비행 시 발생하는 랜덤 하중에 대한 구조 안전성, 내구성 평가

오늘 다뤄볼 주제는 비행 장비의 “랜덤 진동 평가”입니다.

주변에서 가장 쉽게 볼 수 있는 비행 장비는 비행기와 헬리콥터가 있습니다.

“작은 프로펠러만으로 신기하게 잘 날아다니네….”
“비행기 타고 해외 여행 가고 싶다….”

“저렇게 큰 게 갑자기 추락하면 어떻게 하지??”

공학 기술이 집약된 비행 장비에는 수많은 부품이 맞물려 구성되어 있습니다.

매우 큰 인명피해 원인이 될 수 있기 때문에 비행 중에 무작위성으로 발생하는 하중에 대해서 정의하고 확인하는 것이 중요합니다.

비행체에서 발생하는 랜덤 진동에 대한 검토는 왜 필요할까요?

이번 주제인 비행 장비는 프로펠러나 제트 엔진에 의해 하늘 위로 날아다니는 물체입니다. 사람이 앉는 공간이나 화물을 적재하는 공간을 제외하고는 수백, 수천 개의 부품들이 서로 맞물려서 구성된 공학 기술의 집약체라고 할 수 있습니다.

그렇다면 비행기가 운행하는 동안 내부 부품들이 과연 안전한지 어떻게 평가할 수 있을까요??

자동차를 타고 이동하고 있다고 생각해본다면, 모터에서 타고 오는 진동이나, 지면의 울퉁불퉁함에 따라 전해져오는 진동, 고속 주행 시 받는 맞바람의 하중, 주행 속도 변화에 따른 하중 등 다양한 하중들을 느끼실 수 있을 것입니다.

하지만 이러한 하중들은 매시간, 매 위치 변하기 때문에 정량적인 하나의 값으로 표현할 수는 없습니다.

랜덤 진동은 어떻게 정의하고 평가할 수 있을까요?

비행 장비는 매시간, 위치마다 변화하는 하중을 받게 되기 때문에 이를 수치화하여 평가하기 위해 확률 분포 개념을 적용하게 됩니다.

매시간, 위치마다 변화하는 하중을 오랜 시간 동안 측정해서 통계를 내본다면 하나의 정규화된 확률 분포 그래프를 얻을 수 있습니다.

발생 확률에 따라서 1-Sigma(68.27%), 2-Sigma(95.45%), 3-Sigma(99.70%) 수준으로 구분하며, 이를 이용해서 랜덤 하중에 대한 안전성 평가를 수행합니다.

비단 비행 장비 뿐 아니라 자동차나 기차와 같은 지상 운행 장비에 대한 랜덤 하중도 정의되며, 군사 규격인 mil-std-810 이나 국제 시험 규격 IEC 60068-2-64 등에서 운행 장비들에 대한 랜덤 하중을 정의하고 안전성 평가를 수행할 수 있습니다.

일반적으로 PSD(Power spectral density) 함수 혹은 ASD(Acceleration spectral density)함수로 제공하며, y축의 밀도 진폭의 단위가 (g^2/Hz), (m^2/sec) 중 어떤 것이 적용되었는지 반드시 확인하신 후에 단위 하중에 대한 주파수 응답 해석을 할 때 단위 하중 값을 주의해서 평가해야 합니다.

그렇다면 비행 장비에서 비행 운행함에 발생하는 랜덤 하중을 mil-std-810에 따라 어떻게 정의하고 평가할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다.

예제는 상태 감지 시스템 (HUMS, Health and Usage Monitoring System)에 OH-6A 헬리콥터 기종의 랜덤 하중을 재하 했을 때 과연 어느 정도의 구조 안전성과 피로 수명을 가지는데 검토한 자료입니다.

해석 프로그램

midas NFX

해석 종류

- 모드 해석 (Mode analysis)

- 랜덤 응답 해석 (Random response analysis)

해석 목적

- 상태 감지 시스템이 항공기/헬리콥터 비행 운행 시 발생하는 무작위성 진동에 대한 동적 구조 안전성 검토 수행

- Mil-std-801h, Category 14(Rotary wing aircraft, helicopter)에 준하여 OH-6A 기종의 ASD (Acceleration Spectral Density) 하중을 적용

- 발생 확률에 따라 1-sigma, 2-sigma, 3-sigma 수준의 응력 분포와 피로 안전성 검토를 수행

주요 해석 결과

- 모드 해석 결과 각 주요 방향 X, Y, Z에 대해 각각 795.27Hz, 1,306.95Hz, 633.64Hz 고유진동수 범주 확인
- 방향 별 1-sigma(발생 확률 68.27%) 수준에 대해 구조 안전성 검토 결과, 최대 응력은 102.21MPa로 케이스 연결부에서 발생
- 재료 항복 강도(SUS304 , 240MPa)와 비교 시 모든 방향에서 구조적 안전성을 가짐을 확인
- 피로 수명 검토 결과, 누적 Usage factor(요구 수명/피로 수명)는 0.01로 검토 기준 1.0 이내 안전성을 확인

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