The fuel tank systems of fixed wing and rotary wing aircrafts require the self-sealing and crash-worthiness for their survivability. For these requirements, the flexible composite fuel tank is generally used. In this study, the drop and penetration performance of a fuel tank is investigated. The FE simulation includes the drop and penetration test of a fuel tank using MSC.DYTRAN. MSC.DYTRAN can provide the fluid-structure modeling of these test from Euler and Lagrange grids. Using MSC.DYTRAN, the finite modeling of the test cube of the flexible fuel tank and its FE simulation are performed for various environments. The simulation results can show if the test cube satisfies the performance requirements of the fuel tank.
Key Words: Fuel Tank, MSC.DYTRAN
*학생회원, 한국항공대학교 항공우주공학과
** 정회원, 한국항공대학교 항공우주및기계공학부 연락저자, E-mail: [email protected]
연료탱크는 항공기의 핵심부품 중 하나로서 전투시 외부 위협에 노출되기 쉽다. 연료탱크는 피탄의 관통에 의한 폭발이나 추락에 의한 화재 의 발생 가능성이 크다. 따라서 항공기 기체 생 존성을 높이기 위해서 연료탱크의 성능해석은 필수적인 요소이다.
Self-Sealing은 항공기에 고속물체가 관통하 였을 때 연료가 누설되지 않도록 막아주는 기능 이며 내추락성 기능은 회전익 항공기의 추락 시 연료탱크의 파괴를 방지하기 위한 기능이다. 또
한 관통이나 추락 시 연료탱크 내부의 압력발생 에 의해 수압램 현상이 일어날 수 있으며 이는 연료탱크는 물론 인접 구조물에도 상당한 영향 을 미친다. 이러한 현상에 대한 성능 해석을 하 기 위해서 연료탱크의 낙하 시험 및 관통 시험 에 대한 해석연구가 필요하며 이는 연료탱크의 개발에 있어서 설계 자료로서 활용될 수 있다.
연료탱크의 여러 기능을 높이기 위해선 관련 소
재의 정확한 물성치나 제작 기술이 필요하나 이
는 일부 국방 선진국의 업체에서만 공급되고 있
으므로 알기 어려운 실정이다. 현재 국방 분야
에서는 이러한 장비를 수입하고 있으며 소재분
야에 기술개발을 위해 각계 연구소를 통해 수행
하고 있으나 아직 연료탱크에 직접 적용이 어려
운 실정이다.
1970년대 이후 국방 선진국들은 생존성 향상 을 위해 항공기의 체계적인 연구가 진행되고 있 다. 수압램 효과에 관해 이론적, 실험적 연구를 통해 적절한 해석과 매개변수에 대한 평가가 이 루어졌으며, 1990년대부터 유체와 구조물간의 상호작용을 해석하기 위한 상용 프로그램이 개 발되며 중점적으로 연구되기 시작하였다. 이후 국내에서도 항공기 날개 연료탱크의 관통 및 폭 발에 의한 전투손상의 해석에 관해 연구되었다 [1].
본 연구에서는 연료탱크의 요구조건에 따라 연 료탱크의 낙하시험 및 관통시험의 시뮬레이션을 수행하였으며, 주어진 연료 탱크의 요구조건을 바탕으로 연료탱크의 규격과 필수적인 성능에 따라 설계한 후 적합한지에 대하여 해석상에서 구현하였다.
연료탱크 개발을 위해서 적용되는 규격은 일 반적으로 MIL-DTL-27422D[2]가 가장 대표적이 며, 회전익 항공기 연료탱크에도 적용되는 규격 이다. 본 절에서는 연료탱크의 관련규격 및 요 구 조건을 제시한다. 이 규격을 기초로하여 연 료탱크에 주요한 기능인 내추락성의 요구성능을 제시하고자 한다.
Ⅰ
MIL-DTL-27422D 으로부터 연료탱크의 내추락 성 시험 조건은 770 lb의 물을 가득 채운 연료 탱크 큐브(cube)를 65 ft의 고도에서 떨어뜨려 연료탱크로부터 물이 누설되지 않는 것을 확인
함으로써 내추락성 요구조건을 만족한다고 볼 수 있다. 만약 낙하 시험 후, 물이 누설된다면 연료탱크 낙하 시험은 실패로 정의된다. 여기서 낙하 시험에 사용될 연료탱크 큐브형상의 치수 는 ″ × ″ × ″ 이다.
