재난치안용 무인기 기체구조해석 및 진동특성 평가

신정우, 박일경, 이상욱

2018. 6. 21

한국항공우주연구원

서론 (I)

• 멀티콥터 드론• 여러 개의 로터(Rotor)를이용해 비행

• 수직 이착륙 및 휴대 용이 여러가지분야에 활용도 높음

• 재난치안용 무인기 공통 플랫폼 기술개발• 재난감시, 인명구조, 치안 등 다양하고 특수한 목적을 위한 드론 개발

• MC-1, MC-2, MC-3 3가지 종류의 멀티콥터개발

서론 (II)

• 멀티콥터 진동• 로터 진동에 의한 공진 발생 제어 어려움

• 설계시 로터 진동 고려 필요

• Verbeke and Debruyne (2016)

• 시험을 통해 로터 진동 히스토리 측정

• 이를 입력값으로 강제진동해석 수행

• 특정 위치에서의 변위 응답결과 도시

• 35 kg급 멀티콥터 MC-3 진동해석• MSC.Apex, MSC.Patran : 유한요소 및 질량 모델링

• MSC.Nastran

• 선형정적해석 (Inertia relief)

• 고유진동해석 (Normal mode)

• 주파수응답해석 (Frequency response)

형상

• MC-3 형상• 6개의 로터를 갖는 헥사콥터(Hexacopter)형태

• 추진시스템• 로터, 모터, 변속기(ESC)

• 암(Arm)

• 끝단에 추진시스템 장착

• 착륙장치 (Landing Gear)

• Strut, Skid, T-Bracket

• 동체• Battery, FCC, 통신장비 등 탑재장비 장착

• Skin : 외부 환경으로부터 탑재장비 보호

• 암과 착륙장치 장착

• 브라켓 (Bracket)

• 암과 착륙장치를 동체에 연결하기 위한 알루미늄 브라켓

해석모델 (I)

• MC-3 기체구조• 로터/모터/변속기, 내/외부 탑재장비등 기체구조에영향을 주지않는 부품 제외

• 기체구조 : 동체, 암, 착륙장치, 브라켓• 동체

• 수직/수평 Bulkhead와 스킨(Skin)이 전체 골격 유지

• 내부 장착물을 위한 2개 Floor를 수평 Bulkhead에 장착

• 암, 착륙장치

• 파이프 (Pipe) 형상, 알루미늄 브라켓과 볼트를 통해 동체와 연결

해석모델 (II)

• 유한요소모델 (I)

• 동체, 암, 착륙장치• 2D Shell 요소

• UD/Fabric 복합재료

• 브라켓• 3D 요소, Al6061-T6

• 볼트• 1D Beam 요소, SCM435

CP 125NS WSN 3KY

E11 [Gpa]

E22 [Gpa]

v12

G12 [Gpa]

e11

e22

e12

F13 [Mpa]

SCM435 AL6061-T6

E [Gpa] 200 68.3

v 0.32 0.33

G [Gpa] 75.8 26.2

Ftu [Mpa] 612 276

Fty [Mpa] 483 248

Fcy [Mpa] 483 248

Fsu [Mpa] 372 193

해석모델 (III)

해석모델 (IV)

• 유한요소모델 (II)

• 질량 모델• 구조물 : 밀도

• 내/외부 장착물

• CONM2/RBE3

Item Weight (g)C.G (mm)

FS BL WL

SP Board -44.3

Lidar 280

Stereo Vision_L -23

Stereo Vision_R -23

EO Camera -26.25

Ultra Sonic_f 12.5

Ultra Sonic_r -87.5

Ultra Sonic_l -87.5

Ultra Sonic_b -576.211

LTE modem -51.8

C-band Modem -49.3

UDC -94.6

HPA -94.6

CCU -51.8

지향성스피커 -325.533

장비고정용 -211.409

Trimble -53.3

GPS Antenna 149.89

PMU -56.3

FCC -49.3

AHRS -48.3

Gimbal-1(EO/IR) -122.5

Battery_1 32.1

Battery_2 32.1

Battery_3 32.1

Battery_4 32.1

Motor_1 167.754

Motor_2 167.754

Motor_3 167.754

Motor_4 167.754

Motor_5 167.754

Motor_6 167.754

변속기_1 95.27

변속기_2 100.49

변속기_3 95.27

변속기_4 95.27

변속기_5 100.49

변속기_6 95.27

Propeller_1 188.557

Propeller_2 188.553

Propeller_3 188.557

Propeller_4 188.557

Propeller_5 188.553

Propeller_6 188.557

Total

ItemWeight (g)

Design Analysis

Skin Cover 157 157

Floor/Bulkhead/Skin

Arm(Bracket/Polycarbonate 포함)

2,510 2,420

Landing Gear (Bracket 포함)

SCM435 bolts 300 298

Total

강도해석

• 각 로터 위치에 최대하중 작용

• Inertia relief 해석 적용

• 극한하중계수 1.5 적용

• 복합재료 해석 : 고전 적층판 이론 (Classical laminate theory)

Bulkhead

Load Case Hovering

Min. M.S. High

Failure Mode Fiber Tension

Arm

Load Case Hovering

Min. M.S. High

Failure Mode Compression

Floor (Stiffener)

Load Case Hovering

Min. M.S. High

Failure Mode Fiber Tension

Skin

Load Case Hovering

Min. M.S. High

Failure Mode Fiber Tension

진동해석 (I)

• Modal frequency response analysis

• 각 로터 위치에 Unit load (1 N) 작용

진동해석 (II)

주파수

(Hz)진동 모드 - ISO 진동 모드 - Front

24.5

30.4

36.7

결론

• 35 kg급 헥사콥터 구조해석 및 진동특성 평가

• 기체구조유한요소 모델링

• 진동해석을 위한 중량 모델링

• 정하중 해석

• 주파수 응답해석

• 특정 위치의 가속도 및 변위 도시

• 공진 발생할 수 있는 취약 주파수 및 위치 파악

• 로터 진동 하중 측정치이용해 진동해석 수행 예정