고고도 장기체공 무인기 동체 및 미익부 구조해석

김현기,김성준,김성찬,신정우,이승규,박상욱,김태욱,Kim, Hyun-gi,Kim, Sung Joon,Kim, Sung Chan,Shin, Jeong-Woo,Lee, Seunggyu,Park, Sang-Wook,Kim, Tae-Uk 한국항공운항학회 2016 한국항공운항학회지 Vol.24 No.4

UAV has been promoted for practical use in the field of civilian and military. Recently, UAV is required high-specification performance such as long-term flight and precision observation. Among these UAVs, High Altitude Long Endurance UAV(HALE UAV) has been developed for the purpose to replace some of the functions of the satellite such as meteorological observation, communications and internet relay while flying a long period in the stratosphere. In order to fly a long period in harsh environment of the stratosphere, aircraft needs high Lift-Drag-Ratio and weight reduction of the structure. This paper performed the structural analysis for fuselage and empennage of HALE UAV. Critical loading conditions for structural analysis are acquired from flight load analysis and finally the results of structural sizing for weight reduction is presented.

회전익항공기용 연료탱크 충돌충격시험 수치모사 연구

김현기,김성찬,이종원,황인희,김경수,Kim, Hyun-Gi,Kim, Sung-Chan,Lee, Jong-Won,Hwang, In-Hee,Kim, Kyung-Soo 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.5

항공기 기체와의 체결부위가 많은 연료탱크는 체계연관성이 큰 대표적인 핵심 구성품 중의 하나로 다루어져 왔다. 회전익항공기에 광범위하게 적용되고 있는 내충격성 연료탱크는 항공기 추락 시 탑승자의 생존성 향상에 크게 기여하고 있다. 미육군에서는 항공기 추락 후 화재에 의한 인명손실을 원천적으로 방지하기 위해 군용 회전익기 역사의 초기 단계부터 연료탱크 고유의 내충격성에 관련된 군사규격을 제정하여 적용해 왔다. V-22 등의 잘 알려진 사례에 따르면 미군사규격(MIL-DTL-27422D)에서 요구하고 있는 연료탱크 충돌충격시험을 원활하게 통과하지 못하는 경우, 해당 연료탱크가 장착되는 항공기 자체의 개발일정에 심각한 지장을 초래한다. 연료탱크 충돌충격시험은 시편자체의 제작비용 및 준비기간이 상당히 소요되므로, 설계 초기단계부터 충돌충격시험에 대한 일련의 수치적 모사(numerical simulation)를 통해 실물에 의한 시행착오의 가능성을 최소화해야 한다. 본 연구에서는 충돌모사 프로그램인 Autodyn을 이용하여 연료탱크 충돌충격시험에 대한 수치적 모사를 수행하였으며, 그 결과로 구해진 등가응력 및 내부압력 평가를 통해 회전익항공기용 연료탱크의 내충격 성능을 고려한 설계방향을 제시하였다. Since aircraft fuel tanks have many interfaces connected to the airframe as well as the fuel system, they have been considered as one of the system-dependent critical components. Crashworthy fuel tanks have been widely implemented to rotorcraft and rendered a great contribution for improving the survivability of crews and passengers. Since the embryonic stage of military rotorcraft history began, the US army has developed and practised a detailed military specification documenting the unique crashworthiness requirements for rotorcraft fuel tanks to prevent most, hopefully all, fatality due to post-crash fire. The mandatory crash impact test required by the relevant specification, MIL-DTL-27422D, has been recognized as a non-trivial mission and caused inevitable delay of a number of noticeable rotorcraft development programs such as that of V-22. The crash impact test itself takes a long-term preparation efforts together with costly fuel tank specimens. Thus a series of numerical simulations of the crash impact test with digital mock-ups is necessary even at the early design stage to minimize the possibility of trial-and-error with full-scale fuel tanks. In the present study the crash impact simulation of a few fuel tank configurations is conducted with the commercial package, Autodyn, and the resulting equivalent stresses and internal pressures are evaluated in detail to suggest a design improvement for the fuel tank configuration.

