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2014년, HH-60G Pave Hawk 헬기가 영국의 Norfolk에서 훈련하던 중 사고가 발생하여 네 명의 미국 공군 요원이 사망한 일이 있었습니다. 미국 조사위원

회는 이 사고가 주변에서 날아가던 거위가 항공기의 앞 유리와 부딪히고 이로 인해 조종사와 부조종사가 의식을 잃으면서 발생한 것이라고 밝혔습니

다. 이어서 조사위원회는 또 다른 거위가 헬기의 앞 부분에 부딪혀 헬기의 중심을 잡아주는 평형 장치가 고장나

면서 더 이상의 대응이 불가능했으며, 그 결과 헬기가 지상으로 추락하여 4천 만 달러 상당의 헬기가 파괴되고 생

명까지 앗아갔다고 밝혔습니다. 하지만 조류와 관련된 사고는 이것 만이 아니었

습니다. 미국 농무부의 동식물 검역소(APHIS)에 따르면 조류와 민간 헬기나 군용 헬기의 충돌로 인해 1990년 이후 11명의 사망자와 61명의 부상자가 발생

했다고 합니다. [1]

테스트과

거에는 복합재로 만든 항공 부품이 조류와의 충돌을 견딜 수 있는지 확인하려면 엄청난 시간이 소요되는 실제 시험 만이 유일한

방법이었습니다. 하지만 현재 HAL社(Hindustan Aeronautics Limited社) 엔지니어들은 한번에 올바른 설계를 얻기 위해서 시뮬레이션을 사용합니다. 조류 충돌 시뮬레이션으로 인해 회사는 설계 시간과 부품 하나당 수천 달러가 소요되는 복합재 헬기 부품 시험 비용을 절약할 수 있었습니다.

AEROSPACE ANDDEFENSE

작성자: Vijaykumar Rayavarapu 인도 방갈로르 소재 힌두스탄항공 연구개발 관리자

^항공기의 덮개에 대한 Lagrange 모델과 SPH 조류모델

ISSUE 2 | 2016

© 2016 ANSYS, INC. ANSYS ADVANTAGE 43

조류와의 충돌 위험으로부터 승객과 승무원을 보호하기 위한 노력의 일환으로 미국 연방 항공국(FAA)과 유럽 항공 안전청(EASA)을 포함한 규제 기관들은 조류 충돌을 견딜 수 있는 헬기의 성능에 관한 규제안을 발표했습니다. 예를 들어 현재 FAA의 14 CFR 29.631 규정은 조류와의 충돌 후에도 계속 안전하게 비행하고 착륙할 수 있는 A 범주(장애 발생 시 계속적인 비행 보증에 관한 최고 인증 표준)의 회전익 항공기를 요구하고 있습니다. 조류 충돌 인증은 시간이 오래 걸리고 상당한 비용이 들어가는 절차인데, 이것은 실제 시험 만이 부품이 조류 충돌을 견딜 수 있는지 없는지를 확인할 수 있는 유일한 방법이기 때문입니다. 그리고 각기 새로운 설계를 시험할 때마다 부품이 자주 파손되고 교체가 필요했기 일반적으로 시험은 여러 번 반복되어야 했습니다. HAL社는 ANSYS Composite PrepPost와 ANSYS Autodyn을 사용하여 정확한 조류 충돌 시뮬레이션을 수행함으로써 시간과 비용을 상당히 절약할 수 있었습니다. 또한 시뮬레이션을 활용하면 효율적이고 적절한 설계가 가능하기 때문에 부품마다 한 번의 시험 만이 필요하게 되었습니다.

시뮬레이션의 어려움“현대의 헬기에서 인증이 필요한 항공기 덮개(Cowling), 수평 안정장치(Horizontal stabilizer)와 종판(End plates)과 같은 부품은 일반적으로 섬유 강화 복합재로 만듭니다. 항공기 덮개란 엔진이나 변속기와 다른 주요 시스템과 같이 고장수리 등의 이유로 접근성이 보장되어야 하는 영역

을 덮는, 분리 가능한 패널을 말합니다. 조류 충돌 시뮬레

이션은 매우 어려운 작업인데 이는 짧은 시간에 재료가 크게 변형을 일으키고, 급격하게 변하는 표면 형상과 물체

와의 상호 작용을 포함하기 때문

입니다. 게다가 겹겹이 쌓여 있는 다층의 구조와 각 층을 구성하는 물질의 특성, 영역, 두께, 방향성 등 복합재를 모델링해야 하기 때문에 시뮬레이션 난이도 또한 대단히 높습니다. HAL社는 사용된 모델의 유효성

을 검증하기 위한 첫 번째 단계로

^평판에 부딪히는 조류 모델의 단순화된 시뮬레이션

쉽게 시험해 볼 수 있는 단순한 경우를 해석하

였습니다. 물리적인 시험의 결과와 해석 결과

가 서로 상관성이 있다

고 밝혀진다면, 이는 곧 항공기의 해석에 사용된 모델이 유효하다는 것을 의미하는 것입니다. 이 단순화된 조류 충돌 시뮬레이션은 평평한 판에 부딪히는 이상적인 기하

학적 형상으로 이루어졌

습니다. 조류의 한쪽 끝은 평면으로, 반대쪽 끝은 반구로 이루어진 원통으로 모델링하였습니

다. 빠른 속도로 충격을 받는 조류는, 지속 응력보다 항복 응력이 훨씬 더 낮기 때문

에 마치 쉽게 변형될 수 있는 투사체처럼 거동하게 됩니다. 이를 근거로 조류 몸체의 밀도는 물의 밀도와 유사하기 때문에 대상물에 부딪히는 물 덩어리로 조류를 근사할 수 있습니다. 대규모의 격자 왜곡(distortion)에 따른 수치 오류

를 피하고자 smoothed particle hydrodynamics (SPH, 유체

를 무수히 많은 입자로 표현하고 움직임을 계산하여 렌더

링 시에 3D 표면을 가진 형태로 가시화시키는 방법) 기법을 사용하여 Autodyn 솔버로 해석을 수행하였습니다. 해석 결과, 유체 역학의 이론을 사용한 충격압의 계산과 매우 일치

하는 결과를 얻을 수 있었습니다.

