CR fm

Size: px

Start display at page:

Download "CR fm"

인환 자
5 years ago
Views:

1 Vol. 31, No. 6, (018) DOI: ISSN (Pint), ISSN (Online) Pape 0mm 범용탄약적재장비의복합재이중리드나선구조설계 제현민 * 김위대 * Stess Analysis of Composite Double Lead Spial in 0mm Univesal Ammunition Loading System Hyun-Min Je*, Wie-Dae Kim* ABSTRACT: This pape addesses the stess analysis and design of composite double lead spial which is boaded in 0mm univesal ammunition dum by finite element method. The spial system is vey impotant to tansfe the ammunition in stable and eliable mannes fo aicaft. Some veifications ae done to check the possibility of composite application in spial system. The design vaiables, stacking sequence and fibe oientation angles, ae investigated fo eliable design fo pactical design. The Tsai-Wu failue theoy is applied to see the safety of the spial stuctue. The design esult is suggested to manufactue the double lead spial pat. 초록 : 본연구에서는 0mm 범용탄약적재장비의운행시탄약의운동에관여하는이중리드나선의설계를위해이중리드나선에발생하는응력과변형에대하여 ABAQUS 프로그램을이용해서해석한다. 해석을위해복합재를적용한나선형물체의회전시발생하는응력해석의타당성을확인한다. 이중리드나선의재료를일반금속과복합재로적용하여해석하고모델을복합재료로대체하였을때이점을제시한다. 또한복합재료의적층각과적층순서, 회전속도의변경시에발생하는응력과변형을예측하고, Tsai-Wu failue 이론에해석결과를적용하여파손을확인하며. 탄약적재시스텝의개발을위한복합재이중나선구조의설계결과를제시한다. Key Wods: 0mm 범용탄약적재장비 (0mm univesal ammunition dum), 복합재료 (Composite mateials), 이중리드나선 (Double lead spial), 회전응력 (Rotational stess), Tsai-Wu 파손이론 (Tsai-Wu failue theoy) 1. 서론 0mm 범용탄약적재장비 (0mm univesal ammunition dum) 는전투기투입시전투기의실탄공급및회수를지원하는장치로서 3가지로구성되어있으며 Fig. 1은본연구에사용하는장비의형상이다. 장비가임무장소까지이동할수있도록해주는 Loade Assembly, 전투기와직접적으로연결되어탄약을적재및회수가가능하도록하는 Feed & Retun Assembly, 탄약의내부이동을담당하는 Dum Assembly 로구성된다. Fig. 는 Dum Assembly 내부의형상이다. 중심에위치한이중리드나선 (double lead spial) 의회전에의해탄약이움직이고, 주위의가이드레일에의해직선이동이가능해진다. 하지만이중리드나선이탄약의이동중파괴되거나과대변형이일어난다면기대했던효율을가지기어렵다. 또한, 연식이오래된제품의경우는장기적인임무수행으로인해영구변형이일어나기쉬운금속으로제작되어있기때문에교체가필요한실정이다. Received 10 Decembe 018, eceived in evised fom 1 Decembe 018, accepted 13 Decembe 018 * Depatment of Aeospace Engineeing, Pusan National Univesity * Depatment of Aeospace Engineeing, Pusan National Univesity, Coesponding autho ( wdkim@pusan.ac.k)

Stess Analysis of Composite Double Lead Spial in 0mm Univesal Ammunition Loading System 341 Fig. 1. Figue of 0mm univesal ammunition dum Fig. 3. Bounday conditions of efeence model Table 1.

기존금속인알루미늄과비교하여같은강성을가지고오래사용할수있는복합재료를이중리드나선에적용한다. 또한복합재는일반금속보다밀도가작기때문에무게절감효과를기대할수있다. 따라서본연구에서는 ABAQUS 프로그램을사용하여복합재료가적용된이중리드나선의유한요소해석 (finite element Analysis, 이하 FEA) 을통해 Dum Assembly 중이중리드나선의성능예측을실시한다.