회전익항공기 연료셀 충돌충격시험 Full-Scale 수치모사

김현기,김성찬,김성준,김수연,Kim, Hyun-Gi,Kim, Sung Chan,Kim, Sung Jun,Kim, Soo Yeon 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.5

항공기 연료셀은 추락 상황에서 승무원의 생존성과 직결되는 중요 구성품으로 회전익 항공기에 적용되고 있는 내충격성 연료셀은 추락시 승무원의 생존성 향상에 큰 역할을 하고 있다. 미육군은 항공기가 처할수 있는 다양한 상황에서 연료셀이 제 기능을 발휘할 수 있도록 1960년대 초부터 MIL-DTL-27422 이라는 연료셀 개발규격을 제정하여 현재까지 적용해 오고 있다. 해당 개발규격에 규정된 시험 중에서 충돌충격시험은 연료셀의 내충격 성능을 검증하는 시험으로써, 해당 시험을 통과하는 연료셀은 생존가능 충돌환경에서 화재가 발생하지 않아 승무원의 생존성이 대폭 향상될 수 있음을 의미한다. 그러나 충돌충격시험은 작용하는 하중 수준이 너무 높기 때문에 실패 위험성이 가장 큰 시험이기도 하다. 연료셀이 해당 시험을 통과하지 못하는 경우에는 재시험을 위한 비용과 준비기간이 상당히 소요되어 항공기 개발일정에 심각한 지장을 초래할 가능성도 높다. 따라서, 연료셀 설계 초기부터 내충격성능 만족여부에 대한 예측을 위해 충돌충격시험의 수치해석을 통한 실물시험에서의 실패 가능성을 최소화해야 한다는 필요성이 제기되어 왔다. 본 연구에서는 충돌모사 프로그램인 LS-DYNA에서 지원하는 유체-구조 연성해석 방법인 SPH 방법을 사용하여 연료셀 충돌충격시험 수치 모사를 수행하였다. 수치해석 조건으로 MIL-DTL-27422에서 요구하는 시험조건을 고려하였고, 실물 연료셀의 시편시험을 통해 확보한 물성데이타를 해석에 반영하였다. 그 결과로 연료셀 자체의 응력수준을 평가하고 취약부위에 대한 고찰을 수행하였다. Crashworthy fuel cells have a great influence on improving the survivability of crews. Since 1960's, the US army has developed a detailed military specification, MIL-DTL-27422, defining the performance requirements for rotorcraft fuel cells. In the qualification tests required by MIL-DTL-27422, the crash impact test should be conducted to verify the crashworthiness of fuel cell. Success of the crash impact test means the improvement of survivability of crews by preventing post-crash fire. But, there is a big risk of failure due to huge external load in the crash impact test. Because the crash impact test itself takes a long-term preparation efforts together with costly fuel cell specimens, the failure of crash impact test can result in serious delay of a entire rotorcraft development. Thus, the numerical simulations of the crash impact test has been required at the early design stage to minimize the possibility of trial-and-error with full-scale fuel cells. Present study performs the numerical simulation using SPH(smoothed particle hydro-dynamic) method supported by a crash simulation software, LS-DYNA. Test condition of MIL-DTL-27422 is reflected on analysis and material data is acquired by specimen test of fuel cell material. As a result, the resulting equivalent stresses of fuel cell itself are calculated and vulnerable areas are also evaluated.

하이브리드 해상풍력 파일 기초 콘크리트 지지구조(MCF) 개발

김현기,김범준,김기두,Kim, Hyun Gi,Kim, Bum Jun,Kim, Ki Du 한국강구조학회 2013 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.25 No.3

