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Journal of the Korean Society for Quality Management > Volume 47(4); 2019 > Article
구조해석을 통한 보조발전기 경량화에 관한 연구

Abstract

Purpose

The purpose of this study is to lighten the APU (Auxiliary Power Unit) structure of the KAAV (Korea Assault Amphibious Vehicle) through structural analysis.

Methods

Commercially-available program (MIDAS.NFX) was used for finite element analysis. Frequency response analysis was performed through linear static and mode analyses to verify the structural stability according to the change of the structural materials.

Results

Numerical simulation (linear static, mode and frequency response analyses) results showed that the safety factor of the APU was over 1.5 even under the worst case conditions. The APU made by aluminum structures was expected to be available in the military field, since every requirements in the KDS (Korean Defense Specifications) was fulfilled during the various tests and evaluations.

Conclusion

The structural analysis was verified that the structural stability of the APU structure of the KAAV after change of the structural material.

1. 서 론

한국형 상륙돌격장갑차(이하 KAAV, Korea Assault Amphibious Vehicle)는 기존에 해병대에서 사용하던 LVT (Landing Vehicle Tracked) 차량의 노후 및 편대 부족의 심화에 따른 전투력 저하를 해소할 목적으로 개발되었다. 1998년부터 KAAV라는 명칭으로 전력화되기 시작하였으며, 기동력과 화력이 우수한 장비로써 상륙작전이 필수인 해병대에서 현재 주력 전력으로 사용되고 있다.
KAAV의 APU는 차량 내부에 적재되어 이동되며, 실제 작전 시에는 KAAV 탑승 병력이 차량 외부로 이동시켜 작전에 사용되는 이동식 발전기로써 전력계통이 확보되지 않은 장소에서 전력을 생산하는 역할을 수행한다. 기존의 APU 구조물은 비중이 약 7.8인 철강으로 프레임이 이루어져 있어 군에서 사용 시 무게로 인한 제한사항이 발생되었고, 이러한 제한사항을 해결하기 위해서 APU 구조물에 대한 경량화 필요성이 대두되었다.
일반적으로 구조물의 경량화 방법은 구조물의 형상 최적화를 통한 경량화와 구조재료의 경량화를 통한 경량화 등으로 대별할 수 있다. 이중 대표적인 구조재료인 철강의 경량화는 일반적으로 열처리, 소성가공 등의 제조공정을 통한 비강도 향상 및 박육화 달성으로 알려져 있다. 이외에 기존의 철강이 사용되던 구조물의 재질을 알루미늄이나 마그네슘과 같은 경량금속으로 대체하여 구조물의 경량화를 달성하는 방법이 널리 활용되고 있다. 알루미늄은 비중이 약 2.7로써 철강에 비해 약 3배가량 가벼우며 비강도도 우수하기 때문에 다양한 수송기계분야(항공기, 자동차 등)에서 구조용 경량금속재료로 널리 활용되는 소재라고 할 수 있다. 다만, 일반적으로 알루미늄은 철강에 비하여 강도 및 강성 등의 기계적 특성이 부족하기 때문에 구조물의 재질을 철강에서 알루미늄으로 대체할 경우 대체된 구조물의 구조 안전성 확인이 필수적이라고 할 수 있다.
민수용과 제품과는 다르게 군수용으로 사용되는 APU는 신뢰성이 가장 중요한 요소이기 때문에 구조물 경량화에 따른 구조 안전성 확보가 특히 중요하다고 할 수 있으며, 진동이 심한 환경에서도 작동이 원활하게 가능해야한다. 따라서, 본 연구에서는 KAAV용 5 kW급 APU의 경량화에 따른 구조 안전성을 확인하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램인 MIDAS.NFX를 사용하여 구조해석을 수행하였다. 구조해석 수행을 통하여 계산되는 응력, 변형률 및 변위 등의 물리량을 바탕으로 구조물의 안전성을 확인하였으며, 이후 시제품을 제작하여 성능 및 환경시험, 체계 연동시험을 실시하여 APU에 대한 신뢰성을 입증하였다.