분류항목 내용
Class A 유연성 Fuel Cell 구조 B 반강체 혹은 자체지지 구조
Type Ⅰ 자기밀폐 또는 부분적인 자기 밀 폐형
Ⅱ 자기밀폐 성능이 없는 형
Level A
0.5 Caliber와 20mm에 대하여 각각 Cell 일부가 자기밀폐성능 보유
B
0.5 Caliber와 20mm 대하여 각 각 Cell 일부가 자기밀폐성능 보 유
C
0.5 Caliber에 대해 Cell 일부 가 자기밀폐, 14.5mm에 대해 Cell일부가 자기 밀폐
D 14.5mm와 20mm에 대하여 각각 Cell 전체가 자기 밀폐성능 보유
E
14.5mm와 20mm에 대하여 각각 Cell 일부가 자기 밀폐성능 보 유. Cell 일부는 자기밀폐성능 미보유
연료탱크의 낙하 시험 해석은 낙하 시험 시
발생할 수 있는 현상들을 예측하고, 더 우수한
성능의 연료탱크 설계를 완성하기 위해 필수적
이다. 본 연구에서는 연료탱크 큐브의 낙하 시
험 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 Time
Step마다 연료탱크의 응력을 계산하고, 연료탱
크 큐브 내부의 물이 누설되는지 여부를 예측하
고, 연료탱크 구조 중 가장 취약한 부분을 예측
하여 설계에 반영하고자 한다.
연료탱크 낙하 시험 시뮬레이션을 위하여 비선 형 충돌 해석 소프트웨어인 MSC.Dytran을 이용 하였다. Dytran을 이용한 연료탱크의 자세한 유 한요소 모델은 Table 2에 나타내었다.
탱크내부의 유체는 100%물로써 탱크의 요소 개 수는 1170개이며 CQUAD4를 이용하여 모델링 하 였고, 내부 유체인 물의 요소 개수는 9600개로 서 요소 종류는 CHEXA를 이용하였다. 연료탱크 의 재질은 복합재료의 종류로써 물성치는 연료 탱크 시편의 시험 분석결과를 이용하여 얻었으 며 Table 3에 시편의 시험 결과를 나타내었다.
″ × ″ × ″ ″ × ″ × ″
″
Table 4. 에서는 연료 탱크 낙하 시험 해석의 해석조건을 나타내었다. 오일러 타입은 오일러 공간내부를 차지하는 유체가 하나이므로 Single material euler를 이용된다. Dytran에서 유체와 구조물 사이의 경계를 지정하는 방법은 ALE커플 링(Arbitrary Lagrange-Euler Coupling)과 General 커플링이 있다. 가장 큰 차이로 ALE커 플링은 유체의 격자(mesh)를 탱크의 표면과 일
치시켜 경계면을 공유하는 방식으로 구조물의 변화를 정확히 볼 수 있고, 계산시간이 줄어든 다. 하지만 ALE 커플링의 경우 격자를 서로 공 유하므로 구조물의 파손 현상에 대해 정확히 나타 낼 수 없다. 반면 General 커플링은 ALE 기법에 비해 계산시간이 늘어나고 유체와 구조 물상의 경계가 명확하지 않지만 이를 이용함으 로써 오일러 격자를 구조물의 경계와 분리하여 Lagrange 격자의 파괴와 같은 변형을 구현 할 수 있다. 연료탱크의 낙하 시험을 시뮬레이션 하는데 있어 결과적으로 파손이 일어나는지 알 아보는 것이 중요하므로 General 커플링을 선택 하였다. 또한, 유체의 요소를 CHEXA를 사용함으 로써 Fast 커플링(coupling)을 실행할 수 있었 다. 탱크와 평판의 contact은 rigid wall을 이 용하였다. 이는 실제 평판을 모델링하지 않아도 가상 평판을 생성하여 강체평판과 같은 역할을 한다.
Fig. 1과 Fig. 2는 연료탱크 내부에 100%물
이 채워져 있을 때의 형상으로 연료탱크가 지면
에 떨어지는 순간의 형상과 응력분포이다. 연료
탱크의 응력은 지면에 떨어지는 순간 40 MPa까
지 상승하는 것을 알 수 있었고 연료탱크가 평
면과 충돌하는 순간 형상이 퍼지고 네 모서리
에서 응력값이 가장 큰 것을 알 수 있었다.
특히, Fig. 2는 연료탱크가 지면에 부딪혀 찌 그러진 형상을 보여준다. Fig. 3은 연료탱크가 지면에 충돌한 후 상승하여 최고점에 이르렀을 때의 응력분포를 보여준다. Figs. 1-3의 오른쪽 그림은 연료탱크 내부의 물의 형상을 보여준다.
지면과의 충돌로 인해 내부의 물의 압력이 변화
가 발생하고, 이로 인해 연료탱크의 표면이 부 푸는 현상을 확인할 수 있다.
0.00 0.05 0.10 0.15 0.20
0 10 20 30 40
Stress(MPa)
Time(sec) 1 2 3
Fig. 4는 연료탱크 임의의 세 개의 Element의 응력값 변화를 보여준다. 1은 연료탱크 밑면의 오른쪽 꼭지점의 응력변화를 나타내며 2번은 1 번의 바로 옆 Element이며 3번은 임의의 충돌 순간 가장 변화가 큰 연료탱크의 밑면이외의 임 의의 요소의 변화를 보이기 위해 연료탱크 윗면 의 오른쪽 모서리 가운데 지점의 응력변화를 나 타내었다. Fig. 4와 같이 3번의 응력변화는 밑 면에 위치한 요소에 비해 변화가 크지 않음을 알 수 있었다.