기존 해상풍력발전 지지구조물의 단점을 보완한 신형식의 파일 기초 하이브리드 지지구조물을 본 연구에서 제안하였다. 이 지지구조는 콘크리트 자중을 이용한 중력식 기초의 개념으로부터 수정되어 4개의 파일로 지지되며, 강재 샤프트와 원추형 콘크리트가 결합된 하이브리드 형식이다. 규모가 크고 두꺼운 콘크리트의 3차원 해석을 위해, 정확한 기하형상 모델링과 응력의 절점 보간이 가능한 솔리드-쉘 입체요소를 개발하였다. 해양구조물 전용 유한요소 프로그램인 XSEA에 탑재된 솔리드-쉘 요소와 Stream Function 파랑 이론을 적용하여, 제안한 하이브리드 지지구조물에 대해 서남해안 지역의 환경조건을 적용한 준정적 해석 및 고유진동수 해석을 실시하였다. 해석결과, 수평변위가 허용변위 이내로 나타났고, 고유진동수 해석을 통해 하이브리드 구조형식의 동적거동에 대한 우수성을 입증하였다. 결과적으로, 파일지지 하이브리드 지지구조물은 우리나라 서남해안 지역과 같이 연약지반에 적용 할 수 있는 충분한 안정성을 가진 것으로 평가 되었고, 각 부재에 대한 최적화 연구를 통해 경제성 확보가 가능한 것으로 검토되었다. This paper proposes a new hybrid support structure by the driven piles which removes disadvantages of the existing type of support structure for offshore wind turbines. The hybrid type of support structure is combined with concrete cone and steel shaft, and is supported not only by gravity type foundations but also by driven piles. For three dimensional analysis of the huge and thick concrete structure, a solid-shell element that is capable of exact modeling and node interpolations of stresses is developed. By applying wave theory of stream function and solid-shell element in XSEA simulation software for fixed offshore wind turbines, a quasi-static analysis and natural frequency analysis of proposed support structure are performed with the environmental condition on Southwest Coast in Korea. In the result, lateral displacement is not exceed allowable displacement and a superiority of dynamic behavior of new hybrid support structure is validated by natural frequency analysis. Consequently, the hybrid support structure presented in this study has a structural stability enough to be applied on real-site condition in Korea. The optimized structures based on the preliminary design concept resulted in an efficient structure, which reasonably reduces fabrication costs.

입자법 기반 항공기용 연료셀 그룹 피탄 수치모사

김현기,김성찬,Kim, Hyun Gi,Kim, Sung Chan 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.2

회전익 항공기 중 군에서 운용하는 기동헬기는 전장상황에서 운용되기 때문에 연료셀 피탄 상황에 직면할 가능성이 높다. 연료셀 피탄에 따른 내부압력 증가로 내부폭발이나 화재가 발생할 수 있으며, 이는 승무원의 생존 가능성에 치명적인 영향을 주게 된다. 따라서, 승무원의 생존성을 극대화하기 위해서는 연료셀이 직면 가능한 극한 상황을 예측하여 설계에 반영해야 한다. 항공기 연료셀 설계시 고려해야 하는 데이타는 피탄에 의한 연료셀 내부압력, 수압램 영향에 의한 연료셀 자체 및 금속피팅부 응력, 탄환의 운동에너지 등이 포함될 수 있다. 이러한 설계 데이터 확보를 위해서는 실물 시험을 수행하는 것이 가장 바람직하지만, 시간과 비용의 부담과 더불어 시험실패와 같은 시행착오 위험성으로 많은 제약이 따른다. 따라서, 사전에 다양한 설계 데이터 예측과 시행착오의 최소화를 위해서는 피탄 상황에 대한 수치해석이 필요하다. 본 연구에서는 입자법을 사용하여 연료셀 피탄 조건에 대한 유체-구조 연성 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 전용 충돌해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하였고, 결과로 얻어진 탄의 거동과 에너지, 연료셀 내부압력과 등가응력의 평가를 통해 연료셀 설계와 관련한 데이터 확보 가능성을 타진하였다. There is a big risk of bullet impact because military rotorcraft is run in the battle environment. Due to the bullet impact, the rapid increase of the internal pressure can cause the internal explosion or fire of fuel cell. It can be a deadly damage on the survivability of crews. Then, fuel cell of military rotorcraft should be designed taking into account the extreme situation. As the design factor of fuel cell, the internal fluid pressure, structural stress and bullet kinetic energy can be considered. The verification test by real object is the best way to obtain these design data. But, it is a big burden due to huge cost and long-term preparation efforts and the failure of verification test can result in serious delay of a entire development plan. Thus, at the early design stage, the various numerical simulations test is needed to reduce the risk of trial-and-error together with prediction of the design data. In the present study, the bullet impact numerical simulation based on SPH(smoothed particle hydrodynamic) is conducted with the commercial package, LS-DYNA. Then, the resulting equivalent stress, internal pressure and bullet's kinetic energy are evaluated in detail to examine the possibility to obtain the configuration design data of the fuel cell.