2. 본 론

2.1 주파수 응답해석

주파수 응답해석은 시간에 따라 작용하는 동적하중이 동일한 진동수를 가진 사인파 형태로 표현이 가능한 조화하중인 경우, 주파수 영역에서 운동방정식의 해를 구하는 해석이라고 할 수 있으며, 가진 주파수가 고유 진동수에 근접할 때 응답을 살펴보는 것이 중요한 의미가 있다. 주파수 응답해석의 하중으로는 주파수에 따라 변하는 힘과 변위 등이 있으며, 절점에 직접하중을 입력하거나 정적하중을 정의한 후 이를 동적하중으로 변환하여 적용할 수도 있다. 주파수 응답해석을 통해 얻을 수 있는 구조물의 주요 응답은 변위, 속도, 가속도와 요소의 응력 등이 있으며, 어떤 주파수 영역에서 지배적인 응답을 보이는지 확인함으로써 하중과 구조물의 공진상태를 정의할 수 있다. 일반적으로 알려진 주파수 응답해석의 기법으로는 다음과 같이 직접적분법(Direct Integration Method)과 모드중첩법(Mode Superposition Method)이 있다(Cho, 2002).

2.1.1 직접적분법 이용한 주파수 응답해석

직접적분법을 이용한 주파수 응답해석에서는 복수 대수학을 이용하여 연성된 행렬 방정식의 집합을 풀어 이산화된 가진 주파수에 대해서 구조물의 거동을 계산한다. 조화 가진이 작용하는 감쇠 강제 진동에 대한 운동방정식은 식(1)과 같다.
(1)
Mx¨(t)+Cx¨(t)+Kx(t)=P(ω)eiwt
여기에서 M은 질량(Mass), C는 감쇠(damping), K는 강성(stiffness), P(w)는 외력(force)을 의미한다.
변위를 의미하는 x(t)를 식(2)와 같이 가정한다.
(2)
x(t)=u(ω)eiwt
여기서 u(w)는 복소 변위 벡터이다. 식(2)에 대하여 미분을 하여 식(1)의 운동방정식에 대입하여 정리하면 식(3)과 같다.
(3)
[ω2m+iωc+k]u(ω)=P(ω)
위의 운동방정식에 가진 주파수 w를 대입하면 복소 대수학을 이용하여 계산할 수 있다.

2.1.2 모드중첩법을 이용한 주파수 응답해석

모드중첩법을 이용한 주파수 응답해석은 운동방정식을 축약시키고, 비연성화 시키기 위해 구조물의 모드를 이용하며, 변위를 식(4)와 같이 가정할 수 있다.
(4)
x(t)+[ϕ]ξ(ω)eiwt
여기서 모드행렬 [ϕ]=[ϕ1, ϕ2, ...ϕn]이며, ϕi는 번째 정규 모드형상(normal mode shape)이다.
식(4)식(1)의 운동방정식에 대입하면 식(5)와 같다.
(5)
[ω2Mϕ+iωCϕ+Kϕ]ξ(ω)=P(ω)
위의 식(5)를 비연성화 시키기 위해서 양변에 ϕiT 를 곱하면 식(6)과 같다.
(6)
[ω2ϕTMϕ+iωϕTCϕ+ϕTKϕ]ξ(ω)=ϕTP(ω)
ci를 모달 비례감쇠비(modal proportional damping ratio)라고하면, 각 모드의 직교성에 의해 식(7)과 같이 정리된다.
(7)
ξi(t)=pi(w)miw2+iwci+ki
식(7)에서 얻은 ξi(w)를 식(4)에 대입하면, 절점의 변위 x(t)를 계산할 수 있다.
전술한 직접적분법과 모드중첩법은 일반적으로 다음과 같은 장·단점을 가지고 있다. 직접적분법은 운동방정식을 직접 적분을 수행하므로 해석 시간의 소모가 크다고 할 수 있다. 따라서, 해석 수행시 시간단계(time step)의 선정이 중요하고 비교적 소규모 해석 모델에 적합하며, 해석 시간이 오래 걸리는 편이나 상대적으로 해석의 정확도는 높은 편이다. 반면, 모드중첩법은 모드형상을 조합하여 해석을 수행하므로 직접적분법에 비하여 해석 시간이 짧으나 모드수에 따라 해석의 정확도가 영향을 받을 수 있기 때문에 모드수의 선정이 매우 중요하다고 할 수 있다. 일반적으로 대규모 해석모델에 적합하며, 해의 정확도는 직접적분법에 비해서는 다소 낮은 편이나 모드수를 늘려 전체 모드수를 적용하는 경우에는 상당히 정확한 해를 얻을 수 있으므로 해석시간의 단축을 위해서 실제로 주파수 응답해석 수행시 많이 사용되는 기법이라고 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 KAAV용 APU의 구조 안전성을 확인하기 위하여 상용 유한요소해석 프로그램(MIDAS.NFX)의 모드중첩법에 기반한 모듈을 활용하여 구조해석을 수행하였다.

