KR20150122023A - 항공용 브라켓의 설계 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종래 금속을 기본으로 설계된 항공용 브라켓을 쾌속 조형기를 이용하여 제작하더라도 금속 재질의 브라켓과 동일한 강도 특성을 나타내도록 재설계하는 항공용 브라켓의 설계 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 쾌속 조형기로 제조하기 위한 항공용 브라켓의 설계 방법에 있어서, 기본 브라켓의 형상 정보, 경계조건, 하중조건, 금속 재료의 재질적 특성, 합성수지 재질의 재질적 특성을 입력하는 기본 조건 입력 단계; 상기 기본 조건 입력 단계에서 입력된 정보를 이용하여 구조 해석을 수행하는 기본 구조 해석 단계; 상기 기본 브라켓의 강도 증가를 위하여, 스티프너, 패드업 및 코너비드 중 선택된 어느 하나 이상을 적용하는 브라켓 형상 변경 단계; 및 상기 브라켓 형상 변경 단계를 통하여 변경된 브라켓을 합성수지 재질로 구조 해석한 후, 변형 또는 응력을 상기 기본 구조 해석 단계의 결과와 대비하여 판단하는 변경 해석 및 판단 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

항공용 브라켓의 설계 방법{Design method for aircraft bracket}

본 발명은 항공용 브라켓의 설계 방법에 관한 것으로 더욱 상세하게는 쾌속 조형기로 제조하기 위한 항공용 브라켓의 설계 방법에 관한 것이다.

쾌속 조형기는 종이, 왁스, 고분자 등의 여러 가지 비금속, 금속재료를 사용하여 3차원 CAD 데이터로부터 직접 3차원 형상의 시제품 또는 몰드를 곧바로 신속하게 조형하는 장치로 현재 시제품 제작에 많이 활용되고 있다.

상기 쾌속 조형기는 3차원 정보를 캐드 등으로 입력하고, 입력된 정보를 기초로 2차원 형상의 시제품을 조형하므로, 어떠한 제품 형상도 조형할 수 있는 장점이 있으며, 특히 다수의 부품이 결합한 조립도 정보를 입력하는 경우, 조립된 상태로 바로 제조되는 장점이 있다.

쾌속 조형기를 이용한 제품은 그 형상 파악을 위한 시제품 위주로 제조되어 왔으나, 근래에는 실제 활용 부품을 쾌속 조형기로 제조하는 방법들과 색다른 형태의 시제품을 제조하기 위한 방법들이 시도되고 있다.

예를 들면 등록특허 제980245호에는 3차원 캐드 프로그램 및 통신 인터페이스 수단을 탑재하며 상기 3차원 캐드 프로그램을 통해 치아 모형에 대한 3차원 모델링 데이터를 생성하여 저장하거나 또는 상기 통신 인터페이스 수단을 통해 외부로 전송하는 전산화 단층촬영기(CT) 또는 스캐너; 상기 전산화 단층촬영기(CT) 또는 스캐너와 데이터 통신 가능하게 연결되며 상기 3차원 캐드(CAD) 프로그램에 의해 생성 또는 가공된 3차원 모델링 데이터를 수신하여 인공치아의 미세한 두께를 구성하기 위한 다수의 슬라이싱 데이터를 형성하고, 상기 각각의 슬라이싱 데이터의 연속적인 적층에 의해 3차원 모델링 형상과 동일한 형상의 인공치아를 제조하는 쾌속 조형기;를 포함하는 인공치아 제조장치 및 그것을 이용하는 제조방법이 개시되어 있다.

또한, 등록특허 제451131호에는 3차원 CAD를 이용하여 다수의 3차원 가상 쉘 모델을 얻는 단계와; 3차원 CAD를 이용하여 상기 단계에서 쉘 처리된 다수의 3차원 가상 쉘 모델을 통합하여 한 개의 3차원 가상 통합 모델을 얻는 단계와; 상기 3차원 가상 통합 모델을 데이터로 하여 상기 쾌속 조형기와 광경화성 조형 수지를 이용하여 어느 한 부분을 조형하여 어느 한 부분을 얻는 단계와; 상기 단계에서 얻은 어느 한 부분의 내부에 존재하는 액상의 수지를 제거하여 중공부를 형성하는 단계와; 상기 중공부에 원하는 색상이 첨가된 액상 수지인 액상 가색 수지를 투입하여 부분 중간품을 얻는 단계와; 상기 부분 중간품에 접하는 다른 부분을 상기 다른 색상을 가지는 다른 액상 가색 수지를 이용하여 다른 부분을 형성하고, 액상 가색 수지를 경화시켜서 시제품을 완성하는 단계로 이루어진 쾌속 조형기를 이용한 시제품 조형 방법이 개시되어 있다.

