◆ 특집 ◆ 방산제품 설계 및 시험
차량 탑재형 레이더 시스템의 구조물에 대한 연구
The Study on the Vehicle-Mounted Radar System of Structural Design Under Environment Conditions
정화영1,, 이건민1, 강광희1, 강종구2 Hwa Young Jung1,, Keon Min Lee1, Kwang Hee Kang1, and Jong Goo Kang2
1 LIG넥스원 기계연구센터 (Mechanical Engineering R&D Lab, LIGNex1 Co., Ltd.) 2 방위사업청 지상지휘통제감시사업팀 (Command and Reconnaissance Program Department, Defense Acquisition Program Administration)
Corresponding author: [email protected], Tel: +82-31-8026-0723 Manuscript received: 2016.7.28. / Revised: 2016.8.22. / Accepted: 2016.8.28.
The vehicle-mounted radar system (VMRS) including its electronic parts must be designed so that its performance is maintained under varying environmental conditions. The important aspects are typically weight and safety. Since many rotating VMRSs have been developed, discussion about the vibration and shock requirements for the transportation conditions has occurred: in addition, the dynamic unpaved, paved, and off-road effects have been emphasized with respect to lightweight designs. A lightweight-design VMRS should be capable of operating stably under the wind condition with the support of the vehicle structure. In this paper, a structural analysis regarding the support of the VMRS is performed, whereby the real-load conditions for three types of road and pressure were employed in terms of the wind condition. The structural analysis for the safety of the VMRS is performed, and the structural-integrity analytical processes of the VMRS are presented for different load conditions.
KEYWORDS: Vehicle mounted radar system (차량 탑재형 레이더), MIL-STD-810G (군사규격), Dynamic load for shock and vibration (진동/충격하중), Topology optimization (위상최적화설계)
기호설명
Grms = Root-Mean-Squire acceleration (g) T = Nominal duration (ms)
E = Elastic modulus of material ρ = Density of element
P = Penalization parameter PSD = Power spectrum density
1. 서론
차량에 탑재되는 레이더 무기체계는 작전운용 상 생존성을 높이기 위해 신속한 이동 및 기동성 보유를 우선으로 하고 있다. 이와 같은 이유로 최 초 타겟 순위에 노출되어 있는 지상용 탐지레이더 는 차량 일체형 또는 탑재형 구조로 개발되는 추 세이다.
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운용환경상 레이더를 탑재한 이동형 체계는 협 소한 소로 및 비포장 등이 포함된 비정상도로를 안전하고 신속하게 이동해야 되며, 이동간 불규칙 한 노면으로 발생되는 진동/충격 등의 하중조건과 고온다습 및 최대풍속 등의 가혹한 운용환경 조건 을 견딜 수 있도록 개발 되어야 한다.
국내외 차량 탑재형 레이더 체계에 관한 연구 는 대부분 여러가지 환경조건이 아닌 한가지의 환 경조건에 대한 연구사례가 대부분이였다.1-5 또한 차량에 탑재되는 레이더 체계의 경우 신속한 이동 및 기동성을 보장하기 위해 설계초기단계부터 경 량화 실현은 필수적이다.
이를 위해 본 연구에서는 이동형 레이더 체계 의 연구개발의 일환으로 개발단계 중 설계 프로세 스 단계에서 고려되어야 할 하중조건인 다양한 노 면으로 발생되는 진동/충격 하중과 최대풍속조건을 검토하고 실제 실험 계측 데이터를 활용한 하중값 을 도출하였다. 또한 탑재구조물의 경량화 설계의 일환으로 위상최적화 기법을 적용한 이동형 레이더 체계의 구조물에 대한 설계기법을 제시하였다. 이를 바탕으로 이동형 레이더 체계 및 구조물 개발 관 점에서 구조적 안정성을 평가하였고 이의 설계 및 평가 프로세스 방법을 소개하고자 한다.
2. 이론해석 및 실험방법
2.1 이동형 탑재장비의 진동/충격 하중조건 군 운용 환경에서 사용되는 이동형 탑재장비는 자체 고유한 기능뿐만 아니라 풍속, 진동 및 충격 에 대한 엄격한 요구조건을 만족해야 한다. 엄격 한 요구 조건은 소요군의 다양한 운용 환경을 반 영하여 정해져야 하나, 실측 데이터를 통한 규격 산출은 많은 시간과 비용 및 플랫폼과 전자장비가 동시에 개발되는 현 추세에 따라 많은 어려움이 존재한다. 이에 선진국에서 이미 정해 놓은 규격 을 적용하는 것이 일반적인 예이다.