연료탱크의 성능을 향상시키기 위해서는 연료
탱크의 낙하시험뿐만 아니라 관통시험 또한 필
수적인 요소이다. 위의 서론에서 나타낸 바와
같이 회전익 항공기 연료탱크의 주요한 기능인
Self-Sealing은 항공기에 총탄이나 기타 고속
물체에 관통 시 연료가 누설되지 않도록 막아주
는 기능이다. 이러한 기능을 향상시키고 예측하
기 위해 연료탱크의 관통시험 시뮬레이션이 필
요하다. 아직 Self-Sealing을 구현할 수는 없지
만 시뮬레이션을 통하여 충분한 속도의 발사체
가 관통하였을 때 연료탱크의 구조적 파손여부
정도를 알아보고자 한다.
위의 연료탱크 낙하시험 시뮬레이션과 같이 연 료탱크의 관통시험을 시뮬레이션 하기 위하여 비선형 충돌 해석 소프트웨어인 MSC.DYTRAN을 이용하였다. 해석모델의 상세 사항은 Table 5에 나타내었다. 연료탱크는 제시한 요구조건의 치 수로 모델링 하였으며 내부 유체는 물을 사용하 였다. 발사체는 강체로써 직사각형 박스로 모델 링 하였다. 연료탱크 및 유체인 물의 재질 및 밀도는 기본적으로 연료탱크의 낙하시험 모델과 동일하며 차이점은 모델링 형상과 요소 개수의 차이이다. 탱크의 격자를 방사형으로 나누어 발 사체가 지나가는 위치를 촘촘히 해주고 그 주변 은 느슨하게 하여 요소 개수를 1850개로 나누었 으며 위와 동일하게 CQUAD4를 이용하였다. 유체 는 동일한 방법을 이용하였으며 좀 더 자세한 변화를 관찰하기 위해 잘게 나누어 CHEXA로 42000개 정도이다. 발사체 요소개수는 210개로 서 CQUAD4를 이용하였다.
″×″×″ ″×″×″ ″×″×″
″ ″
Table 6 에서는 연료탱크 관통시험의 해석조 건을 요약하여 나타내었다. 오일러 타입은 탱크 내부의 유체가 물 하나이므로 Single-Material Euler Type을 이용하였다. 관통시험에서는 탱 크, 유체, 발사체 세가지를 coupling시켜야 한 다. 먼저 탱크와 물 및 발사체와 물은 유체와 구조물의 상호관계로서 낙하시험과 동일하게 General 커플링을 사용하였으며, 탱크와 발사체
는 구조물과 구조물 사이의 contact조건을 Adaptive Master-Slave Contact를 사용하였다.
수압램 효과는 연료탱크의 손상에서 치명적 요소 중 하나이다. 이는 항공기 손상에 직접적 인 영향을 끼칠 수 있다. Fig. 5은 발사체가 관 통한 순간 탱크에 나타나는 응력변화이다. 발사 체의 속도가 매우 빠르므로 순식간에 탱크를 뚫 고 지나가면서 응력이 바깥쪽으로 퍼지는 것을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과 Fig. 5와 같이 응 력이 바깥쪽으로 퍼지는 것을 보임으로써 수압 램 현상이 나타나는 것을 알 수 있었다. 관통 순간 유체에 의해서 발생된 압력에 의해 탱크에 높은 압력이 발생하였으며, Time Step이 지날수 록 유체의 압력에 영향을 받아 탱크의 응력에 변화가 생기는 것을 알 수 있었다. 또한 유체의 압력이 변함에 따라 탱크의 형상이 부풀어 오르 는 현상을 볼 수 있었다.
Fig. 6은 연료탱크의 관통시험 시 응력 변화 값을 나타낸 것이다. 그래프 내부의 직육면체와 같이 연료탱크의 요소 중 네개의 요소를 선택하 여 임의의 네 Element의 응력값을 나타내었다.
직육면체에서 ①은 관통 정면에서 가장 큰 응력
변화를 나타낸 것으로 약 25Mpa이고, ②는 관통
시 뒷면에서 가장 큰 응력 변화를 나타낸 요소 로서 약 35Mpa이다. 이는 유체의 압력 변화로인 해 연료탱크의 뒷면에서 더 큰 응력 변화가 있 는 것을 알 수 있다. ③,④는 연료탱크의 옆면 의 요소로서 Fig. 5에서의 변화와 같이 관통 후 시간이 지날수록 압력파가 퍼지면서 영향을 받는 것을 알 수 있다.
Fig. 5
0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05
0 5 10 15 20 25 30 35
Effective stress (Mpa)
Time(sec)
(1) (2) (3) (4)
