전진비행을 위한 날갯짓 비행체 날개 시스템의 다분야통합최적설계

Abstract

날갯짓 운동은 소형비행체의 추진력장치/메커니즘 등 광범위한 분야에 적용 가능성을 가지고 있어 많은 과학자와 공학자들로부터 관심을 받고 있다. 따라서 현재 많은 연구자들이 날갯짓 비행체의 설계에 대해 활발히 연구하고 있다. 날갯짓 비행체의 성공적인 비행은 날갯짓 운동과 날개 구조물과 밀접한 관련이 있다. 다수의 날갯짓 비행체 연구에서는 날갯짓 비행체의 날개를 강체라 가정하고 연구하고 있지만 생물학자와 과학자들이 날개의 유연성은 평균추력과 추진효울과 같은 비행체의 성능에 무시할 수 없는 영향을 미치고 있다는 것을 보여주었다. 특히, 곤충을 모방한 날갯짓 비행체의 경우 날개는 얇은 막과 그것을 지탱하는 보강재의 형태로 이루어져 있어 보강재의 형상에 따라 날개의 유연성은 밀접한 관련을 가지고 있다. 날개의 유연성을 고려한 연구를 위해서는 공기력과 구조물의 상호작용을 고려하는 공탄성해석을 이용해 날개 시스템의 공력특성과 구조적인 특성을 예측해야 한다. 하지만 설계과정에서 공탄성해석은 많은 비용을 필요로 하므로 직접적인 적용은 불가능한 실정이다. 본 연구에서는 다분야통합최적설계 방법을 이용해 날개시스템의 최적설계를 위한 설계방법론을 제안한다. 여기서 날개 시스템은 날갯짓 운동과 날개 구조물로 정의한다. 3차원 비정상 공탄성해석을 시스템 해석으로 이용하고 유체와 구조 분야에서 독립적으로 최적설계를 수행한다. 이때 시스템해석을 통해 산출한 날개의 변형은 유체분야로 전달되며 동적압력은 구조분야로 전달된다. 유체분야에서는 평균 추력계수와 추진효율을 동시에 최대화 하는 것을 목적으로 하며 설계변수는 날갯짓 운동을 결정하는 날갯짓 평균위치, 날갯짓 진폭, 초기 받음각이다. 최적설계 과정은 실험계획법과 근사모델을 바탕으로 수행되며 이때 2차원 비정상 공력해석을 사용한다. 근사모델은 반응표면법을 이용해 생성하고 유전알고리즘을 이용해 최적화를 수행한다. 구조분야에서는 날개의 형상과 두께는 고정시킨 상태에서 등가정하중법을 이용한 비선형 동적 응답 위상 최적설계를 통해 날개 보강재의 분포를 결정한다. 목적함수는 변형에너지의 최소화 이며 설계변수는 유한요소의 상대밀도 값이다. 각 분야의 설계변수값들은 시스템해석에 반영되며 수렴조건을 만족할 때 까지 시스템 해석과 각 분야의 최적설계 과정이 반복된다. 제안한 설계 방법론을 연구자의 직관과 경험에 의존해 제작한 초기 날갯짓비행체 모델에 적용하였다. 설계방법론을 이용한 최적설계 결과로 날갯짓 운동의 경로와 날개 구조물의 보강재 형상을 도출하였고 이를 반영해 최적화된 날갯짓 비행체 모델을 제작하였다. 초기모델과 최적화된 모델의 양력과 추력을 측정, 비교함으로써 최적화된 모델이 초기모델에 비해 더 우수한 성능을 보임을 확인하였다. 결과적으로 제안한 설계방법론의 유용성을 입증하였다.