이동형 탑재장비에 대한 진동 및 충격 시험규 격인 MIL-STD-810G6는 기계 및 전자장비를 포함 한 탑재장비의 요구사항을 설정하고 있으며, 이와 같은 규격으로 시험평가가 확인 된 탑재장비는 그 기능을 만족스럽게 수행할 수 있는 것으로 인정하 고 있다.
이동형 탑재장비 진동규격의 경우 차량의 종류 에 따라 크게 차륜차량과 무한궤도차량으로 나눌 수 있다. Fig. 1은 차륜차량의 일반적인 진동시험
프로파일을 나타낸 것으로서, 진행방향, 측면 및 수직방향에 따라 노출되는 진동크기가 다르게 적 용된다. Table 1은 복합차륜형 차량의 Grms 값을 나 타낸 것으로서, 차륜차량의 경우 구체적인 값이 있으나, 무한궤도차량의 경우에는 구체적인 값들 을 제시하고 있지 못하고 있다. 또한 국내 최초 개발되는 군용차량의 경우 TOP 2-2-5067의 기준으 로 포장, 비포장 및 야지의 도로에서 내구도 시험 을 수행함으로써 주행간 안전성을 검토하도록 요 구하고 있다.
내구도 시험을 통해 얻어진 계측데이터를 바탕 으로 탑재장비의 진동 및 충격량을 확인 할 수 있 다. 이동형 탑재장비의 충격시험 규격은 트럭 및 트레일러 형태의 차량에 탑재되는 두가지 경우로
Fig. 1 Composite wheeled vehicle vibration exposure
Fig. 2 Terminal peak sawtooth shock pulse configuration and its tolerance limits
Table 1 Grms of composite wheeled vehicle vibration exposure
Test Vertical Transverse Longitudinal Grms 2.19 g 1.22 g 0.85 g
나누어지며, Fig. 2와 같이 톱니형태의 충격파를 적 용한다. Table 2는 이의 충격파 상수값를 정리한 것 이다.
2.2 경량화 설계를 위한 위상최적화
이동형 체계에 장착되어 장시간 이동하는 탑재 장비는 생존성 및 작전이라는 특수 임무를 기동성 있게 수행하는데 경량구조물 설계기법 적용은 필 수적이다. 경량구조물을 설계하기 위한 대표적인 방법으로는 경량재료의 사용과 위상최적설계기법 을 적용한 방법 등이 있다. 경량재료는 환경조건 과 운용조건하에서 충분한 강성 및 강도가 확보된 재료로 선택하여야 한다. 이의 실현을 위해 대부 분의 경우 복합소재가 적용되고 있으며, 복합소재 의 경우 금속재료에 비해 제작성 및 가공성이 현 저히 떨어지는 단점이 있다.
위상최적설계는 구조물을 구성하는 다공성의 물질 내부에 존재하는 공공의 크기와 개수를 설계 변수로 이용하며, 형상 최적화 과정에서 발생하는 위상이 고정되는 문제를 해결 할 수 있고, 설계 자유도가 더 증가하는 장점이 있다. 식(1)은 위상 최적설계의 등방성 물질의 강성계수를 이용한 밀 도법의 재료 물성치 수식을 나타낸 것으로서 여기 서 E는 재료의 원 탄성계수, ρ는 요소의 밀도, p는 penalization 파라미터이다.8-10
( ) P 0
E ρ =ρ E (1)
설계영역이 연속체임을 고려할 때 ρ는 0에서 1 사이의 값을 가지고 0일 경우 재료가 없으며, 1일 경우 재료가 채워져 있는 것으로 볼 수 있다. 밀 도법의 장점은 계산시간의 짧은 반면, 대상구조물 을 유한개의 요소로 분할하므로 요소에 의존적인 결과를 얻을 수 밖에 없다. Fig. 3은 이동형 체계 구조물에 대한 위상최적설계를 수행하기 위한 프 로세스를 나타낸 것으로서, 다양한 운용조건을 고 려한 구조물의 구조설계문제를 정의하고, 위상최 적화 대상 설계 도메인 선정과 유한요소 기법을
이용한 위상최적화와 최적화 결과를 도출한다.
목적함수에 부합한 최적형상의 반복적인 재설 계를 통해 최종설계 검증을 수행한다.
