항공우주시스템공학회 2019년도 춘계학술대회 SASE 2019 Spring Conference

ASTROS를 활용한 수평미익 플러터 최적화 설계 연구 김진규1,†·, 황도진1, 유재찬1, 정찬훈1, 김태훈1

1한국항공우주산업㈜

Design Optimization for Flutter of Horizontal-Tail using ASTROS

Jinkyu Kim1,†, Do-jin Hwang1, Jae-Chan Yoo1 , Chan-hoon Chung1 and Tae-hoon Kim1 1Korea Aerospace Industries, LTD

Abstract : 항공기 구조는 응력, 좌굴, 피로 등의 구조건정성 검증 뿐만 아니라, 비행안전을 담보하는 플

러터 속도 요구도를 만족하여야 한다. 군용 항공기의 플러터 속도 요구도는 비행 영역 내에서 15% 이

상의 플러터 속도 여유 마진을 지녀야 한다. 본 연구에서 정하중 측면의 사이징 결과를 설계 변수 최소

값으로 제한하고 공탄성적 요구도를 만족시키기 위한 구조 설계 최적화를 수행하였다. 본 연구를 위하

여 상용 플러터 최적화 프로그램 ASTROS(Automated STRuctural Optimization System) 을 활용하였다.

수평미익 플러터 속도 마진을 구속 조건으로 설정하고 수평미익 구조물 중 플러터 속도 개선 효과에

대한 민감도가 높은 구조물을 설계변수로 선정하여 구조 중량을 최소화하는 최적화 설계를 수행하였다.

Key Words : Optimization(최적화), Flutter(플러터), Aeroelasticity(공탄성)

1. 서 론

항공기의 플러터 요구도 불만족시, 플러터 그룹에서

제시한 강성 요구도를 만족시키기 위하여 응력 그룹에

서 강성과 관련된 구조물의 두께를 증가시키거나 형상

을 변경시킨다. 최적화 해석이 고려되지 않은 구조 보

강은 불필요한 보강 구역이 포함되어 과도한 중량 증

가를 유발시킨다. 최적화 해석을 고려하지 않을 경우,

플러터 민감도가 낮은 구조물이 포함된 구조보강안에

대하여 플러터 평가가 매번 이루어지고 플러터 속도

마진이 충분할 경우, 중량절감을 위해 추가적인 보강

안에 대하여 재평가하는 해석 및 검토 작업이 반복적

으로 수행되어야 한다. 최적화 해석을 수행할 경우, 이

러한 반복작업을 최소화 할 수 있으며 동시에 증량 증

가도 최소화 할 수 있다. 본 연구에서는 플러터 속도

†교신저자 ( Corresponding Author )

E-mail: jinkyu.kim@koreaaero.com Copyright Ⓒ The Society for Aerospace System

Engineering

마진을 구속조건으로 하고 수평미익 구조 중 플러터

속도 개선에 대한 민감도가 높은 4가지의 구조물을 설

계 변수 품목으로 선정하여 구조 중량을 최소화 하는

최적화 설계를 수행하였다. 수평미익 구조 최적화 설

계를 통하여 초기 구조보강안 대비 약 15.6%의 중량

감소 효과를 보였다.

2. 플러터 해석

2.1 구조 모델/공력모델

구조모델은 MSC/NASTRAN을 사용하여 Fig. 1의 상

단과 같이 생성하였다. 수평미익 플러터 해석을 위해

후방동체 일부분을 제외한 나머지 전기체 모델은

Super Element 방법을 활용하여 해석을 진행하였다.[1]

공력 모델 생성은 ZAERO를 사용하여 Fig. 1의 하단과

같이 생성하였다. 플러터 해석의 경우 주로 양력면의

공기력이 중요하므로, 동체 공기력은 고려하지 않았다.

총 공기력 격자의 수는 720개이다.[2]

2.2 플러터해석

플러터 해석 전에 고유진동모드해석을 수행하였다.

Table 1과 같이 플러터 관련 주요 모드 4개의 고유진

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동수가 산출되었으며, 고유진동수는 전체 해석 진동수

를 normalize한 값으로 표시하였다.

ASTROS를 활용하여 선형 플러터 해석을 수행하였

고, 구조 설계 최적화 전 선형 플러터 해석 결과는 그

림 2과 같으며, 속도-감쇠 그래프와 속도-진동수 그래

프로 구분하였다.

Fig. 1 Structural Model & Aero Model

Fig. 2 V-f-g Plot at Initial Condition

Normalized

Frequency Mode Description

0.33 HT 1st Bending, Anti-Symmetric

0.34 HT 1st Bending, Symmetric

0.76 HT Rotation, Symmetric

0.81 HT Rotation, Anti- Symmetric

3. 최적화 해석

3.1 설계변수

설계변수는 민감도 해석을 통해 플러터에 직접적인

영향을 주는 4가지 구조물을 선택하였다. 설계변수 구

조물은 Closure Beam, Side Beam와 벌크헤드 2개이

다. Closure Beam과 Side Beam의 경우 Shell 두께를

설계변수로 하였고, 벌크헤드의 경우 Stiffener의 두께

를 설계변수로 하였다. 최적화 해석에 사용된 설계변

수의 개수는 총 44개이다.

3.2 최적화 해석

최적화 해석은 ASTROS를 활용하였고, 목적함수는

구조 중량이다.[3] 구속조건은 플러터 속도를 선택하

였고, 목표 플러터 속도는 항공기 설계 요구도를 만족

하는 값으로 설정하였다. 그림 3은 최적화 과정을 수

행한 최종 플러터 해석 결과 그래프를 보여준다. 구조

최적화 설계를 수행한 결과, 총 23번의 반복계산 과정

을 통하여 목표 플러터 요구도를 만족함을 확인하였다.

Fig. 3 V-f-g Plot at Optimization Condition

4. 결론

구조 최적화 설계 과정을 수평미익 구조에 적용하였

다. 4개의 구성품을 설계변수로 사용하였으며 ASTROS

를 활용하여 최적화 해석을 수행하였다. 23번의 반복

계산 과정을 통하여 초기 구조보강안 대비 약 15.6 %

의 중량 감소 효과를 도출하였다.

참 고 문 헌

[1] Rodden, W.P and Johnson, E.H. “MSC/NASTRAN

Aeroelastic Analysis User’s Guide, Version 68”,

The MacNeal-Schwendler Corporation.

[2] “ZAERO: User’s Manual v9.2,” ZONA Technology,

Inc, 2017, Second edition 1-17.

[3] “ASTROS: User’s Manual v21.3,” ZONA

Technology, 2015, Second Edition 12-17.

Table 1 Natural Frequency

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