또한, 등록특허 제995983호에는 저온납 내지 가융합금(fusible alloy) 등의 재료를 쾌속조형기(RP: rapid prototyping), 잉크제트 프린터 내지 3D프린터를 이용하여 기판에 인쇄하여 회로를 구성하는 과정에 있어, 소정의 금속재료를 용융하는 공정; 용융된 금속재료를 소정의 분사부를 이용하여 소정의 기판 상에 분사하여 인쇄하는 공정; 인쇄 공정 중에서 회로배선이 교차하는 부분에 대한 절연공정을 포함하는 기판 상에 금속재료를 인쇄하는 방법 및 장치의 구성이 개시되어 있다.

한편, 상업적으로 적절한 쾌속 조형기의 경우 대부분 합성수지 분말을 조형하여 시제품을 제조하므로, 완성된 제품 자체가 합성수지 재질로 이루어지므로, 상대적 운동이 발생하는 기계 부품에 사용하기에는 무리가 있으나, 일정 수준 이상의 강도가 구현되는 경우에는 항공 등 무게를 중시하는 제품의 구조물로는 작용할 수 있는 가능성은 있다.

특히 항공기에 사용되는 브라켓의 경우에는 하중을 지탱하는 구성물이 아닌 케이블 등의 지지를 위하여 사용되므로, 일반적인 굽힘 강도만 보장되는 경우 합성수지로 제작하더라도 항공용 부품으로 적용 가능하다. 그러나 브라켓 자체의 형상은 종래 금속 재료로 제조되는 것을 기준으로 설계되어 있으므로, 동일한 형상으로 제작하는 경우에는 강도가 약화되어 실제 항공용 부품으로 사용할 수 없는 단점이 있다.

본 발명은 종래 금속을 기본으로 설계된 항공용 브라켓을 쾌속 조형기를 이용하여 제작하더라도 금속 재질의 브라켓과 동일한 강도 특성을 나타내도록 재설계하는 항공용 브라켓의 설계 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 쾌속 조형기로 제조하기 위한 항공용 브라켓의 설계 방법에 있어서, 기본 브라켓의 형상 정보, 경계조건, 하중조건, 금속 재료의 재질적 특성, 합성수지 재질의 재질적 특성을 입력하는 기본 조건 입력 단계; 상기 기본 조건 입력 단계에서 입력된 정보를 이용하여 구조 해석을 수행하는 기본 구조 해석 단계; 상기 기본 브라켓의 강도 증가를 위하여, 스티프너, 패드업 및 코너비드 중 선택된 어느 하나 이상을 적용하는 브라켓 형상 변경 단계; 및 상기 브라켓 형상 변경 단계를 통하여 변경된 브라켓을 합성수지 재질로 구조 해석한 후, 변형 또는 응력을 상기 기본 구조 해석 단계의 결과와 대비하여 판단하는 변경 해석 및 판단 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 브라켓 형상 변경 단계에서는 사전에 정의된 다수의 스티프너 중 하나를 선택하여 브라켓의 형상을 변경하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 브라켓 형상 변경 단계에서는 사전에 정의된 다수의 패드업 중 하나를 선택하여 브라켓의 형상을 변경하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 브라켓 형상 변경 단계에서는 사전에 정의된 다수의 코너비드 중 하나를 선택하여 브라켓의 형상을 변경하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 변경 해석 및 판단 단계에서의 응력은 주응력의 절대값이며, 응력 추출 지점은 코너부에 위치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 변경 해석 및 판단 단계에서의 변형 추출 지점은 브라켓 면 끝단에 위치하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 항공용 브라켓의 설계 방법은 기존 금속 재질의 항공용 브라켓을 일부 구성을 보강하여 쾌속 조형기를 통하여 제작하더라도 동일한 강도를 제공하므로 실제 항공용 부품으로 사용할 수 있는 효과를 제공하며, 또한 다양한 크기의 항공용 브라켓들도 적용할 수 있으므로, 다품종 소량 생산이 많은 항공용 부품의 제조에 높은 유연성을 제공하며, 일부 공급되지 않는 부품이나, 오랜 공급 기간이 필요한 부품의 경우 바로 제조하여 사용할 수 있으므로, 항공기의 유지 보수가 편리한 효과를 제공한다.