2 Stess Analysis of Composite Double Lead Spial in 0mm Univesal Ammunition Loading System 341 Fig. 1. Figue of 0mm univesal ammunition dum Fig. 3. Bounday conditions of efeence model Table 1. Values of shaft & lead spial model 이와같은문제를해결하기위해복합재료 (composite mateials) 를이중리드나선에적용한다. 복합재료의특성은적층각과적층순서를조절하여강성을조절할수있으며, 외부환경의변화에민감한금속에비해반영구적으로사용가능한것이특징이다. 기존금속인알루미늄과비교하여같은강성을가지고오래사용할수있는복합재료를이중리드나선에적용한다. 또한복합재는일반금속보다밀도가작기때문에무게절감효과를기대할수있다. 따라서본연구에서는 ABAQUS 프로그램을사용하여복합재료가적용된이중리드나선의유한요소해석 (finite element Analysis, 이하 FEA) 을통해 Dum Assembly 중이중리드나선의성능예측을실시한다. 두께 (mm) 의이중리드나선은얇은판으로가정할수있으며해석타당성검증을위해복합재로제작된얇은판의회전응력에대한 [1-4] 를참고했다. 타당성검증을위한모델은 Han 등 [5] 의원심분리기용스크류의해석결과비교를하였다. 이중리드나선에금속을적용한모델과 [45/-45/0] S 의적층을가지는기본모델을설정하여응력, 변형, 파손을비교하여대체가능성을확인하였다. 또한이중리드나선에적용되는복합재의적층각및적층순서변경을통해응력, 변형과파손을확인하여실제모델에적용가능한지판단한다. 강도를확인하기위해 [6] 을참조하였으며파손을판별하기위해 [7], [8] 에서 Tsai-Wu 파손이론을사용한다. 또한이중리드나선의회전속도를변경하였을때의파손여부를확인하여파손되지않는범위를확인한다.. 해석검증 Fig.. Dum assembly including ammunition.1 선행논문검증 Dum Assembly 의내부형상은 Fig. 와같이축에이중 Pat Shaft Lead Spial SUS304 Mateial Young s Modulus = Poisson s atio = 0.3 Element Type C3D8R Numbe of Element Radius Oute ~40 (mm) Inne Length (mm) 108 Rotating Velocity 4000 (RPM) = 419 (ad/s) Radius (mm) Thickness (mm) Table. Analysis esults of efeence model Refeence ABAQUS Eo (%) 리드나선이연결되어있는형태이다. 이형상은 [5] 에서연구한원심분리기용스크류와유사한형상이며 Fig. 3과같다. 또한, [5] 는회전하는스크류의반지름크기및두께에따른응력을알아보는것인데이는회전하며탄약을이송하는본연구와해석방법이유사하므로, 경계조건과하중조건을참고하여유한요소해석을수행하였다. 해석에필요한수치와결과를각각위의 Table 1과 Table 에정리하였다. Table 의결과에서알수있듯이 [5] 와비교하여오차가평균.38(%) 의작은값을가지며해석이거의일치하는것으로나타났다. 따라서본연구에필요한회전속도조건이제대로작동함을알수있으며, [5] 와같은경계조건을사용해야함을확인하였다.

34 Hyun-Min Je, Wie-Dae Kim. 복합재료적용검증.1의연구에서사용하는재료를복합재로적용하였을때의결과에대한타당성을검증하였다. 복합재의기본적층은 0도적층일때 Fig. 4에표시된것과같이복합재의섬유방향이모델반지름의접선방향으로적층되도록설정하였다.

σ 3 + ν o i R = ρω ( o + i ) 8 + (1) ρω + σθ = (3 + ν)( + + ) (1 + 3 ν) 8 o i o i Fig. 5 에표시된것과같이 4 개의위치에서반지름에따 () Fig. 6.

Mateial popeties of composite Glass Fibe Fabic E 11 7.8 10 4 E 7.8 10 4 E 33 1.00 10 4 ν 1 0.01 ν 3 0.01 ν 31 0.01 G 1 7.0 10 3 G 3 3.80 10 3 G 31 3.80 10 3 라응력을확인하였으며 Fig.

