충격 흡수 구조체 평가를 위한 낙하 충격 시험기 개발 및 운용 = Development and Operation of Drop Impact Test Device for Evaluating Shock Absorbing Structures

국문 초록 (Abstract)

차세대 교통망으로 주목받고 있는 있는 미래 항공 교통(AAM, Advanced Air Mobility) 은 예기치 못한 비상 상황으로 인한 착륙시 탑승객의 안전을 확보할 수 있는 내추락성을 갖춰야 한다. 낙하 충돌 시 탑승객에 가해지는 충격 에너지를 완화 시키는 방안으론 충격 흡수가 가능한 충격 흡수 구조체가 있다. 본 연구에서는 충격 흡수 구조체에 대한 에너지 흡수 평가를 위한 낙하 충격 시험기를 설계/제작하여 금속 격자 구조체 시편에 대한 자유 낙하 시험을 수행하였다. 통상적인 낙하 충격 시험기는 목표 높이까지 충돌체(Striker)를 올려 에너지를 부여한 뒤 떨어트려 충돌 힘에 따른 시편의 반응을 분석하는 장치이다. 본 연구의 낙하 충격 시험기는 격자 구조체 시편의 적용성을 고려한 기구적 시스템과 계측부 로 구성했다. 기계적 구성으론 격자 구조체 장착용 I/F가 반영된 충돌체, 이를 들어올리기 위한 그리퍼 형태의 견인 장치, 충돌체의 낙하 자세를 유지하게 시키기 위한 가이드 그리고 충돌체의 초기 낙하 속도를 끌어올리기 위해 스프링을 이용하는 가속 유닛이 있다. 시험기 하부에 구성되는 충돌 하중 측정 수단으론 병렬로 배치하는 4개 로드셀과 이를 데이터 통 합 시키는 서밍박스로 구성했으며 충돌체의 낙하 속도를 확인은 레이저 거리 센서를 이용 했다. 시험기의 하중 용량을 고려한 실험 진행을 위해선 낙하 충격 시험기에 가해지는 최대 하중을 고려해야 하며, 시험기 운용 중 고장/파손 사고가 발생하지 않는 신뢰성이 확보되어 야 한다. 따라서 수행한 충격 흡수 구조체의 낙하 충돌과 시험기 구동 조건을 두고 최대 충 격 힘이 발생하는 경우를 정립해 이를 낙하 충격 시험기 설계 하중에 반영해 시험기 제작 형상을 결정했다. 설계 형상에 대한 구조 검토는 각 상황에 따른 시뮬레이션 모델을 수행했 으며 충격 하중을 고려하는 상황에선 충돌체와 로드셀 조립체를, 가속 장치에 대한 내부 충 격 상황에선 시험기 주 구조체를 두고 각 설계 모델에 대한 응력 결과를 확인했다. 이를 통 해 제작한 시험기로 충격 흡수 구조체의 낙하 충돌 실험을 수행했으며 실험 데이터를 통해 충격 흡수 과정을 확인했다. 충격 흡수 구조체 실험을 끝으로 시험기 기본 검증과 댐핑 유 닛을 적용하여 슬라브 허용 하중 제한을 극복할 수 있는 시험 하중 확장 방안을 마련했다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The future air transportation (AAM, Advanced Air Mobility), which is gaining attention as the next-generation transportation network, must possess crashworthiness to ensure the safety of passengers during emergency landings caused by unexpected situations. One effective approach to mitigating the impact energy experienced by passengers during a crash is the use of energy-absorbing structures capable of impact absorption. In this study, a drop impact test device was designed and manufactured to evaluate the energy absorption performance of impact-absorbing structures, and free-fall tests were conducted on metal lattice structure specimens. A conventional drop impact tester operates by raising a striker to a target height to impart energy and then dropping it to analyze the response of the specimen under impact forces. The drop impact tester developed in this study consists of a mechanical system and measurement components, designed with consideration for the applicability to lattice structure specimens. The mechanical system includes a striker equipped with an interface (I/F) for mounting the lattice structure specimens, a gripper-type lifting mechanism for raising the striker, a guide to maintain the striker's drop posture, and an acceleration unit utilizing a spring to enhance the initial drop velocity of the striker. The impact load measurement system at the base of the tester consists of four load cells arranged in parallel, which are integrated using a summing box to consolidate the data. Additionally, a laser distance sensor was employed to monitor the drop velocity of the striker. To conduct experiments while considering the load capacity of the drop impact tester, it is essential to account for the maximum load applied to the tester and ensure reliability to prevent malfunctions or damage during operation. Accordingly, the conditions for drop impacts of the energy-absorbing structures and the operational parameters of the tester were analyzed to determine scenarios where maximum impact forces could occur. These scenarios were incorporated into the design load specifications of the tester, and the tester's structural design was finalized based on these considerations. The structural review of the designed configuration was conducted through simulation models tailored to various scenarios. For cases involving impact loads, the simulations focused on the striker and load cell assembly, while for internal impact scenarios related to the acceleration unit, the main structure of the tester was analyzed. Stress results for each design model were verified under these respective conditions. Using the fabricated tester, drop impact experiments were conducted on the energy-absorbing structures, and the impact absorption process was verified through the experimental data. Upon completing the experiments on the energy-absorbing structures, the basic functionality of the tester was validated. Additionally, a damping unit was applied to overcome the slab load limit, providing an extended testing load capacity for future applications.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 9
• 1.1 연구 배경 9
• 1.2 시험기 설계 조건 12
• 제 2 장 시험기 개발 14
• 2.1 시험기 개요 14
• 2.2 Striker 17
• 2.3 그립 방식 견인 장치 30
• 2.4 가속 유닛 40
• 2.5 가이드 46
• 2.6 프레임 제작 및 운용 50
• 제 3 장 시험기 제작 및 평가 53
• 3.1 주요 프레임 제작 53
• 3.2 스트라이커 & 그립 방식 견인 장치 57
• 3.3 평가 시험 59
• 3.4 댐핑 유닛 적용 65
• 제 4 장 결론 69
• 참고문헌 70