2.2 유한요소 해석조건

2.2.1 APU 형상 및 모델링

<Figure 1>은 엔진, 발전기, 배전함을 제외한 APU의 설계 형상과 주구조물에 대해 나타낸다. 회색은 기존의 재질을 그대로 사용한 부분이며, 방진고무를 제외한 그 외의 색은 알루미늄 계열로 바뀐 부분이다.

2.2.2 하중 조건

APU의 유류통에 채워진 유류의 양에 따라 구조물의 응답이 달라질 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 APU 구조물의 전체 무게(140 kg)에 12 L 연료통 2 개(30.8 kg)가 탑재된 조건을 가장 가혹한 조건으로 가정하여 유한요소해석 수행시 적용하였다.
회전체나 엔진과 같이 주기적인 가진이 발생하는 구조물은 고유 진동수 영역을 회피하여 공진 현상이 발생하지 않도록 설계해야 한다. 따라서, 본 연구에서도 엔진의 작동에 의한 가진 조건을 가정하여 APU 구조물에 대한 유한요소해석을 통해 공진 발생 가능성 등에 대해서 검토해 보았다. 본 연구에서는 일반적인 엔진의 작용 조건을 3,600 RPM으로 작동시 60 Hz의 가진이 발생하는 것으로 가정하였고, <Figure 2>와 같이 IRD Mechanalysis Chart의 일반 수평 회전기계에 대한 진동속도 및 가속도 시베리티(심각도) 차트(IRD Mechanalysis, 1998)를 이용하였다. 3,600 RPM에서 보통(FAIR)의 회전기계로 가정하였을 경우 가속도는 2G를 조건으로 해석을 수행 하였다.

2.2.3 경계 조건

APU 주파수응답 해석에는 <Figure 3>에 붉은색 원으로 표시된 바와 같이 엔진 부분에 집중질량을 부여하고 집중질량에 2G 가속도를 각각 X, Y, Z 축 3가지 방향으로 적용하였다. 선형정적해석, 모드해석 그리고 주파수 응답해석에서의 구속조건은 모두 동일하다. 실제 APU의 작동 조건을 가정하여 <Figure 4>와 같이 한쪽 바퀴는 모든 축을 구속시키고, 반대쪽 바퀴는 Y, Z 축을 구속시키는 조건을 적용하였다. 하중을 지지할 목적인 아닌 구조물의 경우에는 생략을 하였으며 하중을 지지하는 구조물에 대해서만 유한요소를 생성하여 유한요소 모델을 구성하였다.

2.2.4 재료 물성

APU의 구조물의 주요 구성품에 대한 재료 물성 정보를 <Table 1>에 정리하여 나타내었다. 이를 바탕으로 탄성계수, 프아송비, 밀도 등 동적 유한요소해석 수행을 위한 주요 재료 물성을 유한요소해석 프로그램에 입력값으로 활용하여 유한요소해석을 수행하였다.