도 1은 본 발명에 따른 항공용 브라켓 설계 방법을 적용하기 위한 브라켓의 사시도이며,
도 2는 본 발명에 따른 항공용 브라켓의 설계 방법에 따른 절차도이며,
도 3은 도 1에 스티프너를 적용한 브라켓의 사시도이며,
도 4는 도 1에 패드업을 적용한 브라켓의 사시도이며,
도 5는 도 1에 코너비드를 적용한 브라켓의 사시도이다.

이하 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

본 발명에 따른 항공용 브라켓의 설계 방법은 도 1에 도시된 금속 재질의 브라켓(10)을 합성수지로 제조하였을 경우 동일한 강도를 나타내는 형상을 설계하는 방법에 관한 것이다.

상기 브라켓(10)은 동일한 두께의 2개의 면(11)이 L형으로 구성된다. 또한 코너부(20)는 원호로 구성되고, 양면에는 브라켓(10) 고정을 위한 다수의 홀(30)이 형성되는 것을 기본으로 하나, 필요한 경우 두께는 동일하지 않는 구성도 포함한다.

본 발명의 따른 항공용 브라켓의 설계 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 기본 조건 입력 단계(S1), 기본 구조 해석 단계(S2), 스티프너 적용 단계(S3), 스티프너 해석 및 판단 단계(S4), 패드업 적용 단계(S5), 패드업 해석 및 판단 단계(S6), 코너비드 적용 단계(S7), 코너비드 해석 및 판단 단계(S8)를 포함하여 구성된다.

이하 상기 단계들을 구체적으로 설명한다.

기본 조건 입력 단계(S1)

기본 조건 입력 단계(S1)는 금속재질의 기본적인 브라켓(10)의 형상과, 경계조건, 하중 조건 및 재질적 조건을 입력하고, 추가적으로 쾌속 조형기를 통하여 제조된 경우 성형물의 탄성계수 등 재질적 수치를 입력한다. 상기 수치는 실제 쾌속 조형기에 사용되는 합성수지를 기준으로 입력한다.

또한, 경계조건의 경우에는 브라켓(10)의 일면 전체를 고정하는 것으로 정의하고, 하중은 실제 항공기에 적용되었을 경우의 값으로 설정한다.

기본 구조 해석 단계(S2)

상기 기본 조건 입력 단계(S1)에 의하여 입력된 형상 정보, 경계조건, 하중 조건 및 금속 재질 특성을 고려하여 구조 해석을 수행한다.

상기 구조 해석은 유한요소해석법을 통하여 수행하는 것이 바람직하며, 브라켓(10)의 고정되지 않은 면 중 경계면과 가장 먼 끝단을 변형 기준 점으로 설정하고, 상기 변형 기준점의 변형을 추출한다.

한편 응력을 추출하는 경우에는 가장 높은 응력이 발생하는 코너부(20)를 응력 기준점으로 설정하고, 상기 응력 기준점의 응력을 추출한다.

상기 응력은 6개의 요소로 표현되므로, 대비의 편리를 위하여 가장 큰 주응력으로 변환하여 추출한다.

스티프너 적용 단계(S3)

상기와 같은 금속재질의 기본 브라켓(10)의 구조 해석이 완료되면, 브라켓(10)의 변경 설계를 진행한다. 이때 설계조건은 크기는 동일해야 하면, 또한 홀(30)의 위치와 코너부(20)의 크기 등을 변경하지 않고, 강도를 증가시키기 위하여 변경 설계해야 한다. 이는 동일한 위치에 설치하기 위한 필수 조건이다.

초기 변형 설계는 도 3에 도시된 바와 같이, 브라켓(10) 코너부(20)에 스티프너(40)를 추가하는 방식으로 진행한다.

이때 상기 스티프너(40)는 간섭이 발생하지 않는 다양한 형태로 구현 가능하며, 사전에 해석된 데이터를 활용하여 추가한다.