2.3 내풍속조건의 구조물 안전성 평가
레이더 탑재형 이동형 체계는 운용 특성상 개 방된 장소의 높은 위치에서 설치 및 운용된다. 또 한 이동형 탑재구조물의 운용조건에 따라 바람의 영향으로 발생되는 풍하중으로 인하여 예기치 않 은 장비 손상을 가져올 수 있다. 일반적으로 국내 육상장비의 경우는 최대 33 m/s로 적용되고 있으며, 바람에 의한 구조적 안전성 평가는 필수적이라 할 수 있다.
이의 연구를 위한 대표적인 방법으로는 상사모 델을 활용한 실험적 검증을 통해 얻은 실험값을 대입한 수치해석방법과 최대 구현 가능한 풍속조 건에서의 실험적 검증을 통해 얻은 수치해석방법 이 있다.
전자의 경우 상사모델의 제작과 검증에 대한 방법으로 33 m/s 풍속을 구현하고, 실험적으로 구 한 속도와 유량 및 물리적인 값을 확인한다. 이를 토대로 수치해석으로 최대풍속조건에서의 구조물 안정성을 평가 하는 경계조건으로 활용할 수 있다.
후자의 경우 국내 최대 풍속시험이 가능한 18 m/s 에서의 풍속시험 결과를 토대로 수치해석모델을 검증하고, 최대풍속조건에서 풍압조건을 수치해석 으로 산출한 후 구조물의 안정성을 평가를 위한 하중을 도출한다.
Table 2 Terminal peak sawtooth pulse test parameters for Ground equipment in trucks and semi- trailers
Test Minimum peak value (Am) g’s
Nominal duration (Td) ms Functional test 20 11
STEP 1 Analysis of operation condition
↓ STEP 2 Define the design
parameter for structure
↓
STEP 3 Topology optimization using CAE
↓ STEP 4 Re-design using
the first optimization result
↓
STEP 5 Audit and final design
Fig. 3 Process of structural topology optimization for vehicle-mounted weapon system
3. 결과 및 고찰
3.1 이동형 탑재구조물 하중 계측 및 분석 3.1.1 시험방안 및 개요
이동형 무기체계의 진동 및 충격특성을 파악하 기 위하여 현재 개발 중인 무기체계용 탑재차량을 이용하여 주행특성에 따른 하중을 계측하였다. 이 를 위해 무기체계 탑재상태의 실제를 묘사할 수 있는 더미 중량(분포하중)을 장착하였으며, 이동형 체계로 하중을 전달하는 탑재차량의 샤시부에 가 속도 센서를 부착하였다. Fig. 4는 탑재차량의 센서 계측위치를 나타낸 것으로서 샤시부 좌우측에 총6 개의 위치에 PCB사의 3축 가속도 센서를 장착하 고 가속도 값을 측정하였다. 이를 통해 얻어진 데 이터는 Data Physics사의 Dynamic Signal Analyzer를 통해 데이터 처리용 컴퓨터에 저장하였다. 측정된 가속도 데이터 처리를 위해 아래와 같은 필터 및 대역폭에서 계측된 가속도 값을 처리하였다. 육상 장비의 진동대역은 MIL-STD-810G의 시험범위를 참조하여 선정하였다.
• Band Pass Filtering
- Filter: Butterworth 6th, BPF (Band Pass Filter) - Bandwidth: 2 - 500 Hz
• PSD
- FFT (Fast Fourier Transform) Sample: 2,500 - Window: Hanning window
- Number of overlap: 1,250 (50.0%) 3.1.2 시험결과 및 분석
이동형 탑재장비의 하중계측은 시험대상 차량 의 내구도시험 동안 총 18회 동안 측정하였다. 내 구도시험은 유사 사업을 참고로 19,300 km의 거리 를 포장, 비포장 및 야지에서 60%, 20% 및 20%의 비율로 시험을 수행하였다. 시험 수행은 총 4 Cycle로 진행되었으며, 사업기간을 고려하여 국방 과학연구소 창원기동시험장에서 1 Cycle 및 고객과 협의된 장소에서 3 Cycle을 수행하였다. Figs. 5부터 7은 포장, 비포장 및 야지에서 계측된 대표적인 데이터를 나타낸 것으로서 포장도로의 경우에는 고주파 영역의 진동량이 크게 나타나며, 비포장도 로와 야지의 경우에는 저주파 영역에서 큰 진동량 이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
Table 3은 노면조건에 따른 Avg. RMS 및 Avg.
Peak 값을 나타낸 것이며, Avg. RMS의 경우 포장 도로의 Y축 방향에서 최대값이 계측되었으며, Avg.
Peak 값은 비포장도로의 Y축 방향에서 최대값이 나타남을 알 수 있었다. 계측된 데이터 모두 Y축 방향으로 큰값이 나타났으며, 이는 시험차량의 독 립현가차축의 영향으로 판단된다.