3 34 Hyun-Min Je, Wie-Dae Kim. 복합재료적용검증.1의연구에서사용하는재료를복합재로적용하였을때의결과에대한타당성을검증하였다. 복합재의기본적층은 0도적층일때 Fig. 4에표시된것과같이복합재의섬유방향이모델반지름의접선방향으로적층되도록설정하였다. 검증에사용한적층은 [0] 4 로하였으며, 사용한복합재의물성은 Table 3과같다. 동일한회전속도에서반지름에따른응력은반경, 접선방향으로 가지가있다. 각각아래의식 (1), () 와같다. 이때, o 는외경, i 는내경이다. σ 3 + ν o i R = ρω ( o + i ) 8 + (1) ρω + σθ = (3 + ν)( + + ) (1 + 3 ν) 8 o i o i Fig. 5 에표시된것과같이 4 개의위치에서반지름에따 () Fig. 6. Radial and tangential stess along adius in 4 cases Young s Modulus Poisson s Ratio Shea Modulus Fig. 4. Basic fibe stacking diection Table 3. Mateial popeties of composite Glass Fibe Fabic E E E ν ν ν G G G 라응력을확인하였으며 Fig. 6에나타냈다. Fig. 6에서 (a) 는반지름에대한반경응력을나타냈고 (b) 는반지름에대한접선응력을나타냈다. 최대응력이작용하는위치에서응력차이를보였지만일정한경향성을가지고있으며, 나선형모델에복합재를적용해도타당함을알수있다..3 유한요소해석모델설정.1과.의과정에서경계조건확보및복합재료물성적용의타당성확인을통해본연구에필요한해석방법에대한검증을실시하였다. 앞의검증을토대로본연구에사용되는이중리드나선에대한 FEM 기본모델을설정하고해석을진행하였다. (1) 이중리드나선모델링 Dum Assembly 내부의축과이중리드나선의형상은 Fig. Fig cases to find stess along adius Fig. 7. Mesh of dum assembly

Mateial popeties of aluminum (014-T6) Young s Modulus Poisson s Ratio Density 73100 0.35 790 7 와같으며형상에대한정보는 Table 4 에정리하였다. 기본모델에사용한적층은 [45/-45/0] S 으로구성되었으며알루미늄을사용하여비교하였다.

4 Stess Analysis of Composite Double Lead Spial in 0mm Univesal Ammunition Loading System 343 Table 4. Values of dum assembly model Pat Shaft Lead Spial Element Type C3D8R Numbe of Element Radius Oute (mm) Inne Length (mm) 1530 Table 5. Mateial popeties of aluminum (014-T6) Young s Modulus Poisson s Ratio Density 와같으며형상에대한정보는 Table 4 에정리하였다. 기본모델에사용한적층은 [45/-45/0] S 으로구성되었으며알루미늄을사용하여비교하였다. 복합재물성은앞의 Table 3 과같으며알루미늄의물성은 Table 5 에정리하였다. () 경계조건및하중조건경계조건은 [5] 와 Fig. 8과같이다른부품에의해회전이제어되는 30 mm만큼회전반경방향 (U R ) 으로고정하고, 운행시축방향 (U Z ) 에대해서움직이지않아야하므로축방향에대해서양면을고정하였다. 하중조건은제품의운행회전속도인 5 RPM으로축을기준하여회전하도록설정하였으며, 중력을고려하였다. 또한, 외력으로 0.1 kg의탄약이이중리드나선에의해움직일때생기는마찰력과 Fig. 9에서가이드레일을통해움직일때생기는마찰력을고려하기위해마찰계수 0.3을설정하 Table 6. Engineeing stength of composite mateial X T X C Y T Y C S MPa 였다. Fig. 9 에서탄약이이중리드나선과접촉하는모든부분에외력을부가하였다. (3) Tsai-Wu 파손이론일반금속의경우 Von Mises 값이항복응력을초과하면파괴되는것으로알수있다. 하지만, 복합재료는이방성물질이므로이방성물질에대한일반화된파괴이론의단순화식인 Tsai-Wu 파손이론식을적용하여적층별파손을확인하였다. Tsai-Wu 파손이론식은아래식 (3) 과같으며, 결과가 1이넘으면파손된것으로정의한다. Fiσi + Fijσij 1 (, ij= 1, L6) 식 (3) 에서 F i, F ij 는복합재료의강도에의해서결정되는강도텐서이다. 본연구는각적층별파손을확인하므로평면응력이라가정할수있고, 이를적용하면아래식 (4) 와같이정의할수있다. Fσ + Fσ + Fσ + F σ Fσ F66σ6 F1σ1σ F i, F ij 를구하기위해필요한물성은 Table 6에정리하였다. σ i, σ ij 의값은해석결과를통해구할수있으며이를바탕으로식 (4) 에적용하여이중리드나선의적층별파손을확인하였다. (3) (4) 3. 해석결과 Fig. 8. Bounday conditions of model 3.1 재료별해석결과비교.3의조건으로 [45/-45/0] S 의적층배열을가지는기본모델과알루미늄이적용된모델에대하여해석하였다. 비교결과는 Table 7에정리하였다. 알루미늄제품에대해서복합재료를적용한제품은주응력이 만큼감소하였고, 축방향에대한변형은 0.36(mm) 만큼증가하였다. 무게는복합재를적용한제품이 (kg) 감소하였다. 두재료의응력과변형은큰차이를보이지않지만무게 Fig. 9. Load conditions of model Table 7. Compaison of aluminum and composite mateial Aluminum Composite Max. Pincipal Stess Max. Displacement Z-axis (mm) Mass (kg)