특히 상기 스티프너(40)는 브라켓(10)의 크기와 두께를 변화시키기 않고, 굽힘 강도를 증가시키는 역할을 하므로, 초기에 적용하기에 매우 유리하다.

스티프너 해석 및 판단 단계(S4)

상기 스티프너 추가 단계(S3)를 통하여 변경된 브라켓(10)의 구조 해석을 실시하여, 응력 기준점 응력 또는 변형 기준점의 변형을 추출한다.

본 단계에서 구조 해석의 조건은 경계 조건과 하중 조건은 기본 구조 해석 단계(S2)와 동일하고, 재질적 조건은 합성수지로 한정한다.

해석 결과 상기 응력 기준점의 응력과 변형 기준점의 변형을 기본 구조 해석 단계(S2)의 결과와 서로 대비하여 기본 구조 해석 값(절대값 기분)보다 같거나, 커면, 설계를 완료하고, 낮은 경우에는 일정한 회수로 반복하여 스티프너(40)의 크기를 증가시켜 상기 스티프너 적용 단계(S3)와 본 단계(S4)를 반복하여 수행하나, 수용할 수 있는 최대 스티프너(40) 크기에서 중단한다.

패드업 적용 단계(S5)

상기 스티프너 적용 단계(S3)에서 추가된 스티프너(40)이외에 설계 변형을 적용하는 단계로 본 단계에서는 도 4에 도시된 바와 같이, 홀(30) 주변의 일정한 면적의 두께를 증가시키는 패드업(50)을 적용하는 단계이다.

이때 상기 패드업(50) 역시 다름 부품들과 간섭이 발생하지 않는 다양한 형태로 구현 가능하며, 사전에 해석된 데이터를 활용하여 다양한 형태의 패드업(50)을 나열하고, 사용자가 해당 패드업(50)을 선택하도록 구현된다.

패드업 해석 및 판단 단계(S6)

상기 패드업 적용 단계(S5)를 통하여 변경된 브라켓(10)의 구조 해석을 실시하여, 응력 기준점 응력 또는 변형 기준점의 변형을 추출한다.

본 단계에서 구조 해석의 조건은 경계 조건과 하중 조건은 기본 구조 해석 단계(S2)와 동일하고, 재질적 조건은 합성수지로 한정한다.

해석 결과 상기 응력 기준점의 응력과 변형 기준점의 변형을 기본 구조 해석 단계(S2)의 결과와 서로 대비하여 기본 구조 해석 값(절대값 기분)보다 같거나, 커면, 설계를 완료하고, 낮은 경우에는 일정한 회수로 반복하여 패드업(50)의 형태를 변경시켜 상기 패드업 적용 단계(S5)와 본 단계(S6)를 반복하여 수행하나, 수용할 수 있는 최대 패드업(50) 크기에서 중단한다.

코너비드 적용 단계(S7)

스티프너(40)와 페드업(50)이외에 설계 변형을 적용하는 단계로 본 단계에서는 도 5에 도시된 바와 같이, 브라켓(10) 면(11) 테두리부의 두께를 일정한 폭과 두께로 추가형성하는 코너 비드(60)를 추가 형성하는 단계이다.

상기 코너비드(60)는 상기 브라켓(10) 2면 중 구조물에 결합하는 부위에 적용하는 것이 바람직하나, 양 면(11) 모두에 적용할 수 있다.

이때 상기 코너비드(60) 역시 다름 부품들과 간섭이 발생하지 않는 다양한 형태로 구현 가능하며, 사전에 해석된 데이터를 활용하여 다양한 형태의 코너비드(60)를 나열하고, 사용자가 해당 코너비드(60)를 선택하도록 구현할 수 있으며, 상기 방식이 사용자의 편리성을 제공한다.

코너비드 해석 및 판단 단계(S8)

상기 코너비드 적용 단계(S7)를 통하여 변경된 브라켓(10)의 구조 해석을 실시하여, 응력 기준점 응력 또는 변형 기준점의 변형을 추출한다.

본 단계에서 구조 해석의 조건은 경계 조건과 하중 조건은 기본 구조 해석 단계(S2)와 동일하고, 재질적 조건은 합성수지로 한정한다.

