BEM-FEM 기반의 복합소재 프로펠러 유탄성 해석에 관한 연구

Abstract

기존의 금속재료에 비해 가공성이 뛰어나면서도 기계적 성질이 우수하며 경량의 재료인 복합재를 각종 기계 구조물에 적용하여 성능을 향상시키기 위한 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히 유리섬유 강화 플라스틱(glass fiber reinforced plastic, GFRP) 또는 카본섬유 강화 플라스틱(carbon fiber reinforced plastic, CFRP)은 기존 금속에 비하여 높은 비강도(specific strength)와 우수한 감쇠특성을 가지는 대표적인 복합재로 알려져 있고 이러한 섬유소재 복합소재는 재료의 조합 및 적층에 따라 원하는 방향으로 강성과 강도를 조절할 수 있어 등방성인 금속재료에 비하여 구조물의 성능향상이 용이하다. 이러한 장점으로 인해 항공, 우주, 자동차 분야뿐만 아니라 조선, 해양, 건설 등 거의 모든 산업분야로 복합재의 적용범위가 급속히 확산되고 있는 추세이다. 본 연구에서는 이러한 복합소재로 제작된 프로펠러가 구동하는 운항 조건(선속, 회전수, 선체반류 분포 등)의 부하에 따라 형상이 변하는 탄성영향을 고려하여, 정확하게 성능을 추정하고 강도평가를 수행하여 성능최적화를 위한 형상 및 구조적층 설계에 활용하기 위하여 계산비용 측면에서 효율이 높고 수렴성이 우수하면서도 비교적 엄밀한 해석 방법인 BEM-FEM (Boundary Element Method-Finite Element Method) 기반의 양방향 분할 연성해석법(2-way coupled patitioned approach method)을 적용한 정상상태 및 비정상 천이 조건에서의 프로펠러 유탄성 해석 기법을 제안하였다. 우선 정상상태 해석 기반의 유탄성 해석기법 및 이를 이용한 역설계의 방법을 적용하여 복합소재 프로펠러의 최적형상 및 적층 설계에 활용하고자 하였다. 또한 프로펠러 회전운동에 의한 원심력과 코리올리 힘뿐만 아니라, 날개 떨림에 기인한 주위 유동장의 유체 부가질량 등의 감쇠영향을 고려한 시간영역의 비정상 프로펠러 유탄성 해석기법을 정립하였다. 이를 통해 반류 중 날개 위치에 따른 성능변화 및 날개변형 추정을 수행하여 설계 초기에 프로펠러 성능추정, 날개 강도평가 및 복합재 적층박리(delamination) 위험도 평가 등이 가능 하도록 하였다. 기존 문헌에 기본제원 및 모형시험결과가 공개된 3차원 날개에 대한 해석을 통하여 개발된 프로펠러 유탄성 해석법에 대한 기본 검증을 수행하였다. 또한 직교이방성을 갖는 단일소재의 가정을 적용한 프로펠러에 대하여 정상상태(P5479) 및 비정상상태(P5475) 유탄성 해석을 수행하였고, 이를 토대로 프로펠러를 대상으로 한 유탄성 해석법에 대한 검증을 수행하였다. 실제 복합소재의 적층 영향을 반영하면서 해석 및 모델링 시간을 줄이기 위한 적층 근사모델을 제안하여 실용적인 해석이 가능하도록 하였다. 복합재 적층 구조의 테이퍼 형상 외팔보에 대하여 실제 적층 형상과 동일하게 구조해석 요소를 모델링한 해석과 비교를 통해 본 연구에서 제안한 해석 모델의 적용 가능성을 평가하였다. 마지막으로 선형 및 프로펠러 성능해석 결과 검증용 프로펠러인 KP458에 적층 근사모델을 이용하여 정상상태 해석을 이용한 역설계 기법의 유용성을 확인하였다. 또한 적층 방법에 따른 비정상상태 해석결과 비교를 통하여 설계 외 조건에서의 성능 최적화의 가능성을 확인하고 이를 근거로 정상상태 해석을 이용한 적층 최적화를 수행하여 그 타당성을 확인하였다.

The research for applications about composite material for various mechanical structures has actively performed due to the better process ability and the mechanical properties. Especially composites which are composed of fiber materials such as Glass Fiber Reinforced Plastic (GFRP) or Carbon Fiber Reinforced Plastic (CFRP) are well known for the representative composite material having high specific strength and damping characteristic. This kind of composite material could control stiffness and strength in the desired direction by combination and stacking of materials, its application coverage is rapidly spreading to almost every industry such as aviation, spaces, automobiles, naval architectures, ocean engineering, etc. A reliable steady/transient hydro-elastic analysis have been proposed for composite marine propeller blade design which deforms according to its environmental load (ship speed, revolution speed, wake distribution, etc.) in this study. The analysis is based on a boundary element method–finite element method (BEM–FEM) fluid-structure interaction (FSI). Steady FSI analysis, and its application to reverse engineering, was designed for use regarding optimum geometry and ply stack design. A time domain two-way iterative coupling transient FSI analysis have developed by considering the hydrodynamic damping effects of added mass due to the propeller blade vibration in fluid. The analysis makes possible to evaluate blade strength and also enable to do risk assessment by estimating the change in performance and the deformation depending on blade position in the ships wake. To validate this methodology, model test result of 3 dimensional hydrofoil has been applied to verify the FSI analysis, and model test results of P5479 and P5475 have been applied to verify the steady and the transient FSI analysis for marine propeller, respectively. A simple stack model that considers the effect of ply stacking and reduces the computation and modeling time was proposed to minimize the calculation time during the FSI analysis. The applicability of the proposed simple model was evaluated by comparing the results with a real FE model which captures the full stack structure about the tapered composite beam. Finally, the usability of reverse engineering with steady analysis and the possibility of performance optimization during off-design conditions was confirmed by applying the simple stack model to the well-known benchmark propeller KP458.