유연 다물체 동역학 해석을 통한조류 모방형 날갯짓 구동 메커니즘 설계 :Design of Bird type Flapping Wing Motion Mechanism through Multi-Flexible Body Dynamics Analysis

주홍식

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자료유형: 학위논문

저자정보: 주홍식 (한국교통대학교, 한국교통대학교 일반대학원)

지도교수: 이동규

발행연도: 2023

저작권: 한국교통대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수18

이 논문의 연구 히스토리 (4)

2023

유연 다물체 동역학 해석을 통한조류 모방형 날갯짓 구동 메커니즘 설계

주홍식 항공.기계설계학과 2023.01 학위논문

2022

날갯짓 구동 메커니즘 건전성 평가를 위한 다물체 동역학 시뮬레이션 환경 구축

주홍식 , 이동규 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2022.11 학술대회자료

2021

날갯짓 비행체 구동장치 내구성 개선을 위한 기어트레인의 모듈 변경

주홍식 , 이동규 한국항공우주학회 학술발표회 초록집 2021.11 학술대회자료

2019

날개짓 및 기어물림 주파수가 날갯짓 비행체의 기어박스 구조 공진에 미치는 영향

주홍식 , 이동규 항공우주시스템공학회 학술행사 논문집 2019.05 학술대회자료

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자연계에 존재하는 생명체 중 조류의 외형 및 비행 방식을 모방한 조류모방형 날갯짓 비행체는 다양한 군사적·상업적 목적을 가지고 지속적으로 연구개발이 이루어지고 있다. 날갯짓 비행체는 날개 구조물의 반복적인 움직임을 통해 비행에 필요한 추력을 만들어내기 때문에 날갯짓 구동 메커니즘 및 날개 구조물에 상대적으로 높은 하중이 반복적으로 작용하며, 안정적인 비행을 위해서는 비행 중 날갯짓 구동 메커니즘 및 날개 구조물의 구조적 건전성이 확보되어야 한다. 본 논문에서는 날갯짓 구동 메커니즘과 날개 구조물을 설계하고 이들에 대한 유연 다물체 동역학 해석을 통해 구동 중 구조적 건전성 확보 여부를 확인하였다.
날갯짓 비행체 설계를 위하여 국내외에 실내 및 실외 환경의 비행에 성공한 사례들을 분석하여 날갯짓 비행체의 초기 설계 요구도를 선정하였다. 날갯짓 구동 메커니즘은 모터의 토크를 증폭하기 위한 기어박스와 회전운동을 날갯짓 왕복운동으로 구현하기 위한 Crank Rocker 메커니즘의 조합을 통해 설계되었다. Crank Rocker 메커니즘에 대한 기구학 및 동역학 해석을 위해 Matlab In-House 코드를 작성하여 추후 날갯짓 구동 메커니즘의 링크 길이 최적 설계를 위한 기반을 마련하였다.
날개 구조물은 기존의 고정익 무인 항공기들의 날개 형상 정보를 바탕으로 설계하였다. 날개 구조물의 제작에 사용되는 재료들의 탄성계수 확보를 위하여 고유진동수 측정을 수행하였고, 정하중 변형 실험을 통하여 날개 구조물의 구조모델 정확도를 검증하였다. 날개 구조물을 포함하는 날갯짓 구동 메커니즘의 구동 시 구조적 건전성 확보 여부를 확인하기 위해 유연 다물체 동역학 해석을 수행하였고, 각 요소 부품의 항복 응력 및 허용 동하중을 바탕으로 평가가 이루어졌다. 이를 통해 설계된 날개 구조물을 포함하는 날갯짓 구동장치의 구동 시 구조적으로 문제가 발생하지 않음을 확인할 수 있었으며, 해당 날갯짓 구동장치의 구동에 필요한 모터 구동 토크도 비교적 정확히 추정할 수 있었다.

