항공 우주 분야의 CAE 활용 사례
이 글에서는 항공 우주 분야에서 실제 업무에 다양하게 적용되고 있는 구조 음향 해석 프로세스 및 실제 사례를 소개한다.
■ 정찬희
헥사곤 코리아 디자인 및 엔지니어링 BU의 이사로, 음향 해석 전문 소프트웨어인 Actran의 PreSales/Tech Support/Consulting SVC를 담당하고 있다
홈페이지 | www.hexagon.com
일반적으로 구조물 설계에 있어서 음압에 의한 구조 손상은 거의 고려하지 않는다. 하지만 우주 발사체는 이륙시에 160~200dB에 이르는 매우 높은 음압이 발생하기 때문에, 발사체뿐 아니라 탑재물의 구조적 손상을 일으킬 수 있다. 특히 매우 정밀하고 구조적으로 약한 태양전지 패널이나 안테나같은 경우, 이러한 높은 음압 하에서 음향 피로(acoustic fatigue)에 의한 손상에 취약하다. 우주 발사체나 탑재물은 그 특성 상 제품 단가와 발사 비용이 매우 높고 장기간의 개발 기간이 필요할 뿐 아니라 사고 발생시 인명 손실까지 발생할 수 있기 때문에, 설계 및 검증 단계에서 발사체와 탑재물에 발생하는 높은 음향 하중 하에서의 진동 음향 거동을 예측하여야 한다.
그림 1
액트란(Actran)은 구조물의 구조 음향 거동을 정확하게 예측할 수 있는 전문 음향 해석 소프트웨어로, 이러한 높은 음향 하중 하에서의 진동 음향 거동을 예측하기 위해 사용되고 있다. 액트란을 이용한 우주 발사체에 대한 구조 음향 해석 프로세스는 <그림 2>와 같다.
그림 2
음향 해석에 사용되는 가진원은 크게 두 종류로, Deterministic 가진과 Random 가진으로 나뉜다. 우주발사체에 적용할 수 있는 Deterministic 가진은 다음과 같다.
- 구조물에 가해지는 국부하중 및 분포하중
- 평면파(planewave)
- 외부 음장 해석으로부터 구해지는 음압
- 비정상(unsteady) CFD 해석으로부터 구해지는 유체역학적 압력
- DFAT(DirectFieldAcousticTesting) 모델
우주발사체에 적용할 수 있는 Random 가진은 다음과 같다.
- 잔향실(diffuse sound field) 조건(탑재물 대상 masking 효과 고려)
- 난류경계층조건(turbulentboundarylayer)
앞서 소개한 구조 음향 해석 프로세스는 다양한 항공 우주 분야에서 실제 업무에 적용되고 있으며, 대표적인 사례는 다음과 같다.
베가 발사체 중단 구조물의 구조 음향 해석(Vibro acoustic analysis of the interstage structures)
발사시 구조물의 진동과 음향 하중에 의해 발사체의 전자 부품 및 기계 부품의 오작동이 발생할 수 있다. 이를 위해 아비오(Avio)에서는 베가(VEGA) 발사체의 구조 음향 거동을 예측하는 방법론을 개발하고자 하였다. MSC 나스트란(MSC Nastran)을 이용하여 중단 구조물의 동적 거동을 예측하였으며, 액트란을 이용하여 내부 캐비티(cavity)를 고려한 잔향실 가진과 구조가진 하에서 구조물의 거동을 예측한 결과 해석과 실험의 상관성은 높은 수준으로 일치하였다.
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