해 수행되므로, 실제 크기의 로터시스템과 동일한 공력 특성을 모사할 수 있도록 축소 블레이드 설계 시 마하 스케일(Mach-scale) 기법을 적용하였다. 마하 스케일 블레이드는 실물 블레이드의 끝단속도(blade tip speed)와 동일한 값을 유지할 수 있도록 로터의 회전속도를 증가시켜야 하며, 블레이드 중량, 단면강성 및 고유진동수 등은 특정한 축소계수(λ, scaling factor)를 통해 조정된다. 블레이드 내부의 주요 구성품인 스킨, 스파, 토션박스 등을 설계하기 위해 탄소섬유와 유리섬유 계열의 복합소재를 적용하였으며, 국내에서 수급이 가능한 프리프레그(prepreg) 형태의 복합소재를 적용하였다. 내부구조 설계가 완료된 블레이드에 대해 단면강성을 평가하기 위해 KSec2D 프로그램을 사용하였으며, 회전익 항공기의 통합해석 프로그램인 CAMRADII를 이용하여 축소 블레이드의 하중 분포와 동역학적 특성을 검토하였다. In this study, the internal structural design, dynamic characteristics and load analyses of the small scaled rotor blade required for LCH(Light Civil Helicopter) main rotor wind tunnel test were carried out. The test is performed to evaluate the aerodynamic performance and noise characteristics of the LCH main rotor system. Therefore, the Mach-scale technique was appled to design the small scaled blade to simulate the equivalent aerodynamic characteristics as the full scale rotor system. It is necessary to increase the rotor speed to maintain the same blade tip speed as the full scale blade. In addition, the blade weight, section stiffness, and natural frequency were scaled according to the Mach-type scaling factor(λ). For the design of skin, spar, torsion box, which are the main components of the blade, carbon and glass fiber composite materials were adopted, and composite materials are prepreg types that can be supplied domestically. The KSec2D program was used to evaluate the section stiffness of the blade. Also, structural loads and dynamic characteristics of the Mach scale blade were investigated through the comprehensive rotorcraft analysis program CAMRADII.

개정된 회전익 항공기의 피로 및 손상허용 평가 규정에 대한 분석

기영중(YoungJung Kee) 항공우주시스템공학회 2017 항공우주시스템공학회 학술대회 발표집 Vol.2017 No.11