5 344 Hyun-Min Je, Wie-Dae Kim Fig. 10. Pincipal stess distibutions of basic model Fig. 1. Radial and tangential stess along adius in 4-cases Table 8. Failue of each ply Ply Sequence Oientation Angle ( o ) Failue Fig. 11. Stess and displacement though path line 절감효과를기대할수있으므로알루미늄으로제작된이중리드나선을복합재료를사용하여제작하기에적합하다. 3. 복합재기본모델결과분석기본모델에대한해석결과는 Fig. 10과같은응력분포를보였다, 주응력이최대가되는지점은모델의오른쪽끝단에서 로발생하였으며축방향최대변형은모델우측에서 0.573(mm) 로나타났다. 또한, 모델의나선을따라탄약의하중이작용하는지점에서의주응력과변형을위 Fig. 11의 (a), (b) 에나타냈다. Fig. 11 모두양끝의경계조건을제외하면주응력과변형이일정한수치를가지는것을확인할수있다. Fig. 11에서진폭이가장작은중간부분의나선에서 Fig. 5와같이 4개의위치에서알아보았다. 각각반지름에따른반경응력과접선응력을 Fig. 1에나타냈다. Fig. 1에서모두초기값을제외하면반지름에대한반경 응력과접선응력의경향성이일치함을알수있다. 다음으로식 (4) 의 Tsai-Wu 파손이론식을적용하여각적층별파손값을 Table 8에정리하였다. 해석결과모든적층에서파손값이 1보다작으므로모델에적용된복합재가파손되지않음을알수있다. 3.3 적층배열변화앞과동일한하중조건에서적층배열을다르게하여결과를확인하였다. 각조건별주응력, 변형, 파손의최대값을 Fig. 13으로나타냈다. Fig. 13의표시된선은기본모델의값을나타낸것이다. Fig. 13의 (a) 와 (c) 를보면 5가지조건모두주응력과파손값이기본모델보다큰값을가진다. 하지만, 적층배열변경을통해축에대한변형이기본모델보다적은조건이있음을 (b) 에서확인할수있다. Fig. 13의값은 Table 9에정리하였다. 본연구의적층조건중기본모델보다변형이작으며, 파손값의차이가작은 5번조건으로다음해석을진행한다.

