글라이더 외측 날개에 대한 하중 테스트

Akaflieg Darmstadt D-43 글라이더의 날개보(spar) 확대 프로젝트의 일환으로, 섬유-플라스틱 복합 구조에 기반한 새로운 외측 날개를 제조해야 합니다. 새로운 외측 날개에 대한 독일 연방 항공국(LBA)의 인증을 위해, 하중 테스트를 실시하여 이전에 실행되었던 유한 요소 모델 변형률 시뮬레이션 결과를 검증했습니다. 

Challenge

독일 연방 항공국(LBA)의 승인을 획득하기 위해 아카플리그 다름슈타트(Akaflieg Darmstadt)는 새롭게 제조된 글라이더 외측 날개에 작용하는 하중을 테스트해야 합니다.

Solution

유한 요소 모델에 대한 변형률 시뮬레이션은 이미 실행하고 있으며, 이제 그 결과를 검증해야 합니다. 그러므로, 외측 날개의 다른 위치에 적용된 HBK 스트레인 게이지는 구성요소 표면의 변형률을 파악하고 시뮬레이션한 변형률 곡선을 검증하는 데 사용합니다.

Result

측정 데이터는 유한 요소 모델 시뮬레이션이 편차를 최소화하면서 매우 사실적인 결과를 제공한다는 것을 입증합니다. 

외측 날개에 대한 하중 테스트 측정을 위한 설정

날개보(spar)를 18m에서 20m로 확대함에 따라, 새로운 외측 날개의 길이는 1.5m까지 확장하였습니다. 섬유-플라스틱 복합재 구조에 대한 하중 테스트의 경우, 온도는 최소 54°C 로 유지합니다.  하중은 작동 중 발생하는 최대 하중의 172.5 %에 해당합니다.

높은 교번 하중(1-LM16-6/350GE)을 위한 HBK 스트레인 게이지M 시리즈는 구성요소 표면의 변형률을 파악하는 데 사용합니다. 외측 날개의 다양한 위치에 적용하는 스트레인 게이지는 섬유-플라스틱 합성 빔의 단방향(UD) 밴드 섬유 방향으로 정렬합니다.

  • 스파 스텁(spar stub): 날개 쉘에서 돌출된 날개보(spar)의 일부
  • 루트 리브(root rib): 루트의 마지막 리브(rib)
  • 윙 쉘(wing shell): 스트레인 게이지는 날개보(spar)의 코스를 따릅니다

외측 날개에 대한 하중은 크레인에 의해 적용되며 하중 하네스를 통해 날개 밑면 4개 지점에 분산됩니다. 하중 하네스의 레버 암은 비행 중에 발생하는 굽힘 모멘트, 전단력과 비틀림 모멘트 곡선이 사실적으로 표현될 수 있도록 조정됩니다.

크레인 힘은 상부 빔에 도입되고 HBK 미니어처 로드셀 U9C (1-U9C/20KN)를 사용하여 측정합니다. 온도를 54°C로 설정하기 위해, 외측 날개는 스티로폼으로 제작한 열 캐빈(heat cabin) 안에 팬 히터와 함께 배치합니다.

하중 테스트의 결과

하중 테스트(변형률과 변형)의 결과는 외측 날개에 대한 기존 유한 요소 모델 시뮬레이션을 검증하기 위한 것입니다. 시뮬레이션을 하는 동안, 한계 하중(100% 최대 하중 - 청색 그래프)과 극한 하중(172.5% 최대 하중 - 주황색 그래프)에 관련하여 날개 상단에서 2개의 변형률 곡선을 산출하였습니다.

유한 요소 모델 시뮬레이션의 변형률 곡선은 매우 사실적인 결과를 제공합니다. 파악한 변형(deformation)에는 최대 4%의 편차가 있었고 변형률(strain)에는 최대 5%의 편차가 있었습니다. 편차는 다음에 대한 불확실성 때문에 발생합니다.

  • 적용한 중요 파라미터

  • 유한 요소 모델의 단순화된 기하학적 형상

  • 기타 경계 조건

Akaflieg Darmstadt 개요

Akaflieg Darmstadt는 “연구하고, 만들고, 날아라”라는 모토로 1920년부터 새로운 유형의 글라이더를 제작하고 있습니다. Akademische Fliegergruppe Darmstadt (축약하여, Akaflieg)는 TU Darmstadt의 대학 그룹입니다. Akaflieg는 모터 없이 열을 동력으로 이용하는 항공기에 대한 연구, 자체적인 글라이더 제작, 혁신적인 개념에 대한 시험 등을 목표로 추구하고 있습니다.

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