2.3 유한요소 해석결과

2.3.1 선형정적해석

일반적으로 구조해석의 수행은 작용하는 하중에 따라 발생하는 변형과 내력에 따른 응력 예측하기 위함이며, 본 연구에서 선형정적해석은 유류통이 장착되어 있는 APU의 자중에 따라 의한 변형과 응력이 얼마만큼 발생되는지를 알아보기 위해 수행되었다. 구조물의 변형 확인을 위해 일반적으로 활용되는 물리량 변위나 변형률이 있으며, 내력 발생을 확인하기 위해서는 응력을 주로 많이 활용한다. 응력은 텐서(tensor) 물리량으로써 구조 안전성을 확인하기 위해 주로 활용되는 응력으로는 Von-Mises 응력과 주응력 등이 있다. 본 연구에서는 하중 작용에 의한 변형과 내력 발생에 따른 응력을 예측하기 위하여 구조해석을 수행하였고, 이러한 사항에 대한 확인을 위한 물리량의 척도로써 최대 변위와 Von-Mises 응력을 선정하여 확인하였다. <Figure 5>는 APU 구조물의 변위를 나타내며, <Figure 6>은 Von-Mises 응력을 나타낸다. 해석결과 최대변위는 1.74 mm, 최대 응력은 49.87 MPa이다.

2.3.2 모드해석

모드해석은 공진영역에서의 주파수 특성과 모드형상을 검토하기 위한 것이 주된 목적으로 앞 절에서 기술하였듯이 60 Hz가 가진 주파수이기 때문에 모드해석에서는 100 Hz까지의 모드를 살펴보았다. 모드형상은 방진고무의 강성이 다른 부품에 비하여 상대적으로 작다. 이에 따라 저차모드가 발생함을 확인할 수 있다. 모드에 따른 고유 진동수 결과는 <Figure 7>과 같다.
APU의 모드해석 결과 <Figure 8>에 나타낸 바와 같이 1차 고유진동수는 9.40 Hz에서 엔진과 발전기가 장착된 부분에서 Y방향으로 굽힘모드가 발생되었고, 2차 고유진동수는 <Figure 9>과 같이 10.66 Hz에서 엔진 및 발전기가 장착된 부분에서 X축 방향으로 굽힘모드가 발생되었음을 확인할 수 있다. 또한, 3차 고유 진동수는 <Figure 10>과 같이 14.44 Hz에서 엔진 및 발전기가 장착된 부분에서 Z축 기준으로 비틀림모드가 발생함을 예측할 수 있었다. 따라서, 이와 같이 각 모드별 고유진동수에 따른 구조물의 형상 변형 형태를 수치적으로 예측해볼 수 있었다.

2.3.3 주파수응답해석

각 축에 대한 응력과 변위들은 자중에 대한 선형정적해석과 각 축 방향에 대한 주파수응답해석결과를 선형 조합하였다. <Figure 11>은 주파수응답해석에 대한 최대변위 그래프를 나타내며, <Figure 12>는 주파수응답해석에 대한 최대응력 그래프를 나타낸다. X축 방향의 경우 최대변위와 최대응력은 1차 모드인 9.4 Hz에서 나타났으며, Y축 방향의 경우는 최대변위와 최대응력이 12 Hz 부근에서 나타났다. Z축 방향의 경우 변위는 10 Hz, 응력은 9.4 Hz에서 나타났다. 일반적으로 저차모드에서는 큰 응력과 변위가 발생되었고, 엔진의 가진 주파수인 60 Hz부근에서는 공진이 발생되지 않음을 확인할 수 있다.
X축 방향의 가진에 대한 결과는 <Figure 13>과 같이 최대변위는 6.34 mm이며 최대응력은 50.69 MPa로 나타났다.
Y축 방향의 가진에 대한 결과는 <Figure 14>와 같이 최대변위는 6.38 mm이고, 최대응력은 72.01 MPa로 나타났다.
Z축 방향의 가진 결과는 <Figure 15>와 같이 최대변위는 11.18 mm이고 최대응력은 같이 113.39 MPa로 나타났다.

