급정거

By Andrew Clark and Jared Butterfield, Lead Structural Analysis Engineers, United States Air Force, Hill AFB, USA

미국 공군 기지 주변에서 전투기를 수송하는 견인 트랙터가 갑자기 멈추어 전투기가 파손되는 사고가 발생하였습니다. 미 공군의 엔지니어링팀은 ANSYS Mechanical을 사용하여 문제의 원인을 파악하였으며, 수백만 달러의 손실을 야기하는 이 문제에 대한 간단한 해결책을 고안하였습니다.

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towing jet

"다양한 요인들의 조합을 시뮬레이션하기 위하여 15개의 개별적인 과도 동적 분석을 실시하였습니다."

hitch gap diagram 

미 국방성의 핵심 관리 항목 중의 하나가 바로 경제성이고, 비용을 절감하면서도 운용할 수 있는 방위력을 최적의 상태로 유지하기 위한 기술이 점점 더 중요해짐에 따라 엔지니어링 시뮬레이션의 역할이 더욱 중요해졌습니다. 이것은 USAF(미공군, United States Air Force)의 사례로, 임무 수행을 위해 이륙이 필요한 전투기는 정비창에서 격납고로, 또 격납고에서 활주로 등으로 견인됩니다. 이 과정에서 견인 트랙터가 갑작스럽게 멈추었고, 이로 인해 설계 한계를 초과하는 충격 하중이 견인봉에 가해지면서 USAF 경량 전투기에 기계적인 파손이 발생하였습니다. 이와 같은 사고 한번으로 인해 백만 달러 이상의 비용이 발생할 수도 있습니다. 때때로 전투기가 견인 트랙터를 뒤에서 들이받는 유형의 사고 발생 시 전투기가 작전 능력을 잃거나 파손되는 것은 물론, 견인 트랙터 운전자가 사망하거나 중상을 당할 수도 있습니다. 하지만 엔지니어는 이 사고로 파손된 드래그-브레이스 어셈블리(drag-brace assembly, 착륙 시 항공기의 항력을 버티기 위한 장치)가 알려진 견인 하중을 견딜 수 있도록 설계되어야 하는 어셈블리였기 때문에 이에 의문을 가지게 되었습니다. 실제 전투기는 테스트 과정에서 파손될 위험이 있기 때문에 물리적인 테스트를 통해 문제의 원인을 규명하는 것은 제한적일 수밖에 없습니다. USAF 팀은 드래그 브레이스 어셈블리가 파손되는 경우를 찾기 위하여 광범위한 제동 사고를 시뮬레이션하였으며 이를 통해 문제를 해결하였습니다.

시뮬레이션을 이용한 문제 원인 파악

USAF팀은 먼저 ANSYS Mechanical을 이용한 FEA(유한요소 해석, finite element analysis)을 통하여 설계된 드래그-브레이스 어셈블리가 견인 최대 하중을 견딜 수 있을 만큼 견고한지 여부를 확인하였습니다. 엔지니어는 드래그 브레이스 어셈블리 모델을 생성하고 정적 구조 해석을 수행하여 드래그-브레이스 어셈블리가 설계 사양보다 훨씬 강건하다는 것을 확인하였습니다. 그리고 실제 드래그-브레이스 어셈블리를 실험대에 배치하고 FEA 시뮬레이션에서 확인한 대로 하중을 인가하였습니다. 실험 결과는 구조 시뮬레이션과 잘 일치하였으며, 실제 드래그-브레이스 어셈블리가 설계 사양을 만족함을 보여주었습니다. 하지만 추가적인 시뮬레이션과 실험을 통하여 파손이 발생하는 과정을 확인할 수 있었습니다. 먼저 상부 드래그-브레이스가 구부러지면서 세로 방향으로 불안정성이 발생하였습니다.hically.

structural simulation upper drag brace

초기에 상부 드래그-브레이스가 휘면서 세로 방향의 불안정성이 발생하였습니다.

structural simulation down lock link assembly

상부 드래그-브레이스가 휘어진 후 하중이 내려잠금쇠(downlock) 링크 어셈블리로 이동하였습니다.