해석 결과 상기 응력 기준점의 응력과 변형 기준점의 변형을 기본 구조 해석 단계(S2)의 결과와 서로 대비하여 기본 구조 해석 값(절대값 기분)보다 같거나, 커면, 설계를 완료하고, 낮은 경우에는 일정한 회수로 반복하여 코너비드(60)의 형태를 변경시켜 상기 코너비드 적용 단계(S7)와 본 단계(S8)를 반복하여 수행하나, 수용할 수 있는 코너비드(60) 크기에서 중단한다.

한편, 본 발명에 따른 항공용 브라켓의 설계 방법은 기본 조건 입력 단계(S1), 기본 구조 해석 단계(S2)는 반드시 포함하나, 스티프너(40)의 적용과 해석 판단, 패드업(50)의 적용과 해석 판단 및 코너비드(60)의 적용과 해석 판단은 개별적으로 또는 동시에 또는 2개를 먼저 1개의 이후 또는 1개를 먼저 2개를 이후에 선택적으로 진행할 수 있다.

굽힘 강도 측면에서는 스티프너(40)의 적용이 가장 효과적이므로, 먼저 스티프너(40)를 적용하여 90정도의 강도를 도달한 후, 나머지 강도 증가를 패드업(50)과 코너비드(60)로 완료하는 방식으로 진행할 수 있다.

이때 상기 3개의 구성 중 선택된 어느 하나 이상을 추가한 브라켓(10)의 형상 변경을 브라켓 형상 변경 단계로 정의하고, 상기 브라켓 형상 변경 단계에서 수행하는 구조 해석과 판단을 변경 해석 및 판단 단계로 정의하여 본 발명을 표현할 수도 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 이러한 실시예에 한정되지 않으며, 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위내에서 실시할 수 있는 다양한 형태의 실시예들을 모두 포함한다.

10: 브라켓 11: 면
20: 코너부 30: 홀
40: 스티프너 50: 패드업
60: 코너비드
S1: 기본 조건 입력 단계 S2: 기본 구조 해석 단계
S3: 스티프너 적용 단계 S4: 스티프너 해석 및 판단 단계
S5: 패드업 적용 단계 S6: 패드업 해석 및 판단 단계
S7: 코너비드 적용 단계 S8: 코너비드 해석 및 판단 단계

Claims (6)

1. 쾌속 조형기로 제조하기 위한 항공용 브라켓의 설계 방법에 있어서,
   기본 브라켓의 형상 정보, 경계조건, 하중조건, 금속 재료의 재질적 특성, 합성수지 재질의 재질적 특성을 입력하는 기본 조건 입력 단계;
   상기 기본 조건 입력 단계에서 입력된 정보를 이용하여 구조 해석을 수행하는 기본 구조 해석 단계;
   상기 기본 브라켓의 강도 증가를 위하여, 스티프너, 패드업 및 코너비드 중 선택된 어느 하나 이상을 적용하는 브라켓 형상 변경 단계; 및
   상기 브라켓 형상 변경 단계를 통하여 변경된 브라켓을 합성수지 재질로 구조 해석한 후, 변형 또는 응력을 상기 기본 구조 해석 단계의 결과와 대비하여 판단하는 변경 해석 및 판단 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 항공용 브라켓의 설계 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 상기 브라켓 형상 변경 단계에서는 사전에 정의된 다수의 스티프너 중 하나를 선택하여 브라켓의 형상을 변경하는 것을 특징으로 하는 항공용 브라켓의 설계 방법.
   
3. 청구항 1에 있어서, 상기 브라켓 형상 변경 단계에서는 사전에 정의된 다수의 패드업 중 하나를 선택하여 브라켓의 형상을 변경하는 것을 특징으로 하는 항공용 브라켓의 설계 방법.
   
4. 청구항 1에 있어서, 상기 브라켓 형상 변경 단계에서는 사전에 정의된 다수의 코너비드 중 하나를 선택하여 브라켓의 형상을 변경하는 것을 특징으로 하는 항공용 브라켓의 설계 방법.
   
5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변경 해석 및 판단 단계에서의 응력은 주응력의 절대값이며, 응력 추출 지점은 코너부에 위치하는 것을 특징으로 하는 항공용 브라켓의 설계 방법.
   
6. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 변경 해석 및 판단 단계에서의 변형 추출 지점은 브라켓 면 끝단에 위치하는 것을 특징으로 하는 항공용 브라켓의 설계 방법.
   

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