2.3.4 구조해석 결과 종합

본 연구에서는 APU 구조물 경량화를 위한 주파수응답 해석을 수행하였으며, 그 결과는 <Table 2>와 같다. 일반적으로 기계설계의 안전계수(Safety Factor)는 대상장비나 적용분야에 따라 상이할 수 있고 계산방식이나 조건에 따라서 변동이 가능한 측면이 있지만, 항공우주분야의 경우는 안전계수가 1에 가까우며 원자력발전소와 같은 구조물은 3이상의 안전계수를 일반적으로 사용하는 것으로 알려져 있다(Hibbeler, 2003). 아울러, 특정 분야의 안전계수 설정 가이드라인은 설계표준 및 지침이나 엔지니어링 핸드북 등에 안내되어 있으며, 국방분야의 일반적인 차체 구조물의 안전계수는 1.5로 알려져 있다(U.S. Army Materials Command, 1970). 따라서, <Table 2>에 명시된 바와 같이 유한요소해석을 바탕으로 예측된 안전계수가 모두 2 이상의 값으로 예측되었으므로 일반적인 국방분야 차체 구조물의 안전계수인 1.5를 상회하기 때문에 구조적 안전성이 확보되었음을 확인할 수 있었다.

2.4 시제품 적용결과

각 구성품을 철강에서 알루미늄으로 변경한 절감 무게는 <Table 3>에서와 같이 69.4 kg에서 44.4 kg으로 총 25 kg가 감소했으며, APU 구조물 무게 대비 36.0 %가 경량화 되었고 APU 조립체 총 중량(243 kg) 대비 10.3 %를 경량화하였다.
구조해석을 통하여 APU의 구조 안정성을 확인하였기 때문에 <Figure 16>과 같이 알루미늄 재질의 시제품을 제작하여 시험을 실시하였다. APU 성능 및 환경시험 기준에 따라 시험을 수행 하였고, 모두 기준을 충족함을 확인하였다. 최종적으로는 군에서 운용중인 KAAV와의 연동 시험을 실시함으로써 향후 KAAV의 APU에 대한 신뢰성을 입증할 수 있었다.

3. 결 론

본 연구에서는 군 운용성 향상을 위해 경량화 된 KAAV의 APU 구조물에 대한 구조 안전성 확인을 위해 구조해석을 수행하였으며 다음과 같은 결론은 도출하였다.
1) APU 구조물의 소재를 철강에서 알루미늄으로 대체하여 구조해석을 수행한 결과, 안전계수가 모든 부분에서 1.5이상으로 예측되어 일반적인 군용차체 설계기준을 충족함을 확인할 수 있었다.
2) 알루미늄 소재로 경량화 된 APU 구조물 시제품을 제작한 결과, 기존 APU 구조물의 무게 대비 36.0 %, APU 조립체 총 중량(243 kg) 대비 10.3 %를 경량화 하였음을 확인할 수 있었다.
3) APU 성능 및 환경시험, 체계적합성 등 관련 항목에 대한 시험결과 모든 항목에 대해 기준 충족을 확인하여 신뢰성을 입증하였다.
본 연구를 통해 개선사항이 입증된 KAAV용 APU는 현재 형상통제심의를 통해 국방규격에 반영되었고, 야전에서 활용되고 있다. 운용성 향상 및 연비 개선 등의 목적 달성을 위해 지상무기체계 구조물에 대한 지속적인 경량화 연구의 수행이 필요하며, 본 연구는 향후 지상무기체계 경량화에 대한 설계 방안의 참고자료로 활용이 될 수 있을 것으로 기대된다.

REFERENCES

Cho, T, Lee, E, Seo, H, and Rim, K 2002. "“Mode Truncation Method in Frequency Response Analysis.”." Korean Institute of Intelligent Systems 11(2):91-94.