인공신경망을 이용한 연료셀 형상 최적화 연구

김현기,김성찬,이종원,황인희,Kim, Hyun-Gi,Kim, Sung-Chan,Lee, Jong-Won,Hwang, In-Hee 한국전산구조공학회 2012 한국전산구조공학회논문집 Vol.25 No.1

회전익 항공기에 광범위하게 적용되고 있는 내충격성 연료셀은 항공기 추락 시 탑승자의 생존성 향상에 크게 기여하고 있다. 미육군에서는 항공기 추락 후 화재에 의한 인명손실을 원천적으로 방지하기 위해 군용 회전익기 역사의 초기 단계부터 연료셀 고유의 내충격성에 관련된 군사규격을 제정하여 적용해 왔다. 국외 전문제작 업체들은 장기간의 경험에 의존하여 연료셀을 개발하고 있으며, 충돌충격시험에 따른 시행착오의 결과를 설계 및 제작과정에 재반영하고 있다. 이러한 연료셀 충돌충격시험은 시편자체의 제작비용 및 준비기간이 상당히 소요되므로, 설계 초기단계부터 충돌충격시험에 대한 일련의 수치적 모사를 통해 실물에 의한 시행착오의 가능성을 최소화해야 한다. 본 연구에서는 충돌모사 프로그램인 Autodyn으로 연료셀 충돌충격시험에 대한 다수의 수치해석을 수행, 등가응력 분석을 통해 적절한 설계변수를 선정하였다. 또한 인공신경망과 모의풀림 방법을 연동시켜 연료셀 형상을 내충격성능 측면에서 최적화하였다. Crashworthy fuel cells have been widely implemented to rotorcraft and rendered a great contribution for improving the survivability of crews and passengers. Since the embryonic stage of military rotorcraft history began, the US army has developed and practised a detailed military specification documenting the unique crashworthiness requirements for rotorcraft fuel cells to prevent most fatality due to post-crash fire. Foreign manufacturers have followed their long term experience to develop their fuel cells, and have reflected the results of crash impact tests on the trial-and-error based design and manufacturing procedures. Since the crash impact test itself takes a long-term preparation efforts together with costly fuel cell specimens, a series of numerical simulations of the crash impact test with digital mock-ups is necessary even at the early design stage to minimize the possibility of trial-and-error with full-scale fuel cells. In the present study a number of numerical simulations on fuel cell crash impact tests are performed with a crash simulation software, Autodyn. The resulting equivalent stresses are further analysed to evaluate a number of appropriate design parameters and the artificial neural network and simulated annealing method are simultaneously implemented to optimize the crashworthy performance of fuel cells.

