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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 배재성
- 발행연도
- 2015
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수53
초록· 키워드
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유체-구조 연계 해석 방법(FSI: Fluid - Structure Interaction analysis Method)은 유체와 구조를 연계하여 해석하는 방법으로 대상 내부 혹은 주위로 유체의 흐름이 있고 그 유체의 유동에 의해 구조물이 힘을 받는 경우 유체의 압력을 해석 대상에 작용하는 하중조건으로 변환해 구조해석을 수행 하는 방법이다. 이 기법은 원자로의 연료봉 혹은 해상 석유시추선의 수중 구조물, 고층 빌딩, 가스터빈 엔진, 풍력발전기 회전날개 등과 같이 유체에 의해 하중이 발생하는 다양한 구조물의 구조해석에 적용이 가능하다. 그 중 비행체 날개의 경우 대기 중의 공기력을 이용해 양력을 얻게 되는데 돌풍 및 풍속, 풍향 변화 등의 비행대기 조건 변화 및 조종면 가동, 날개 변형과 같은 구조 변화에 의한 유체 흐름 변화가 발생하게 된다. 이로 인해 공력 특성이 변하게 되고 그로 인한 구조하중 조건 역시 변하게 된다. 따라서 비행체 날개 설계 시 구조 변형에 따른 공기력 변화와 공기력 변화에 따른 구조변형에 대한 해석이 수행 되어야 한다.
유체-구조 연계해석 기법에는 크게 비 결합 방법(Uncoupled method)와 결합 방법(Coupled method)이 있다. 비 결합 방법은 유체해석 결과 발생한 압력을 구조물에 하중 조건으로 한 번만 모사하는 방법으로 계산 시간이 빠르고 날개의 길이 방향 및 시위 방향의 압력분포에 따라 하중을 적용하므로 실제 비행 조건과 유사한 하중 조건 입력이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 유체 해석 대상을 강체(Riged Body)로 가정 하고 해석을 수행하므로 정상-상태 공기력 해석과 정적 구조해석만 가능하다. 공기력 변화와 구조 격자 변형 사이의 상호 영향에 대한 해석이 불가능 하다. 한편 결합 방법은 초기 구조격자에 대한 유체해석 결과를 하중조건으로 모사한 후 변형된 구조격자에 대한 비정상-상태 공기력 해석을 수행하는 과정을 반복하는 방법이다. 이 방법은 시간에 대한 구조물의 변형 및 공기력의 변화를 확인할 수 있다는 장점이 있는 반면 계산 시간 및 메모리 소모량이 큰 단점이 있다.
본 연구에서는 위의 두 가지 해석 방법을 이용하여 각각 모핑 플랩을 적용한 날개의 정적 구조 안정성과 고세장비의 태양광 무인항공기 날개의 시간에 따른 날개 변위 및 공기력 변화를 ANSYS CFX Code 사용한 FSI 해석을 통해 확인하였다.
유체-구조 연계해석 기법에는 크게 비 결합 방법(Uncoupled method)와 결합 방법(Coupled method)이 있다. 비 결합 방법은 유체해석 결과 발생한 압력을 구조물에 하중 조건으로 한 번만 모사하는 방법으로 계산 시간이 빠르고 날개의 길이 방향 및 시위 방향의 압력분포에 따라 하중을 적용하므로 실제 비행 조건과 유사한 하중 조건 입력이 가능하다는 장점이 있다. 하지만 유체 해석 대상을 강체(Riged Body)로 가정 하고 해석을 수행하므로 정상-상태 공기력 해석과 정적 구조해석만 가능하다. 공기력 변화와 구조 격자 변형 사이의 상호 영향에 대한 해석이 불가능 하다. 한편 결합 방법은 초기 구조격자에 대한 유체해석 결과를 하중조건으로 모사한 후 변형된 구조격자에 대한 비정상-상태 공기력 해석을 수행하는 과정을 반복하는 방법이다. 이 방법은 시간에 대한 구조물의 변형 및 공기력의 변화를 확인할 수 있다는 장점이 있는 반면 계산 시간 및 메모리 소모량이 큰 단점이 있다.
본 연구에서는 위의 두 가지 해석 방법을 이용하여 각각 모핑 플랩을 적용한 날개의 정적 구조 안정성과 고세장비의 태양광 무인항공기 날개의 시간에 따른 날개 변위 및 공기력 변화를 ANSYS CFX Code 사용한 FSI 해석을 통해 확인하였다.
목차
- 목 차요 약 i목 차 iii기호목록 iv그림목록 v표 목록 vi제 1 장 서 론 11.1. 연구배경 11.2. 연구동향 21.3. 연구목적 3제 2 장 비 결합 유체-구조 연성 해석 42.1. Uncoupled FSI Method 42.2. 해석 대상 52.2.1. 해석 대상 날개 52.2.2. 모핑 플랩을 적용한 날개의 제원 및 구조 모델 62.3. 모핑 플랩을 적용한 날개의 공력해석 92.3.1. 경계조건 92.3.2. 유동장 및 격자 구성 102.3.3. 전산유체해석 결과 검증 132.4. 모핑 플랩을 적용한 날개의 구조해석 192.4.1. 구조해석 모델 192.4.2. 경계조건 및 재료 물성치 212.4.3. 구조격자 및 물성치 검증 232.4.4. 해석 결과 27제 3 장 결합 유체-구조 연성 해석 기법 293.1. Coupled FSI Method 293.2. HA-145E 모델을 이용한 검증 303.2.1. HA-145E 형상 및 제원 303.2.2. 플러터 해석 323.2.3. HA-145E 구조해석모델 353.2.4. HA-145E 공력해석모델 383.2.5. 검증 결과 403.3. SP Pulsar 태양광 무인항공기 날개 해석 423.3.1. SP-Pulsar 형상 및 제원 363.3.2. 구조격자 및 물성치 검증 443.3.3. SP Pulsar 공력해석모델 473.3.4. SP Pulsar Coupled FSI 해석 및 결과 50제 4 장 결 론 56참고문헌 57SUMMARY 60
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