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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 朴楨善
- 발행연도
- 2020
- 저작권
- 한국항공대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수9
이 논문의 연구 히스토리 (6)
2020
2019
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복합재료는 높은 비강성과 비강도를 가져 높은 기계적 물성과 더불어 경량화가 필요한 항공우주분야에서 활발하게 활용된다. 또한 적층 각도(fiber orientation angle)와 적층 패턴(lay-up pattern)을 조절하여 하중 조건에 대해 유리한 방향으로 구조적 성능을 증대시킬 수 있는 장점도 있다. 이러한 장점에 따라, 기존의 금속재 항공우주 구조물들을 복합재로 대체하여 최적설계하기 위한 연구가 최근 활발하게 진행되고 있다. 그 중, 팬 블레이드와 같은 구조물들은 기하학적 형상이 공기역학적 성능에 크게 영향을 미치는 특성을 갖고 있다. 일반 금속재와 달리 복합재는 구조물의 두께와 같은 형상 변수의 변화 없이 강성을 향상시킬 수 있으므로, 팬 블레이드와 같은 구조물들은 복합재를 적용하여 설계하는 것이 구조적 측면에서 유리하다.
복합재 팬 블레이드는 비틀린 형상과 일정하지 않은 두께를 가진 taper 형태의 적층판으로, 적층판의 강성이 전체적으로 균일하지 않다. 이에 따라, 복합재 팬 블레이드는 적층 패턴의 최적설계에 있어서 일반적인 적층판에 비해 고려해야할 설계 변수가 많으며, 광범위한 설계 영역을 가지게 된다. 또한 강성을 정의하는데도 어려움이 따르게 되며, 이러한 점들은 최적설계 문제의 복잡성과 계산 비용 및 시간을 증가시키는 원인이 된다. 그러므로 이를 개선하기 위해서는 복합재 팬 블레이드의 특성을 고려한 적층 패턴 최적설계 알고리즘이 필요하다.
일반적으로 사용되는 적층 패턴 최적설계 알고리즘은 도함수 기반 방법과 직접 탐색 방법으로 크게 나누어진다. 도함수 기반 방법은 수렴 속도가 빠르지만 최적해를 실제 적층 패턴으로 변환하는데 어려움이 따른다. 또한 구조물의 특성을 나타내는 수학적 모델 및 미분 정보가 필요하며, 이는 복잡한 구조물일수록 문제의 난이도를 증가시키는 원인이 된다. 이에 반해 직접 탐색 방법은 전역적(global) 최적해를 탐색할 수 있고, 추가적인 과정 없이 실제 적층 패턴을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 설계 영역이 넓은 경우에는 수렴 속도가 늦어진다는 단점이 있다.
따라서 본 논문에서는 복합재 팬 블레이드의 특성 및 두 가지 최적설계 알고리즘의 장단점을 고려하여 적층 패턴의 최적설계를 수행하였다. 이 때, 팬 블레이드의 질량 및 형상의 변화 없이 적층 패턴 및 각도만을 조절하여 강성을 최대화하는 것을 최적설계의 목표로 설정하였다. 설계 변수 및 설계 영역을 축소하기 위해서 lamination parameter를 도입하였으며, 이를 활용하여 복합재 팬 블레이드의 구조적 특성에 대한 근사 모델을 수립하기 위한 기법을 제안하였다. 또한 효율적인 최적설계를 위하여 도함수 기반 방법과 유전자 알고리즘을 결합한 2단계 최적화 방법을 도입하여 최적설계를 수행하였으며, 기존 모델과 최적설계 후 모델의 결과를 비교하였다.
복합재 팬 블레이드는 비틀린 형상과 일정하지 않은 두께를 가진 taper 형태의 적층판으로, 적층판의 강성이 전체적으로 균일하지 않다. 이에 따라, 복합재 팬 블레이드는 적층 패턴의 최적설계에 있어서 일반적인 적층판에 비해 고려해야할 설계 변수가 많으며, 광범위한 설계 영역을 가지게 된다. 또한 강성을 정의하는데도 어려움이 따르게 되며, 이러한 점들은 최적설계 문제의 복잡성과 계산 비용 및 시간을 증가시키는 원인이 된다. 그러므로 이를 개선하기 위해서는 복합재 팬 블레이드의 특성을 고려한 적층 패턴 최적설계 알고리즘이 필요하다.
일반적으로 사용되는 적층 패턴 최적설계 알고리즘은 도함수 기반 방법과 직접 탐색 방법으로 크게 나누어진다. 도함수 기반 방법은 수렴 속도가 빠르지만 최적해를 실제 적층 패턴으로 변환하는데 어려움이 따른다. 또한 구조물의 특성을 나타내는 수학적 모델 및 미분 정보가 필요하며, 이는 복잡한 구조물일수록 문제의 난이도를 증가시키는 원인이 된다. 이에 반해 직접 탐색 방법은 전역적(global) 최적해를 탐색할 수 있고, 추가적인 과정 없이 실제 적층 패턴을 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 설계 영역이 넓은 경우에는 수렴 속도가 늦어진다는 단점이 있다.
따라서 본 논문에서는 복합재 팬 블레이드의 특성 및 두 가지 최적설계 알고리즘의 장단점을 고려하여 적층 패턴의 최적설계를 수행하였다. 이 때, 팬 블레이드의 질량 및 형상의 변화 없이 적층 패턴 및 각도만을 조절하여 강성을 최대화하는 것을 최적설계의 목표로 설정하였다. 설계 변수 및 설계 영역을 축소하기 위해서 lamination parameter를 도입하였으며, 이를 활용하여 복합재 팬 블레이드의 구조적 특성에 대한 근사 모델을 수립하기 위한 기법을 제안하였다. 또한 효율적인 최적설계를 위하여 도함수 기반 방법과 유전자 알고리즘을 결합한 2단계 최적화 방법을 도입하여 최적설계를 수행하였으며, 기존 모델과 최적설계 후 모델의 결과를 비교하였다.
목차
요 약 i목 차 iii그 림 목 록 vi표 목 록 xiii기 호 목 록 xiv제 1 장 서 론 11.1 연구 배경 11.2 문헌 조사 31.3 연구 방법 5제 2 장 연구 관련 이론 62.1 복합재 평판이론과 lamination parameter 62.2 반응표면법 142.3 최적설계 이론 18제 3 장 복합재 팬 블레이드의 구조적 성능 근사 기법 223.1 복합재 팬 블레이드의 근사 모델 기반 최적설계 223.2 Lamination parameter의 유용 영역 (feasible region) 233.3 Lamination parameter를 활용한 구조적 성능 근사 263.4 Lamination parameter를 활용한 실험 계획 및 반응 표면 근사 모델의 생성 31제 4 장 복합재 팬 블레이드의 적층 패턴 최적설계 기법 354.1 2단계 최적화 방법 (two-step optimization method) 354.2 1단계 최적설계 알고리즘 394.3 2단계 최적설계 알고리즘 40제 5 장 구조적 성능 근사 및 최적설계 기법 적용 445.1 복합재 팬 블레이드의 유한요소 모델 445.2 복합재 팬 블레이드의 구조적 성능 근사 모델 485.3 복합재 팬 블레이드의 적층 패턴 최적설계 545.4 최적설계 결과 분석 59제 6 장 결 론 66참고문헌 68SUMMARY 72감사의 글 74
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