인쇄회로기판 자동배치/배선 시스템 개발에 관한 연구

김현기,우경환,Kim, Hyun-Gi,Woo, Kyong-Hwan 한국정보처리학회 2004 정보처리학회논문지 A Vol.11 No.4

자동배치/배선 시스템의 배선영역 모델링 방법은 그리드와 논 그리드 방식을 사용하고 있다. 그리드 방식은 PCB상에 전기적, 물리적 요소들이 적다할지라도 보드와 그리드의 크기에 제약을 받기 때문에 메모리가 많아지게 되어 자동배치/배선 속도를 감소시키는 단점을 가지고 있다. 논 그리드 방식인 형상기반 방식은 영역처리 방식을 사용하므로 형상들을 메모리에 각각의 객체로서 존재시키며, 이들 객체는 고유의 데이터 크기를 갖기 때문에 메모리가 상당히 적게 소요된다. 그러므로 본 논문에서는 단일 원점에서 여러 목적지에 가장 빠르게 도달 할 수 있는 최단 경로 문제를 해결하는 경매 알고리즘을 적용하여 형상기반 방식에 의하여 메모리 낭비 없이 빠른 속도로 자동배치/배선할 수 있는 PCB 자동배치/배선 시스템을 개발하였다. 또한 본 시스템은 이와 같은 방식을 이용하여 PC에서 사용할 수 있도록 IBM Pentium 컴퓨터의 Windows 환경에서 Visual C++언어로 개발하였다. The modeling methods of routing region used in the automatic placement/routing system are a grid and non-grid. Because the gird method is curbed by its size and a board if the electrical and physical elements on PCB are of small quantity, it has many memories. Therefore, it has demerit which decreases the speed of automatic placement/routing. The Shape-based type, non-grid method, makes the shapes exist as an in dividual element in a memory by using a region-processing method. Each individual element needs very small memory since it has its unique data size. Therefore, this paper aimed to develope the automatic placement/routing system which can automatically place and route the PCB without dissipation of memory at a high speed. To this aim, the auction algorithm method was applied which can make the memories be most rapidly reached from the original point to various destinations. Also, this system was developed by the Visual C++ in the Widows environment of IBM Pentium computer in order to use it in an individual PC system.

주자유도 선정 기법에 의한 동하중의 등가 정하중으로의 변환

김현기,조맹효,Kim, Hyun-Gi,Cho, Maeng-Hyo 한국전산구조공학회 2007 한국전산구조공학회논문집 Vol.20 No.1

본 연구는 동하중의 영향을 받는 구조물의 효율적인 구조 해석 및 최적화 수행을 위해 임계 시간의 동하중을 등가 정하중으로 변환하는 방법을 제안한다. 동하중을 등가 정하중으로 변환하기 위해서는 적절한 자유도 선정이 중요하다. 그러나, 기존 방법에서는 자유도의 선정이 임의로 이루어져서 몇 개의 자유도에 과도한 정하중이 부과되거나, 구조물의 거동에 영향력이 없는 자유도들이 선정됨으로써 신뢰성이 떨어지는 결과를 제공하기도 한다. 본 연구에서는 2단계 축소기법과의 연동을 통해 중요 자유도를 선정하고, 선정된 자유도에 등가 정하중을 부과하는 방법을 제안하다. 주자유도는 구조물의 거동에 지배적인 영향력을 갖고 있으며, 손상 탐지나 시스템 검증에서도 중요한 의미를 갖는 자유도이다. 수치예제를 통해 선정된 자유도에 등가 정하중을 분포시킨 후 동하중하의 시간 응답과 비교하여 그 신뢰성을 확인한다. The systematic method to construct equivalent static load from a given dynamic load is proposed in the present study. Previously reported works to construct equivalent static load were based on ad hoc methods. Due to improper selection of loading position, they may results in unreliable structural design. The present study proposes the employment of primary degrees of freedom for imposing the equivalent static loads. The degrees of freedom are selected by two-level condensation scheme with reliability and efficiency. In several numerical examples, the efficiency and reliability of the proposed scheme is verified by comparison displacement for equivalent static loading and dynamic loading at the critical time.

응력 구속조건을 고려한 동하중의 등가정하중으로의 변환

김현기,김의영,조맹효,Kim, Hyun-Gi,Kim, Euiyoung,Cho, Maenghyo 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.2

