충격응답스펙트럼을 고려한 파이로 충격모사 시험장치의 최적설계에 관한 연구 :A Study on the Optimum Design of Pyroshock Simulation Test Device Considering Shock Response Spectrum

김문국

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김문국 (충남대학교, 忠南大學校大學院)

지도교수: 김인걸

발행연도: 2019

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이용수10

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

충격응답스펙트럼을 고려한 파이로 충격모사 시험장치의 최적설계에 관한 연구

김문국 항공우주공학과 2019.01 학위논문

2017

파이로 충격 모사 장치의 충격체 특성에 따른 충격 응답 스펙트럼 비교

김문국 , 고은수 , 김인걸 외 3명 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2017.11 학술대회자료

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발사체 부속품 전개와 인공위성 분리, 태양광 패널에 전개 등에 사용되는 파이로 장치의 폭발로 인한 충격을 파이로 충격이라고 한다. 이러한 충격으로 인해 인공위성의 전자 장비가 손상될 수 있다. 따라서 전자 장비는 파이로 충격에 대한 충격응답스펙트럼 요구사항을 충족시켜야한다. 이러한 요구사항은 파이로 장치와 탑재 위치에 따라 다르게 제공하며 요구사항 검증을 위해 실제 파이로 장치 폭발을 사용할 수 있지만, 높은 비용과 위험성으로 파이로 충격을 모사할 수 있는 기계적인 모사 장치를 사용한다.
금속-금속 충돌을 이용하여 충격체와 공진 장치의 동적 거동으로 파이로 충격하중을 모사하고 충격체와 공진 장치 형상을 조절하여 충격응답스펙트럼을 조정할 수 있다. 하지만 금속-금속 충돌, 공진 장치 동적 거동을 예측하는 것은 어렵기 때문에 충격응답스펙트럼을 직접 예측하는 것에 어려움이 있다. 때문에 반복 시험을 통한 경험적인 방법으로 시험 장치가 설계되고 이에 따른 비용과 시간이 증가하게 된다.
본 논문에서는 시험 장치의 설계에서 비용과 노력을 줄이기 위한 설계 방법을 제안하였다. 축소형 실험을 통해 충격 거동을 확인하고 유한요소해석을 기법을 검증하였다. 이후 충격체, 공진 장치, 시험 대상체를 각각 질량, 강성의 3자유도 시스템으로 이상화하여 충격응답스펙트럼과의 관계를 도출한다. 요구하는 충격응답스펙트럼과의 차이가 최소가 되도록 하는 최적화 알고리즘을 이용하여, 최적화된 질량과 강성을 통해 요구되는 충격응답스펙트럼을 충족시킬 수 있는 파이로 충격 모사 장치의 형상을 결정한 후 유한요소해석과 실험을 통해 충격응답스펙트럼을 계산하고 요구되는 충격응답스펙트럼과 비교하여 검증한다. 본 연구를 통해 파이로 충격 모사 시험 초기 설계 시 충격체, 공진 장치 설계에 소요 되는 시간 비용이 감소될 것으로 기대된다.

The impact caused by the explosion of the pyrotechnic device, which is used for separation of launch vehicle or satellites, and deployment in solar panels, is called pyroshock. This impact can damage the electronic equipment of the satellite. Therefore, electronic equipment must satisfy the shock response spectrum requirements for pyroshock. These requirements vary depending on the pyrotechnic device and mount location and can be used to verify the pyrotechnic device explosion for requirements verification. And also the mechanical simulators are needed to simulate pyroshock instead of actual pyroshock with high cost and risk.
The shock response spectrum can be adjusted by adjusting the dynamic behavior of the impactor and resonator using a metal-metal impact, and changing the shape of the impactor and the resonator. However, it is difficult to predict directly the impact response spectrum because of complexity of the metal-metal impact and resonator dynamic behaviors. Therefore, the test equipment is designed in an empirical method through iterative tests, which increases the cost and time.
In this paper, the design method is proposed to reduce the cost and effort in the design of pyroshock simulation test equipment. The impact behavior was verified through a experiment and the finite element analysis was verified. The relationship between the impact and shock response spectrum is derived by idealizing the impactor, resonator, and test object with a three degree of freedom system of mass and stiffness, respectively. By using the optimization algorithm that minimizes the difference from the required shock response spectrum, the design of the pyroshock simulation system can be determined by the optimized mass and stiffness to satisfy the required shock response spectrum, Experiments are used to calculate the shock response spectrum and verify it against the required shock response spectrum. Through this study, it is expected that the time and cost for the design of the impactor and the resonator will be reduced in the initial design of pyroshock simulation test.

1. 서 론 1
1.1 연구 배경 및 필요성 1
1.2 연구 목표 및 내용 4
2. 이론적 배경 6
2.1 충격응답스펙트럼(Shock Response Spectrum) 6
2.2 Hertz 접촉이론을 이용한 하중이력 계산 8
2.3 3-자유도 감쇠 시스템의 강제 가진 운동 9
2.4 최적설계 기법 11
3. 파이로 충격모사 시험 13
3.1 파이로 충격모사 시험 13
3.2 충격 하중이력 계산 22
4. 파이로 충격모사 시험장치 최적화 26
4.1 시험장치 구상 26
4.2 파이로 충격모사 장치 이상화 28
4.3 다자유도 모델 충격응답스펙트럼 최적화 32
4.4 시험장치 설계 40
5. 결과 및 고찰 45
5.1 유한요소 해석 45
5.2 충격응답스펙트럼 비교분석 46
6. 결론 50
참고문헌 52
Abstract 54

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