Fig. 4 Data acquisition point for tested vehicle
Fig. 5 Grms for paved road
Fig. 6 Grms for Unpaved road
Fig. 7 Grms for Off-road
Fig. 8 Peak acceleration value for off-road (Y-axis)
Table 3 Avg. RMS and Avg. Peak results for road case Road type Axis Avg. RMS Avg. peak (g)
Paved
X 0.08 0.33
Y 0.44 6.78
Z 0.19 0.83
Unpaved
X 0.06 2.30
Y 0.28 9.03
Z 0.14 0.85
Off-road
X 0.06 0.38
Y 0.21 2.18
Z 0.11 0.88
Table 4 Peak acceleration results for road case Road type Axis Peak value (g)
Paved
X 0.35 Y 1.91 Z 0.91 Unpaved
X 0.38 Y 2.14 Z 1.0 Off-Road
X 0.49 Y 3.08 Z 1.04
Fig. 8은 비포장도로 조건의 Y축 실시간 계측데 이터를 나타낸 것으로서 최대값 3.08 g의 값이 계 측되었다. Table 4는 4 cycle에서 계측된 도로유형별
최대 가속도 값을 나타낸 것인다.
결론적으로 계측된 데이터의 진동 및 충격하중 의 값들은 Table 1에 기술된 MIL-STD-801G의 요구 하중값들보다 낮은 값이 나타냄을 알 수 있었으며, 탑재차량의 서스펜션 시스템이 진동 및 충격하중 을 흡수하기 때문이다.
3.2 경량화 설계 및 분석
3.2.1 구조물 분석 및 파라미터 추출
탑재차량에 장착되는 레이더 시스템은 운용 특 성상 넓은 영역을 스캔하기 위해 높은 곳에 위치 한다. 이를 구현하기 위해 레이더 운용실 상단에 지지프레임을 위치하여 유압장치로 기립하는 구조 물이 필요하다. 탑재차량의 기동성 확보 및 운용 실 상단의 집중하중을 방지하기 위해서는 지지구 조물의 경량화는 필수적이다.
이를 해결하기 위해 지지프레임의 형상은 위상 최적화설계를 통해 초기 형상을 결정하고 상세설 계를 거쳐 확정하였다.
3.2.2 구조 건전성 강건 최적화
a) Height of support frame (Ha)= 3400 mm (± 200) b) Depth of cylinder (Hb)= 500 mm (± 350) c) Width of support frame (Wa)= 3400 mm (± 200) d) Width of cylinder (Wb)= 1600 mm (± 200) e) Thickness= 10 mm (± 5)
Fig. 9은 위상최적화를 수행하기 위한 설계영역 을 나타낸 것이다. 운용실 상단의 지지프레임의 설계영역에 대한 치수를 선정하고 운용실의 유압
Fig. 9 Define the design parameter for supporting structure
실린더 및 힌지부분을 고정부로 설정하였으며, 지 지 프레임의 중량 최소화 및 고유진동수의 최대값 (10 Hz 이상)으로 구속조건을 설정하였다. Fig. 10은 지지프레임의 위상최적화 과정을 도식적으로 나타 낸 것이다. 이와 같은 반복적인 최적화설계작업을 통해 도출된 형상과 제작성 및 설계의 편의성을 고려하여 상세설계를 진행하였다. Fig. 11은 실제 운용실 상부에 장착된 형상을 나타낸 것이다.
3.3 내풍속 구조설계 및 분석 3.3.1 내풍속 시험 및 분석
국내 시험장 여건으로 인해 차량에 탑재된 체 계의 가능한 풍속시험은 최대 18 m/s이다. 육상장 비의 최대 운용풍속인 33 m/s에서 장비의 안정성을 평가하기 위해서 18 m/s에서 운용장비의 풍속시험 을 수행하고 주요장비에 압력센서를 부착하여 시 험간 계측하였다. 이를 토대로 수치해석을 통해 18 m/s의 수치해석 모델을 검증하고, 33 m/s의 풍속 시험을 모사한 수치해석의 결과를 얻을 수 있다.