복합재 형상 정의하기인증 시험을 사실적으로 시뮬레이션하려면 복잡한 복합

재 구조물을 모델링해야 합니다. HAL社의 엔지니어들은 ANSYS Workbench 환경에서 항공기 덮개 형상을 불러왔

습니다. 항공기 덮개는 Kevlar® 섬유 외피와 벌집 모양의 심재로 이루어져 있습니다. 엔지니어들은 층 수를 정의

하고, 각 층마다 형상과 두께, 방향을 정의하는데 ANSYS Composite PrepPost를 사용하였으며, 심재의 특성을 파악

^시뮬레이션에 의한 등가변형률 표시

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테스트 (계속)

“조류와 헬기의 충돌로 인해 1990년 이후 11명의 사망자와 61명의 부상자가 발생했습니다.”

하기 위해서 ASTM 표준에 따라 사각 시편

의 압축 시험을 수행

하였습니다. 이렇게 얻어진 복합재 특성

은 유한 요소 모델과 입력 파일에 반영되

었습니다. 각 복합재 층의 재료 물성치는 적절한 손상 개시 조건과 손상 전개와 함께 ANSYS Composite PrepPost 내의 물성 구성 방정식으로 정의되었으며, 추가적인 전처리 작업은 ANSYS Explicit STR에서 수행되었습니다. ANSYS Com-posite PrepPost에서 정의된 복합재 정의는 ANSYS Work-bench를 통해 Autodyn로 완벽하게 전달되었습니다. ANSYS Autodyn explicit 솔버의 주요 장점은 합리적

인 시간 내에 가능한 정확도가 높은 결과를 생성하기 위해서 하나의 문제에 대해서 Lagrange와 Euler, Arbitrary Lagrange-Euler(ALE), SPH 기법을 결합하여 해석하는 능력

입니다. 이 해석에서 SPH 조류 모델은 조류를 모델링하기 위해 사용되었고, 항공기 덮개 구조물은 빠른 계산 속도를 위해 Lagrange 모델이 사용되었습니다. 아울러 연구소에

서 실시된 조류 충돌 시험의 실험 조건과 일치시키기 위하

여 항공기 덮개에 공기역학적 하중을 적용하는 것을 포함한 모델이 구축되었습니

다. 또한 실제 시험에

서 사용된 것과 동일

한 항공기 덮개의 위치에 가상의 스트레인 게이지(strain guage, 물체의 표면에 부착하여 물체가 외력으로 변형될 때 변형을 측정하는 측정기)를 가 Autodyn 내에 정의되었습니다.

실제 시험과의 상관관계각각의 요소 내에서, Lagrange 솔버는 이산화된 모델의 재료 위치를 포착하고, 힘이 가해짐에 따라 변형이 진행되는 과정을 추적하였습니다. 0.004초 동안의 과정을 시뮬레이

션하는데 걸린 시간은 1시간 이내였습니다. 시뮬레이션은 시험의 기본 파라미터뿐만 아니라 손상의 위치와 파손의 크기를 정확하게 예측하였습니다. 서로 다른 시간 간격에서의 파손 모드 또한 시험 결과와 잘 일치하였습니다. 충돌의 초기 단계에서는 복합재 구조

물의 기계적 응답은 섬유 구조물 계면에 의해 좌우됩니다. 충돌의 중간 단계에서는 충격이 외피와 심재의 접점에 다다랐을때 음의 압력 영역이 외피의 후방에서 생성되기 시작하고, 이 영역에서 섬유의 인장 파손이 생기게 됩니다. 충돌의 마지막 단계에서는 외면의 상당히 큰 영역이 음의 압력을 받아 구조적 파손에 이르게 됩니다. 한편 발사체 상단

을 감싸고 있는 항공기 덮개에서 높은 변형율이 관측됩니

다. 높은 에너지의 조류 충돌에 대한 동적 응답과 구조물 파손을 예측하기 위한 시뮬레이션 성능에 있어서, 상관성 연구는 높은 수준의 신뢰성을 보여주었습니다. 현재 HAL社는 한번에 조류 충돌 인증 시험을 통과할 수 있도록 새로운 외부 구조 구성요소를 설계하는 데에 이 검증된 모델을 사용하고 있습니다. HAL社는 다루프(Dhruv) 고등경헬기(Advanced Light Helicopter)의 민간용 EASA 인증 획득에 시뮬레이션을 활용함으로써, 과거에는 거의 항상 필요했던 한 두 번의 추가 시험을 줄여 시간을 절약할 수 있었으며 인증 받아야 하는 부품들에 대해서 부품당 수천 달러의 시험 비용을 절약할 수 있었습니다.

Impact ansys.com/impact

^여러 시간 간격에서의 항공기 덮개의 변형

References[1] Keirn, G. Helicopters and Bird Strikes; Results from First Analysis Available Online. blogs.usda.gov/2013/06/06/ helicopters-and-bird-strikes-results-from-first-analysis- available-online (12/17/2015).

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