다음으로, 1차 하중 경로는 더 작은 다운 링크 어셈블리를 포함하는 2차 및 더 취약한 하중 경로로 변경됩니다. 이 2차 하중이 다운 링크 돌출부에 가해지면서 드래그-브레이스 어셈블리를 파손시켰습니다. 다음으로, 엔지니어는 ANSYS WorkbenchANSYS Mechanical Rigid Body Dynamics 모듈을 사용하여 다물체(multibody) 시뮬레이션을 수행하여 견인 트랙터 운전자가 브레이크를 밟았을 때 드래그-브레이스 어셈블리에 가해지는 하중을 정량화했습니다. 엔지니어는 CAD 소프트웨어를 사용하여 견인 어셈블리를 설계하고 형상을 ANSYS Workbench로 불러와 선과 면, 솔리드 요소를 사용하여 유한 요소 모델을 생성하였습니다. 또한, 강성및 관성을 고려하기 위하여 탄성 계수, 푸아송비, 집중질량 및 집중 밀도 등의 물성을 정의하였고, 앞바퀴 다리 버팀대를 분석하기 위하여 스프링 강성 및 감쇠 특성을 정의하였습니다. 이러한 속성은 위치와 속도에 대한 사용자 정의 조인트(joint)로 정의되어 버팀대에 적용되었습니다. 견인봉은 다양한 히치-갭(hitch-gap) - 견인 차량의 고리와 견인봉 고리 사이의 거리를 시뮬레이션하여 얻은 구속 방정식을 사용하여 병진 조인트의 형태로 견인 차량에 연결되었습니다. 견인봉은 앞바퀴 안에 있는 드래그-브레이스 어셈블리에 연결되어 항공기를 견인합니다. 히치-갭은 이 견인봉과 드래그-브레이스 어셈블리 연결을 표현합니다. 전투기 및 견인 트랙터의 타이어 강성은 타이어 제조업체가 제공한 정보를 사용하여 모델링 하였습니다. 엔지니어는 실험을 통해서 얻은 시간 기록 속도 데이터를 시뮬레이션의 입력 조건으로 사용하여 하중 응답의 정확도를 높였습니다. 속도 와 제동 마찰력은 시간에 대하여 선형적인 특성을 갖는 이상적인 모델을 사용하였습니다.

파라메트릭 연구

엔지니어는 다양한 종류의 견인 트랙터와 다양한 속도, 다양한 제동력 그리고 다양한 동작 조건 등으로 인해 드래그-브레이스 어셈블리에 걸리는 하중이 달라질 수 있음을 인지하였습니다. 이러한 변수 중 일부 또는 전부가 어셈블리에 걸리는 하중에 큰 영향을 줄 수 있습니다. 엔지니어는 이러한 불확실성을 표현하기 위하여 트랙터의 견인력과 견인 속도, 가속 시간, 정지 시간 및 히치-갭 등 사고에서 중요한 역할을 할 것으로 예상되는 값들을 파라메트릭 변수로 표현하였습니다. 그리고 계약의 실험 단계에서 정의했던 다양한 조합을 시뮬레이션하기 위하여 15개의 개별적인 과도 동적 분석을 실시하였습니다. 이 15가지 시뮬레이션의 결과를 실험 결과와 비교하여 모델의 정확성을 검증하였습니다.

엔지니어들은 제동 모델의 형태가 견인 작업자에 따라 달라진다고 결론 내렸습니다. 이는 차례로 하중 응답에 영향을 미치고, 제동 과정이 진행될수록 상당한 차이를 유발합니다. 그럼에도 불구하고 엔지니어들은 충격으로부터 발생하는 최대 압축력은 히치-갭에 크게 의존한다는 결론을 내렸습니다. 히치-갭이 클수록 압축력이 높아졌습니다. 시뮬레이션 결과는 히치-갭이 0.5인치를 초과하면 견인봉과 견인 차량 간의 충돌로 인해 드래그-브레이스 어셈블리가 견딜 수 있는 최대 하중을 초과하는 압축 하중이 발생한다는 것을 보여주었습니다. 추가적인 시뮬레이션을 통해서 히치-갭을 줄이면 모든 분석 조건에서 하중이 현저하게 감소시키는 것을 확인할 수 있었습니다. 엔지니어는 또한 견인 트랙터의 중량이 무거울수록 드래그-브레이스 어셈블리에 더 많은 하중이 발생한다는 사실을 확인하였습니다.

이 히치-갭을 잘 조절하는 것이 견인 하중을 허용 한계 이하로 유지하는 간단하면서도 효과적인 해결책으로 결정되었습니다. 미 공군은 히치-갭을 제한하는 동시에 반드시 특정 중량 이하의 견인 트랙터만 소형 전투기를 견인하도록 하는 새로운 절차를 제안하였습니다. 이러한 새로운 절차는 견인 작업 중 발생하는 비싼 항공기의 파손을 방지하고 안전을 향상시킬 것입니다.

이것은 USAF 엔지니어가 시뮬레이션을 활용하여 문제의 근본 원인을 파악하여 신속하고 효율적으로 문제를 해결함으로써, 비용을 절감하는 동시에 출격 대기 절차를 개선함을 보여주는 전형적인 사례입니다.

항공기의 전방 랜딩 기어를 시뮬레이션하여 360만 달러를 절감하였습니다.

gear piston

또 다른 사례는 보잉 707 유사 기종에 전방 랜딩 기어 피스톤 교체 비용과 관련된 것입니다. USAF 엔지니어들은 ANSYS Mechanical을 이용한 구조 및 피로 해석을 통해 피스톤의 수명을 연장시킬 수 있는 새로운 나사 수리 방법을 고안하였습니다. 엔지니어들은 구조 해석을 통해 안전을 위한 정적 강성 마진을 확인하였고, 피로 해석을 통해 피스톤의 피로 수명을 검증하였습니다. 새로운 수리 방법을 적용한 첫해에만 새로운 부품 구매 감소로 230만 달러, 수리 비용 절감으로 130만 달러의 비용 절감의 효과를 볼 수 있을 것으로 예상하고 있습니다.

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