Due to the difficulty in considering dynamic load in the view point of a computer resource and computing time, it is common that external load is assumed as ideal static loads. However, structural analysis under static load cannot guarantee the safety of design of the structures under dynamic loadings. Recently, the systematic method to construct equivalent static load from the given dynamic load has been proposed. Previous study has calculated equivalent static load through the optimization procedure under displacement constraints. However, previously reported works to distribute equivalent static load were based on ad-hoc methods. Improper selection of equivalent static loading positions may results in unreliable prediction of structural design. The present study proposes the selection method of the proper locations of equivalent static loads to dynamically applied loads when we consider transient dynamic structural problems. Moreover, it is appropriate to take into account the stress constraint as well as displacement constraint condition for the safety design. But the previously reported studies of equivalent static load design methods considered only displacement constraint conditions but not stress constraint conditions. In the present study we consider not only displacement constraint but also stress constraint conditions. Through a few numerical examples, the efficiency and reliability of proposed scheme is verified by comparison of the equivalent stress between equivalent static loading and dynamic loading. 동하중을 고려하는 구조해석은 전산자원과 시간측면에서 상당한 어려움이 따르기 때문에 외력을 이상적인 정하중으로 가정하는 것이 일반적이다. 그러나 정하중 조건으로 해석된 결과는 구조물의 안전설계 측면에서 충분한 신뢰를 주기 어렵다. 최근에는, 동하중의 영향을 받는 구조물의 효과적인 구조해석을 위해 동하중을 등가정하중으로 변환하는 기법이 제안되어 왔다. 이 기법은 최적화를 통해 구속조건을 만족하는 최소의 등가정하중을 구하는데, 구속조건은 임계시간의 변위를 사용하고, 등가정하중 분포 자유도는 경험적으로 선정하여 왔다. 그러나 안전설계 관점에서는 응력 구속조건을 적용하는 것이 타당하며, 경험적 자유도 선정은 몇 개의 자유도에 과도한 하중이 부과되거나 구조물의 거동에 영향력이 없는 자유도들이 선정될 가능성이 있다. 본 연구에서는 등가응력 구속조건을 고려하는 등가정하중 최적화 방법을 제안하고, 축소시스템 개념을 도입한 주자유도, 구속조건 요소 자유도, 외부하중 자유도로 구성되는 등가정하중 분포 자유도의 구성방법을 제안한다. 수치예제에서는 제안된 방법으로 구해진 등가정하중을 사용하여 등가응력을 구하고 동하중 해석 결과와 비교함으로써 제안된 방법을 통한 구조해석 방법이 구조안전성 측면에서 타당함을 보인다.

프리캐스트 I형 거더를 이용한 조립식 중공슬래브교 개발

김현기,Kim, Hyun-Gi 한국산학기술학회 2017 한국산학기술학회논문지 Vol.18 No.6

본 논문은 중공슬래브 교량의 장점을 극대화하여 프라캐스트로 제작된 PSC-I거더의 단순한 조립을 통해 중공슬래브를 형성시키는 교량공법을 제안하고 이를 검증하였다. 하천이나 단지 내 교량과 같이 저형고 거더교가 요구되는 현장에 고가인 강합성 계열의 교량이 적용되어 과도한 공사비가 소요되고 있으며, 다양한 장점을 갖는 중공슬래브 교량이 콘크라트의 현장타설로 인해 중공부에 구조적 균열이 발생하여 그 적용성이 확장되지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구를 통해 새로운 거더공법을 대안으로 제시하고 설계기준에 따른 강도와 응력검토, 제작을 위한 거푸집의 설계, 시공단계별 절차 등 현업적용을 위한 기반기술을 개발하였으며, 조립된 거더가 일체로 거동하도록 각 거더의 횡방향 연결을 위한 다양한 공법을 제시하고 적정성을 검토하였다. 또한, 실물크기의 실험체 거더 2본을 제작하고 시공과정에서의 문제점들을 도출하였으며, 하중재하 실험을 수행하여 거더의 성능과 적용성을 검토하였다. 실험결과, 하중의 편측 재하시 발생한 수직변위 계측을 통해 두 거더가 일체로 거동하는 것을 확인하였으며, 설계하중 내에서 선형탄성 휨 거동을 보이며 예상된 설계 강도를 넘어서는 우수한 성능을 나타내었다. The bridge type of steel concrete composite rahmen or pre-flex has been applied where a lower depth girder is required due to vertical clearance restrictions caused by the crossing of rivers and roads. On the other hand, because these types are not only complicated to manufacture and construct, but also expensive, void slab bridges may be an alternative. In this study, prefabricated PSC-I shape girder was used to make a void slab and all procedures for bridge development, such as analysis, design, fabrication, and real-scale test, were included in the scope of research. The results of this study will provide sufficient background data to be applied to the field and the structural safety has been verified through experiments.