접이식 날개 메커니즘에 Bees 알고리즘을 사용하여 스프링 매개변수 최적화

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21913(2022) 이 기사 인용

979 접속

1 인용

3 알트메트릭

측정항목 세부정보

본 연구에서는 미사일에 사용되는 접이식 날개 메커니즘의 비틀림 및 압축 스프링 설계가 최적화 문제로 간주됩니다. 미사일이 튜브를 떠난 후 닫힌 상태로 대기 중인 날개를 특정 시간 내에 열어서 고정해야 합니다. 이 연구는 스프링에 저장된 에너지를 최대화하여 날개가 최소 시간 내에 열릴 수 있도록 하는 것을 목표로 합니다. 이러한 맥락에서 두 출판물의 에너지 방정식은 최적화 과정의 목적 함수로 정의됩니다. 스프링 설계에 필요한 선경, 코일링 직경, 코일링 수, 처짐 매개변수를 최적화 변수로 결정하였다. 메커니즘의 치수로 인해 변수에 대한 기하학적 제약이 있고 스프링이 노출되는 하중으로 인해 안전계수 제약도 있습니다. 이러한 최적화 문제를 해결하고 스프링 설계를 수행하기 위해 Bees Algorithm(BA)이 사용되었습니다. BA를 통해 얻은 에너지 값은 이전의 실험 설계(DOE) 연구를 통해 얻은 값보다 우수했습니다. 최적화를 통해 얻은 매개변수로 설계된 스프링과 메커니즘은 ADAMS 프로그램에서 먼저 분석되었습니다. 이후, 생산된 스프링을 실제 메커니즘에 통합하여 실험 테스트를 수행했습니다. 테스트 결과 약 90ms에서 날개가 열리는 것으로 관찰됐다. 이 값은 프로젝트 목표인 200ms보다 훨씬 낮습니다. 또한 분석 결과와 실험 결과 사이에는 16ms의 차이만 있습니다.

항공기 및 해양 차량에서 접는 메커니즘은 중요한 작업을 수행합니다. 이러한 시스템은 비행 성능과 제어를 향상시키기 위해 항공기 모핑 및 변환 작업에 사용됩니다. 비행 모드에 따라 날개는 공기 역학적 효과1를 줄이기 위해 다양한 방식으로 접혔다가 다시 열립니다. 이러한 상황은 일상적인 비행과 다이빙 중에 일부 새와 곤충의 날개 움직임과 비교할 수 있습니다2. 마찬가지로 글라이더는 수중 차량에서 접히고 펼쳐져 유체역학적 효과를 줄이고 주행 성능을 최대화합니다3. 메커니즘의 또 다른 임무는 보관 및 운송 중에 헬리콥터 프로펠러를 접는 등 시스템에 부피 이점을 제공하는 것입니다4. 미사일의 날개도 접혀 있어 수납 공간이 줄어든다. 이런 방식으로 발사 시스템5의 더 작은 영역에 더 많은 미사일을 배치할 수 있습니다. 접고 펴는 데 효과적으로 사용되는 구성 요소는 일반적으로 스프링입니다. 접는 순간 에너지가 저장되어 펼쳐지는 순간 방출됩니다. 유연한 구조 덕분에 저장 및 방출되는 에너지가 동일해집니다. 스프링은 주로 시스템용으로 설계되었으며, 이 설계는 최적화 문제입니다6. 왜냐하면 와이어 직경, 코일 직경, 코일 수, 나선 각도 및 재료 유형과 같은 다양한 변수가 포함되어 있지만 질량, 부피, 응력 분포 최소화 또는 최대 에너지 보유와 같은 기준도 있기 때문입니다7.

본 연구에서는 미사일 시스템에 사용되는 접이식 날개 메커니즘의 스프링 설계 및 최적화를 공개합니다. 비행 전 발사관 안에 있는 동안 날개는 미사일 표면 위로 접힌 상태를 유지하며, 튜브에서 나온 후에는 특정 시간 내에 날개가 열리고 표면에 고정된 상태를 유지합니다. 이 과정은 미사일이 올바르게 작동하는 데 매우 중요합니다. 연구에서 설계된 폴딩 메커니즘에서 날개의 열림은 토션 스프링에 의해 수행되고 잠금 작동은 압축 스프링에 의해 수행됩니다. 적합한 스프링을 설계하기 위해서는 최적화 과정이 필요합니다. 스프링 최적화 범위 내에서 문헌에는 다양한 적용이 있습니다.

Paredes et al.8은 나선형 스프링 설계의 목적 함수로 최대 피로 수명 계수를 최대화한다고 결정하고 최적화 방법으로 Quasi-Newton 접근법을 사용했습니다. 최적화의 변수는 와이어 직경, 코일 직경, 회전 수 및 스프링 길이로 결정되었습니다. 스프링 설계의 또 다른 매개변수는 생산에 사용되는 재료입니다. 따라서 설계 및 최적화 연구에서 고려됩니다. Zebdi et al.9은 무게 계수가 필수적인 연구에서 목적 함수의 최대 강성과 최소 무게 목표를 설정했습니다. 그들은 이러한 맥락에서 스프링 재료와 기하학적 특성을 변수로 결정했습니다. 그들은 최적화 방법으로 유전자 알고리즘을 사용했습니다. 자동차에서 소재의 무게는 차량 성능부터 연료 소비까지 다양한 영역에서 효과적입니다. 서스펜션에 사용되는 코일 스프링을 최적화하여 무게를 최소화하는 것은 유명한 연구10입니다. Bakhshesh와 Bakhshesh11는 ANSYS 환경에서의 작업에서 E-glass, Carbon, Kevlar와 같은 재료를 변수로 결정하고 서스펜션 스프링의 다양한 복합재 설계 중에서 최소 중량과 최대 인장 용량을 목표로 했습니다. 합성 스프링 설계에는 생산 공정이 필수적입니다. 따라서 최적화 문제에서는 생산 방법, 프로세스 중에 수행되는 단계 및 이러한 단계의 순서와 같은 다양한 변수가 작용합니다12,13. 동적 시스템용으로 설계된 스프링에서는 시스템의 고유 진동수를 고려해야 합니다. 공진을 방지하기 위해 스프링의 첫 번째 고유 진동수는 시스템의 고유 진동수보다 최소 5~10배 더 큰 것이 좋습니다14. Taktak et al.7은 나선형 스프링 설계의 목적 함수로 스프링 질량을 최소화하고 1차 고유 진동수를 최대화하는 방법을 선택했습니다. 그들은 Matlab Optimization Tool에서 Patternsearch, Interior point, Active Set 및 Genetic 알고리즘 방법을 사용했습니다. 스프링 설계 연구의 한 부분은 해석 연구이며, 이 분야에서는 유한 요소법이 널리 보급되어 있습니다15. Patil et al.16은 해석과정을 이용하여 나선형 압축스프링의 무게를 줄이기 위한 최적화 기법을 개발하였고, 유한요소법을 이용하여 해석식을 검증하였다. 스프링의 유용성을 높이는 또 다른 기준은 저장할 수 있는 에너지를 늘리는 것입니다. 이러한 상황은 또한 스프링이 오랜 기간 동안 그 유용성을 유지하도록 보장합니다. Rahul과 Rameshkumar17은 자동차에 사용되는 나선형 코일 스프링 설계에서 스프링 부피를 줄이고 변형 에너지를 높이는 것을 목표로 했습니다. 그들은 또한 최적화 연구에 유전 알고리즘을 사용했습니다.