Among the creatures existing in nature, ornithopter that imitate the appearance and flight method of birds are continuously being researched and developed for various military and commercial purposes. Onithopter produces the thrust required for flight through repeated movements of the wing structure. Therefore, relatively high load acts repeatedly on the flapping mechanism and the wing structure. For the stable flight of ornithopter, the structural safety of the flapping mechanism and wing structure during flight must be secured. In this paper, flapping mechanism and wing structure were designed, and structural safety was confirmed during operation through flexible multi-body dynamics analysis.
For the design of ornithopter, the initial design requirements of ornithopter were selected by analyzing cases of successful flight in indoor and outdoor environments at home and abroad. Flapping mechanism was designed through a combination of gearbox mechanism to amplify the torque of the motor and Crank-Rocker mechanism to implement rotational motion as a wing reciprocating motion. The Matlab In-House code was written for mechanical and dynamic interpretation of the Crank-Rocker mechanism, laying the foundation for the optimal link length design of the wing drive mechanism in the future.
The wing structure was designed based on the wing shape information of existing UAVs. Natural frequency measurements were performed to secure the elastic modulus of the materials used to manufacture the wing structure, and the structural model accuracy of the wing structure was verified through a constant load deformation experiment. Flexible multi-body dynamics analysis was performed to confirm whether structural integrity was secured when operating the flpping mechanism including the wing structure, and the evaluation was conducted based on the yield stress and allowable dynamic load of each element component. Through it was confirmed that there was no structural problem when operating the flapping mechanism including wing structure, and the motor drive torque required to operate the wing drive device could be estimated relatively accurately.

#Flapping Mechanism #Gearbox Mechanism Design #Crank-Rocker Mechanism #Ornithopter

Ⅰ. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 관련 연구 동향 7
3. 연구 목표 및 내용 10
Ⅱ. 날갯짓 비행체 초기 설계 11
1. 날갯짓 비행체 초기 형상 설계 11
1.1 날갯짓 비행체 성능 요구도 분석 11
1.2 날갯짓 비행체 초기 형상 설계 및 탑재 부품 선정 15
1.2.1 날갯짓 비행체 부품 선정 15
1.2.2 날갯짓 비행체 동체 초기 형상 설계 16
1.3 날갯짓 구현 메커니즘 선정 18
2. 날갯짓 구현 메커니즘 초기 설계 20
2.1 기어 트레인 및 기어박스 하우징 구조물 설계 20
2.2 날갯짓 구현 메커니즘 설계 25
2.3 날갯짓 구현 메커니즘 운동학 & 동역학 모델 28
2.3.1 날갯짓 구현 메커니즘 운동학 모델 28
2.3.2 날갯짓 구현 메커니즘 동역학 모델 33
3. 날개 구조물 초기 설계 37
3.1 날개 구조물 형상 설계 37
3.2 날개 구조물 물성치 추정 40
3.2.1 탄소 섬유 소재 물성치 추정 40
3.2.2 PLA 물성치 추정 43
3.2.3 날개 구조물 물성치 신뢰성 검증 47
Ⅲ. 날갯짓 구동 메커니즘 다물체 유연 구조물 해석 49
1. 동역학 시뮬레이션 해석 환경 구축 49
2. 동역학 해석을 통한 날갯짓 구동 메커니즘 구조적 건전성 평가 52
2.1 RFlex 기반의 날갯짓 구동 메커니즘 FE모델 구축 52
2.2 날갯짓 구동 메커니즘 구동축 구조적 건전성 평가 54
2.3 기어박스 하우징 구조물 구조적 건전성 평가 57
2.4 날갯짓 구동 메커니즘 베어링 구조적 건전성 평가 59
2.5 날갯짓 구동 메커니즘 기어 구조적 건전성 평가 62
2.6 모터 구동 토크 추정 63
3. 날개 구조물 변형량 64
3.1 RFlex 기반의 날갯 구조물 FE모델 구축 64
3.2 날갯짓 구동 주파수에 따른 날개 구조물 변형량 분석 66
Ⅳ. 결 론 68
부 록 70
참 고 문 헌 73
Abstract 80

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