6 Stess Analysis of Composite Double Lead Spial in 0mm Univesal Ammunition Loading System 345 Table 10. Changes in pincipal stess, displacement and failue index with espect to otating velocity Rotating Velocity (RPM) Max. Pincipal Stess Max. Displacement Z-axis (mm) Max. Failue 하게되면파손이일어나는것을알수있다. 4. 결론 Fig. 13. Compaison between standad model and each case Table 9. Maximum esults of each case with espect to the change of stacking sequence Case Stacking Sequence Pincipal Stess Displacement Z-axis (mm) Failue Base [45 / -45 / 0] S [0 / 30 / 60] S [30 / 45 / 60] S [0 / 30 / 0] S [0 / 45 / 0] S [0 / 60 / 0] S 회전속도변화 3.3의결과를통해 [0 / 60 / 0] S 의적층배열이본연구기준의최적조건임을확인하였다. 이적층조건을적용하였을때이중리드나선의한계파손범위를구하기위해회전속도를 10배, 50배, 100배, 500배씩증가시켜결과를확인하였다. 위와같이 Table 10에응력, 변형, 파손의최대값을정리하였다. 회전이증가함에따라주응력은증가하지만축방향변형은거의없다. 운행조건보다 500배이상의회전을 본논문에서는유한요소해석을통해 Dum Assembly 중복합재료를적용한이중리드나선의해석타당성을검증하였다. 검증을통해해석의신뢰성을확보하였으며, 해석결과를응력, 축변형, 파손여부를비교하여다음과같은결론을도출하였다. 1) 제품에복합재를적용하면일반금속과비교하여비슷한응력및변형대비무게절감에큰이점을보이므로모델에적용하는재료의대체가능성을판단하였다. ) 복합재를적용한기본모델에대해응력과변형을확인하였으며파손이일어나지않음을확인하였다. 3) 여러가지조건의적층각및적층순서비교를통해본연구기준으로 [0 / 60 / 0] S 의적층배열이최적조건임을알수있다. 4) 회전속도를증가시켰을축변형은거의없지만, 응력과파손값이증가하며회전속도가 1,500(pm) 이상이되면이중리드나선이파손됨을확인하였다. 따라서, 실제장비운용시파손이시작되는회전속도이하라면탄약의이송에는영향이없을것이며, 긴급상황에서탄약및탄피의적재와회수를빠르게수행할수있을것으로기대된다. REFERENCES 1. (Intenational Jounal) Iwan, W.D., and Moelle, T.L., The Stability of a Spinning Elastic Disk with a Tansvese Load System, Jounal of Applied Mechanics, Vol. 43, No. 3, 1976, pp (Intenational Jounal) Kikhope, J., and Wilson, G.J., Vibation and Stess Analysis of Thin Rotating Discs Using Annula Finite Elements, Jounal of Sound and Vibation, Vol. 44, No. 4, 1976, pp (Koean Jounal) Koo, K.-N., In-plane Stess Analysis of Relating Composite Disks, Composites Reseach, Vol. 18, No. 4, 005, pp (Koean Jounal) Koo, K.-N., Stess and Vibation Analysis of

7 346 Hyun-Min Je, Wie-Dae Kim Rotating Laminated Composite Disks, Tansactions of the Koean Society fo Noise and Vibation Engineeing, Vol. 16, No. 9, 006, pp (Koean Jounal) Han, G.J., Lee, S.W., Shim, J.J., Han, D.S., Ahn, C.W., Suh, Y.K., and Kim, T.H., Stess and Vibation Analysis with espect to the change of the Shape of Scew Blade and the Hole fo Centifuge, Jounal of the Koean Society fo Pecision Engineeing, Vol. 0, No. 9, 003, pp (Koean Jounal) Pak, J.K., Kim, Y.H., and Ha, S.K., Optimal Design of Ultacentifuge Composite Roto by Stuctal Analysis, Jounal of the Koean Society fo Pecision Engineeing, Vol. 15, No. 1, 1998, pp (Book) Jones, Robet M., and C. W. Bet, Mechanics of composite mateials, 1975, pp (Book) Daniel, Isaac M., et al. Engineeing Mechanics of Composite Mateials. Vol. 3. New Yok: Oxfod Univesity Pess, 1994.

저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할

저작자표시 - 비영리 - 변경금지 2.0 대한민국 이용자는아래의조건을따르는경우에한하여자유롭게 이저작물을복제, 배포, 전송, 전시, 공연및방송할수있습니다. 다음과같은조건을따라야합니다 : 저작자표시. 귀하는원저작자를표시하여야합니다. 비영리. 귀하는이저작물을영리목적으로이용할수없습니다. 변경금지. 귀하는이저작물을개작, 변형또는가공할수없습니다. 귀하는, 이저작물의재이용이나배포의경우,