Hibbeler, RC 2003. Mechanics of Materials. Prentice-Hall.

IRD Mechanalysis 1998. Vibration Technology 1 Manual, Chapter 2. Basic of Vibration..

U.S. Army Materials Command 1970. Engineering Design Handbook (AMCP 706-357): Automotive Series – Automotive Bodies and Hulls.

Figure 1.
Structural configuration of the APU and its components for structural material change
jksqm-47-4-895f1.jpg
Figure 2.
Vibration Velocity General Severity Chart (IRD Mechanalysis, 1998)
jksqm-47-4-895f2.jpg
Figure 3.
Dynamic and static loading conditions of the finite element analysis
jksqm-47-4-895f3.jpg
Figure 4.
Boundary conditions of the finite element analysis
jksqm-47-4-895f4.jpg
Figure 5.
Displacement distribution of the APU
jksqm-47-4-895f5.jpg
Figure 6.
Von-Mises stress distribution of the APU
jksqm-47-4-895f6.jpg
Figure 7.
Numerically calculated natural frequency of the APU
jksqm-47-4-895f7.jpg
Figure 8.
First-order natural frequency (9.4 Hz) and its mode shape of the APU
jksqm-47-4-895f8.jpg
Figure 9.
Second-order natural frequency (10.66 Hz) and its mode shape of the APU
jksqm-47-4-895f9.jpg
Figure 10.
Third-order natural frequency (14.44 Hz) and its mode shape of the APU
jksqm-47-4-895f10.jpg
Figure 11.
Displacement changes according to the frequency variations
jksqm-47-4-895f11.jpg
Figure 12.
Stress changes according to the frequency variations
jksqm-47-4-895f12.jpg
Figure 13.
Frequency response analysis results for X-axis direction
jksqm-47-4-895f13.jpg
Figure 14.
Frequency response analysis results for Y-axis Direction
jksqm-47-4-895f14.jpg
Figure 15.
Excitation result for Z-axis Direction
jksqm-47-4-895f15.jpg
Figure 16.
Actual configuration of the APU after structural lightening
jksqm-47-4-895f16.jpg
Table 1.
Material properties imported in the finite element analysis
Component Name Material Density Young’s Modulus Poisson’s Ratio Yield Strength
kg/m3 MPa - MPa
Base, Bracket KS D 3503, SS400 7850 206000 0.3 230
Frame KS D 3566, SGT275 7850 206000 0.3 275
Heat-Discharge Plate, Prop of Distribution Box, Fuel tank Support KS D 6701, A5052P-H32 2700 70300 0.33 193
Prop Bracket, Base Fixture Plate KS D 6701, A6061P-T651 2700 68900 0.33 276
Vibration-proof robber Vibration Proof Rubber 1000 6.1 0.49 13.8
Table 2.
Structural stability evaluation of the APU
Load Maximum Displacement (mm) Maximum Stress (MPa) Yield Strength (MPa) Safety Factor Materials
Linear static analysis considering self weight
Self Load 1.74 49.87 193 3.87 A5052P-H32
Frequency response analysis combined with self weight
X Direction 6.34 50.69 193 3.81 A5052P-H32
Y Direction 6.38 72.01 230 3.19 SS400
Z Direction 11.18 113.39 230 2.03 SS400
Table 3.
Actual weight reduction measurement results of the APU
Classification Actual Steel Weight (kg) Actual Aluminium Weight (kg) Weight Reduction (kg)
Fuel Tank Support 7.65 4.45 3.2
Bracket_1 19.7 15.5 4.2
Bracket_2 17.1 10.35 6.75
Switch Box Support 4.8 2.8 2.0
Base Plate 14.3 7.85 6.45
Heat Sink_1 4.45 2.6 1.85
Heat Sink_2 1.4 0.85 0.55
Total Weight 69.4 44.4 25.0 (36.0% )
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