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.

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.

ITO 나노와이어 기반의 투명 산화물 반도체 광전소자

김현기,김홍식,김준동,Kim, Hyunki,Kim, Hong-Sik,Patel, Malkeshkumar,Kim, Joondong 한국전기전자재료학회 2015 전기전자재료학회논문지 Vol.28 No.12

Highly optical transparent photoelectric devices were realized by using a transparent metal-oxide semiconductor heterojunction of p-type NiO and n-type ZnO. A functional template of ITO nanowires (NWs) was applied to this transparent heterojunction device to enlarge the light-reactive surface. The ITO NWs/n-ZnO/p-NiO heterojunction device provided a significant high rectification ratio of 275 with a considerably low reverse saturation current of 0.2 nA. The optical transparency was about 80% for visible wavelengths, however showed an excellent blocking UV light. The nanostructured transparent heterojunction devices were applied for UV photodetectors to show ultra fast photoresponses with a rise time of 8.3 mS and a fall time of 20 ms, respectively. We suggest this transparent and super-performing UV responser can practically applied in transparent electronics and smart window applications.

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.

회전익기용 연료탱크 Slosh & Vibration 인증시험

김현기,김성찬,이종원,황인희,장기원,전필선,정태경,하병근,이기천,신동우,Kim, Hyun-Gi,Kim, Sung-Chan,Lee, Jong-Won,Hwang, In-Hee,Jang, Ki-Won,Jun, Pil-Sun,Jung, Tae-Kyung,Ha, Byung-Kun,Lee, Gui-Cheon,Shin, Dong-Woo 한국군사과학기술학회 2011 한국군사과학기술학회지 Vol.14 No.1

Rapid turning and accelerated movement of a rotorcraft leads to the slosh and vibration effect of fuel in the fuel tank. Due to the slosh load, the internal component of a fuel tank can be broken and fuel tank skin can be damaged. This is directly related to human survivability. Military specification(MIL-DTL-27422D) requires the verification of the stability of aircraft fuel tank and internal component against slosh & vibration load through the qualification test. This report shows the establishment of slosh and vibration test facility and KUH fuel tank qualification test result.

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.

축소 의사역행렬을 이용한 영역분할 기반 축소모델 구축기법 연구

김현기,조맹효,Kim, Hyun-Gi,Cho, Maeng-Hyo 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.2

축소시스템은 반복적인 계산이 요구되는 문제에서 매우 유용하게 적용될 수 있는 해석 기법이다. 최근에는 영역분할 기법과의 연동을 통해 축소시스템의 효율성이 향상되었다. 그러나 전체 도메인이 몇 개의 영역으로 분할될 때 구속조건이 부과되지 않는 영역이 만들어지게 된다. 각 부영역에서 축소시스템을 구축하기 위해서는 주자유도가 선정되어야 하고, 이를 위해서는 리츠벡터를 추출해야 한다. 리츠벡터 계산은 구속조건이 부과된 부영역에서는 일반적인 정적해석을 통해 가능하나, 경계조건이 부과되지 않은 부영역에서는 의사역행렬을 이용해야 한다. 일반적으로 의사역행렬의 사용은 상당한 계산시간과 전산자원을 필요로 하는 문제점이 있다. 본 연구에서는 이 문제점을 개선하기 위해 축소 의사역행렬 도입을 제안한다. 이 방법은 정적 축소방법을 기초로 축소 의사역행렬을 구축하여 축소된 리츠벡터 정보를 추출하고, 변환관계를 통해 전체 리츠벡터 정보를 구한다. 수치예제에서는 일반적인 의사역행렬 계산시간 및 고유치 해석 결과의 비교를 통해 제안방법의 효율성과 신뢰성을 검증한다. Reduction scheme is remarkably useful in the case requiring the repeated calculation procedure. Recently, the efficiency of the reduction scheme has been improved by combining scheme of sub-domain method. But, when the global domain is partitioned into a few sub-domains, sub-domains without constraints can be produced. it is needed to extract the ritz vector from each sub-domain to construct the reduced system of each sub-domain. it is easy to extract the ritz vector from sub-domain with constraint. on the other hand, pseudo inverse method should be employed to extract the ritz vector from sub-domain without constraint. generally, the pseudo inverse takes a large number of computing time to obtain a reduced system of a sub-domain without boundary condition. This trouble can be overcome by the reduced pseudo inverse scheme which proposed in this study. This scheme is based on the static condensation that is not related with selection of the primary degrees of freedom. Numerical examples demonstrate that present method saves computational cost effectively. In addition, it is shown that the reduced system based on the proposed scheme predicts the accurate eigenvalues of global 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.

회전익항공기용 연료셀 피탄 수치모사 연구

김현기,김성찬,Kim, Hyun-Gi,Kim, Sung Chan 한국전산구조공학회 2012 한국전산구조공학회논문집 Vol.25 No.5

회전익항공기의 연료셀 내부는 연료보관 및 연료를 엔진으로 공급하기 위한 배관과 구성품들이 배치되어 있다. 특히, 기동헬기는 전장에서 사용되는 헬기로써, 수 km 고도에서 비행하는 고정익기보다 비행고도가 낮기 때문에 피탄될 가능성이 높다. 따라서, 항공기의 생존성을 극대화하기 위해서는 피탄시 유체내부 상승압력에 의한 내부 구성품들이 받는 영향성을 검토하여 설계되어야 함은 주지의 사실이다. 그러나 내탄시험은 연료셀 자체의 제작비용 및 준비기간이 상당히 소요되고, 실탄 사용에 따른 시험수행의 제약 때문에 수치모사를 통한 관련 데이터의 확보가 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 유체-구조 수치모사 프로그램인 Autodyn을 이용하여 회전익항공기 연료셀의 내탄 수치모사를 수행하여, 피탄 후 연료셀 내부에서의 탄 거동을 분석하고 유체내부의 압력과 연료 셀 자체의 등가응력을 평가하였다. Inside a rotorcraft fuel cell, pipes and components are located for fuel storage and fuel supply into the engine. Utility helicopters, operated in battle fields, fly at lower altitude compared to fixed-wing aircraft and hence are more likely to be exposed to gunfire. Since internal pressure of fluid increases when hit, the effect on LRU due to increase in pressure must taken into account when designing the aircraft for survivability. However, it is costly and time consuming to manufacture a fuel cell for gunfire test, and due to constraints from usage of live ammunition, related data gathered through numerical simulation is needed. In this study, numerical simulation on rotorcraft fuel cell exposed to gunfire was carried out using Autodyn to analyze bullet movement inside the fuel cell after hit, and internal pressure of fluid and equivalent stress on fuel cell assessed.