[AngelFounder의 항공과 공학] (2) 비행기 형상 설계의 기본 방법

Posted by 알 수 없는 사용자
2012. 9. 20. 19:01 ::항공 지식::/└ 항공과 공학




안녕하세요 AngelFounder입니다.

오늘은 수식을 사용하지 않고 포스팅 해보고자 합니다.
오늘의 주제는 비행기의 형상 설계의 기초지식 입니다.

시작하기 전 여러분께 하나 여쭤보고자 합니다.
과연 비행기 모양을 왜 저렇게 설계하게 되었을까?

그냥 느낌상?? 단순히 공기역학적으로 유선형이 좋대서??
하지만 느낌만으로 항공기를 설계하기엔 안전하지 못하겠죠.

따라서 우리가 비행기의 형상을 설계하는 방법으로 
Finite Element Analysis(FEA, 유한요소법) 을 사용하게 됩니다.

그러면 도대체 이게 뭐냐??

이 Finite Element Analysis는 현재 공학의 전 분야에서 사용중에 있지만, 
실제로는 보잉사에서 처음 도입된 개념입니다.
즉 다시말해 항공산업과 컴퓨터의 발전과 함께 개발된 방법중 하나입니다.

그러면 기본 개념은 무엇인지 아래 사진을 보며 알아보도록 합시다.




자 우선 (b)사진은 원본 물체이고 (a)는 FEA 방법을 이용하여 그린 사진입니다.
어떤 차이가 있을까요?

바로 FEA는 복잡한 물체를 여러개의 간단한 형상으로 나타낸다는 것입니다.

오른쪽 사진만 놓고 그 물체가 받는 힘이나, 물체의 변형정도를 해석하기에는 
형상이 복잡하고, 너무 어렵기 때문에 왼쪽의 사진과 같이 해석합니다.

왼쪽을 보니 삼각형 모양 여러개가 모여 물체의 모양과 동일하게 이룸을 알 수 있습니다.
이 삼각형 하나하나를 메쉬(Mesh)라고 부르며, 삼각형은 비교적 간단한 도형이죠.

따라서 쉽게 해석을 할 수 있습니다.

간단히 말해서 원기둥의 넓이를 구하고자 할 때 
원기둥의 넓이를 전체적으로 구하는것 보다 원기둥을 삼각형 여러개로 잘라서
삼각형의 넓이를 모두 더하는것이 더 쉽다는 개념이죠.
(원기둥의 경우는 간단한 예로 든것입니다.)

아니 그러면 계산을 여러번 해야되니 더 어렵지 않는가?

FEA는 절대 손으로 할 수 없습니다. 컴퓨터로만 할 수 있죠.
컴퓨터는 단순하고 반복적인 계산을 빨리할 수 있지만, 복잡한 계산은 하기 어려운 단순한 기계입니다.

따라서, (b)사진을 통으로 분석한다면 컴퓨터는 해석이 불가합니다.
하지만, (a)사진과 같이 분석한다면 짧은 시간안에 해석을 할 수 있는것이죠.

이것이 바로 Finite Element Analysis의 기본 개념이며, 이를 항공기에 적용시키게 되는겁니다.
아래 사진을 보며 보충설명 하겠습니다.




위 사진은 항공기 날개를 실제로 FEA를 사용하여 분석한 겁니다.
실제로는 복잡했던 날개를 FEA를 사용하니 
우리가 중학교때 배웠던 사각형, 삼각형, 사다리꼴 등 
비교적 간단한 도형 여러개의 합으로 날개가 구성됨을 알 수 있죠.

이 원리를 이용하여 날개 각 부분에서 받는 힘, 날개 변형량, 공기의 흐름정도 등을
손쉽게 계산하고, 그 계산결과 가장 효율적인 형상이라고 판단한 형상이
현재 비행기의 모습이 된 것입니다.

예로들자면 비행기 날개의 경우 지난번 (2)편에서 설명한 받는 힘을 계산하기 전 
컴퓨터 시뮬레이션을 통해 위와 같은 방법으로 간단히 나타내고 
각 부분(번호가 적힌 부분)에서 얼마나 많은 힘을 받는지, 또 날개가 얼마나 변형되는지 등을 계산하고 
실험을 통해 확인한 후 효율성이 입증된다면 비행기의 날개의 형상으로 채택하는것이죠.

간단한 도형으로 이루어져 있기 때문에 간단한 수식 여러개로써 
비행기 날개 전체를 해석하는것과 같은 효과를 볼 수 있는 방법이라고 보시면 됩니다.

오늘은 비행기 형상을 어떻게 설계하는지 간단히 알아보았습니다.
궁금한 점은 언제든 덧글로 남겨주세요 답변드리겠습니다.

감사합니다.

2012.09.20 07:01 PM 
AngelFounder 배상

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