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PSO 알고리즘을 이용한 다중 하중 스펙트럼 하에서의 항공기 날개 구조부재의 최적 설계 연구
박국진(Kook Jin Park),박용진(Yong Jin Park),조진연(Jin Yeon Cho),박찬익(Chan Yik Park),김승조(Seung Jo Kim) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.11
본 논문에서는 항공기 날개의 최적설계 툴을 개발하고, 다중하중스펙트럼 조건에서 항공기 날개의 구조부재에 대한 최적설계를 수행하였다. 공력하중을 계산하기 위해 2차원 CFD의 해석 결과를 사용하였다. 최적화 설계 변수는 리브 및 스파의 개수 및 위치와 두께를 선정하였다. 각각의 비행유형에 대한 순항속도에서의 공력해석 결과로 응력해석을 수행한 후, 피로하중 스펙트럼 임무선도를 활용하여 피로파손해석을 수행하였다. 다중하중 조건의 적용을 위해 손상누적법을 적용하였다. 응력해석에 이은 파손 해석을 포함하는 항공기 날개의 경량화를 진행하였다. 다변수 문제를 효과적으로 최적화하기 위해 PSO(Particle Swarm Optimization) 알고리즘을 사용하였다. In this paper, development of optimal design tools for wing structure is described including multi load spectra condition and fatigue analysis. Two dimensional CFD result are used for calculating aerodynamic force. Design variables are composed of a number of rib and spar, positions, and thickness of each structural member. The mission profile for fatigue analysis is composed based upon the results of CFD analysis, the flight-by-flight spectra method, the excessive curves for gust loads. Minor’s rule was used to deal with multi-load condition. Stress analysis and fatigue analysis are performed to calculate objective functions. Particle Swarm Optimization(PSO) algorithm was used to apply to problems which have dozens of design variables.
재료 비선형과 연속체 손상역학을 고려한 복합 적층판의 강도 예측
박국진(Kook-jin Park),강희진(Hee-jin Kang),신상준(SangJoon Shin),최익현(Ik-hyun Choi),김민기(MinKi Kim),김승조(Seung-jo Kim) 한국항공우주학회 2014 韓國航空宇宙學會誌 Vol.42 No.11
이 논문에서는 복합 적층판의 점진적 파손해석 기법을 개발하고 검증하였다. 강도 및 강성 예측의 정확성을 높이기 위해 재료 비선형 효과와 연속체 손상역학을 동시에 고려하였다. 파손 시작점과 성장을 예측하기 위한 식으로 Hashin의 판별식이 사용되었으며, 파손 모드는 수지인장/전단, 섬유 인장의 2가지 파손모드를 고려하였다. 비선형 탄성 및 점탄성의 구성방정식을 고려한 평형을 계산하기 위해 Newton-Raphson 방법이 사용되었다. 실험을 통해 얻어진 복합재료 단층의 물성을 이용하여 노치가 없는 시편에 인장력을 가했을 때 예상되는 적층복합재의 강도 및 변형률을 예측하였다. 이 경우 선형 물성과 저하계수만을 고려하여 예측된 강성/강도보다 실험결과에 근사하게 나타남을 확인하였다. This paper presents development and verification of the progressive failure analysis upon the composite laminates. Strength and stiffness of the fiber-reinforced composite are analyzed by property degradation approach with emphasis on the material nonlinearity and continuum damage mechanics (CDM). Longitudinal and transverse tensile modes derived from Hashin’s failure criterion are used to predict the thresholds for damage initiation and growth. The modified Newton-Raphson iterative procedure is implemented for determining nonlinear elastic and viscoelastic constitutive relations. Laminar properties of the composite are obtained by experiments. Prediction on the un-notched tensile (UNT) specimen is performed under the laminate level. Stress-strain curves and strength results are compared with the experimental measurement. It is concluded that the present nonlinear CDM approach is capable of predicting the strength and stiffness more accurately than the corresponding linear CDM one does.
요소 절단법을 사용한 섬유강화 복합재료의 대규모 통계적 체적 요소 모델 개발
박국진 ( Kook Jin Park ),신상준 ( Sangjoon Shin ),윤군진 ( Gunjin Yun ) 한국복합재료학회 2018 Composites research Vol.31 No.5
본 논문에서는 섬유강화복합재의 멀티스케일 해석을 위해 필요한 대규모/소규모 통계적 체적요소 모델을 개발하였다. 미시영역모델의 크기효과를 최소화하기 위해서 섬유를 최대한 포함한 거대모델을 구성하였다. 이를 위해 국부 영역의 요소 절단법을 이용하여 전체 유한요소 크기에 상관없이 신속한 격자 섬유/기지의 모델링이 가능한 요소생성기를 구성하였다. 이를 통해 대규모 통계 체적 모델을 도출하여 체적모델의 크기에 따른 국부하중공유의 차이를 고찰하고, 섬유방향의 연속체손상역학모델을 BSVEs 모델 해석으로부터 도출 하였다. BSVEs 모델을 보편적인 RVE모델과 비교 검증하였다. In this paper, statistical volume element modeling method was developed for multi-scale progressive failure analysis of fiber reinforced composite materials. Big-size statistical volume elements (BSVEs) was considered to minimize the size effect in the micro-scale, by including as many fibers as possible. For that purpose, a mesh cutting method is suggested and adapted into the fiber model generator that creates finite element domain rapidly. The fiber defect model was also developed based on the experimental distribution of the fiber strength. The size effects from the local load sharing (LLS) are evaluated by increasing the fiber inclusion in the micro-scale model. Finally, continuum damage mechanics (CDM) model to the fiber direction was extracted from numerical analysis on BSVEs. And it was compared with strength prediction from typical representative volume element (RVE) model.