버지니아 공대, 복잡한 컷아웃 갖춘 스킨-스트링거 구조물 위한 새로운 IGA로 복합소재 항공기 설계 발전

단일화 구조물은 더 가볍고 환경 친화적인 항공기 건설에 사용되고 있습니다. 이러한 첨단 다층 복합소재는 높은 강도-중량비를 제공하므로 항공우주 및 조선 산업 등에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다.

그러나 극초음속 우주 비행체에 사용될 때, 이러한 구조물은 차량 표면과 대기 간 마찰로 인한 공기역학적 가열로 인해 짧은 시간 내 상당한 온도 상승을 경험합니다. 이러한 현상은 재진입 및 발사 과정에서 더 두드러집니다. 따라서 이러한 구조물의 설계 및 해석 시 열 효과를 고려하는 것이 중요합니다.

라미네이트 복합소재에 대한 요구사항 증가로 인해 임의 형상의 컷아웃이 있는 플레이트 사용은 불가피해졌습니다. 하지만 이러한 컷아웃의 존재로 인해 구조물의 하중 응답이 크게 영향을 받을 수 있습니다. 라미네이트 복합소재 컷아웃 연구는 복잡한 문제이므로 수치 해석 방법이 광범위하게 사용됩니다. 이제 버지니아 폴리테크닉 주립대학(버지니아 공대, 미국 버지니아주 블랙스버그) 연구자들이 최근 발전한 등기하 해석(IGA)을 결합해 다양한 형상과 크기의 컷아웃이 있는 곡선 보강 복합소재 패널을 모델링했습니다.

버지니아 공대 단일화 구조물 그룹의 전 박사과정 학생 발라크리슈난 데바라잔(Dr. Balakrishnan Devarajan)에 따르면, "IGA는 향상된 정확도와 효율성을 제공하며 각 메쉬 세분화 레벨에서 보강재의 정확한 기하학을 표현합니다. 또한 보강재와 복합소재 플레이트 연결 부위 근처 영역에서 세분화에 더 많은 유연성을 제공합니다."

데바라잔 박사와 협력자 라케시 카파니아(Dr. Rakesh Kapania) 박사가 완료한 개발은 보강재와 플레이트의 제어점 간 변위 연속성을 보간 함수 행렬을 사용해 달성하는 새로운 방식을 도입했습니다. 곡선 보강재는 단 세 개의 제어점으로 정확하게 생성되었습니다(Fig. 1). 연구자들은 복잡한 컷아웃 기하학 생성을 위해 여러 패치를 사용했고, 여러 패치에 걸쳐 고차 연속성을 보존하는 인터페이스 조건을 강제하는 방법론도 수립했습니다. 개발된 방법은 보강재 노드가 플레이트 노드와 일치할 필요성을 없애줍니다.

표준 유한 요소 방법과의 분석 및 비교에서 IGA를 사용해 더 높은 수렴율, 정확도, 효율성을 보였습니다. 이 작업은 곧 GitHub에서 오픈소스 코드로 제공될 예정입니다. 연구는 Composite Structures 논문 "등기하 해석을 이용한 컷아웃이 있는 곡선 보강 라미네이트 복합소재 플레이트의 열 좌굴"에 게재되었습니다.