Fig. 12는 18 m/s의 풍속시험에서 풍압센서를 위 치한 곳을 나타낸 것이다. 최대풍속조건 상황에서 풍속시험결과와의 상관성을 확인하기 위해 ANSYS
를 이용하여 풍하중 해석을 진행 하였다. 풍하중 해석을 위해 Standard k-turbulence model을 적용하 였다.11
Figs. 13 및 14는 18 m/s에서 계측된 데이터와 풍하중 계산을 위한 수치해석모델의 결과값을 비 교한 것으로서 실제 측정한 압력과 수치해는 약 3 - 28%의 오차를 나타내고 있다. 특히 차량부 전 면의 측정위치 3 - 5번과 차량부 측면의 측정위치 4 - 6에서 오차값이 약 20%를 넘어가고 있으며,
Given design space Layout design Initial design Feasible material and geometry
Fig. 10 Topology optimization process for supporting structure
Fig. 11 Final design result for supporting structural
Fig. 12 Pressure measurement point of side and front
Fig. 13 Pressure measurement data for the front
Fig. 14 Pressure measurement data for side
이와 같은 결과는 압력센서 좌우로 유동의 변곡 점이 발생하여 실제로 계측오차가 발생한 것으로 사료된다.
따라서 보수적인 설계관점에서 수치해석의 결 과로 얻은 압력값은 과도하지 않은 범위에서 구 조물의 안정성을 평가하기 위한 경계조건으로 사 용할 수 있다.
3.3.2 내풍속 조건의 구조해석
내풍속 시험 및 수치해석 모델 비교를 통해 얻은 결과를 토대로 최대풍속 33 m/s의 풍압을 도출하였다. Fig. 15는 이동형 체계 정면 및 측면 의 속도분포를 나타낸 것이다. 33 m/s의 바람의 균일한 풍속 조건에서 최고 38 m/s이상의 속도가 차량 주위에 형성 되었으며, 최고 850 Pa의 정압 이 형성되었다. 최고 풍하중이 작용하는 지점은 차량의 정면 중앙부분과 레이돔의 전면 하단 부 분임을 알 수 있었다.
풍하중의 해석결과를 토대로 운용실 상단의 고정부와 운용실을 포함한 이동형 체계을 지지하 는 두가지 관점에서 구조적 안정성을 검토하였다.
운용실 상단은 레이더부 및 레이더 지지구조물의 두가지로 구성되며, 해석의 간소화를 위해 운용 실 및 차량부를 제외한 구조해석모델을 작성하였 다. 경계조건은 쉘터부와 연결되는 레이더지지구 조물의 체결부에 모든자유도에 고정조건으로 적 용하였으며, 최대바람속도에서 구한 풍하중값인 850Pa을 적용하였다.
Fig. 16은 최대 풍하중조건에서의 레이더지지 구조물 및 레이더장치의 von-Mises 응력분포 결 과를 나타낸 것으로서 최대 응력은 레이더부와 레이더지지구조물의 체결부에서 9.4 MPa 이 발생 되었다. 레이더 부의 적용 재질은 알루미늄 (Al- 6061-T651)이며, 항복강도 (약 275 MPa)와 비교하 였을 때 29이상의 안전계수가 확보됨을 알 수 있 었다.
4. 결론
본 연구에서는 차량 탑재형 레이더 이동형 체 계를 바탕으로 여러가지 가혹한 환경조건에서 발 생할 수 있는 하중조건을 검토하고 정의하였다.
현재 개발중인 이동형 체계를 통해 얻은 데이터 를 이용하여 하중분석 및 이의 작용응력과 안전 성을 평가하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
Fig. 15 Velocity results of front and side(33m/s)
Fig. 16 Von-Mises stress result for Max. pressure
(1) 차량의 주행 내구도 시험을 통해 포장, 비 포장 및 야지의 진동, 충격하중을 분석하고 최대 하중의 결과를 다음과 같이 얻었다.
• Maximum load
- Avg. RMS: 0.44 g2/Hz, paved road, Y axis - Avg. Peak: 9.03g, unpaved road, Y axis
(2) 차량 탑재형 레이더 이동형 체계의 주구 조물에 대한 위상최적화 프로세스를 제시하였다.
이와 같은 프로세스를 통해 레이더 지지프레임의 최적화설계과정을 통해 초기설계안을 도출하고 상세설계 및 제작을 구현하였다.
(3) 차량 탑재형 레이더 이동형 체계의 최대 구현 가능한 풍속시험을 수행하였으며, 계측데이 터를 통해 수치해석과의 일치성을 확인하였다.
이를 토대로 운용실 상단에 위치한 안테나부를 포함한 지지구조물의 파손여부를 확인하였으며, 최대응력 9.4 MPa가 발생됨을 알 수 있었다.
이와 같은 설계 및 검증 프로세스를 통해 향
후 유사차량 탑재형 장비에 대한 구조강건성 평가 를 수행할 수 있을 것이다.
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