기존의 헬리콥터 모델링은 주로 많은 가정들을 통한 수식 전개에 의존해 왔기 때문에 모델링이 어렵고, 특정 구간에서만 활용 가능하며, 모델링 구성이 바뀌면 많은 수정이 거쳐야 한다는 단점들이 제기되어 왔다. 본 연구에서는 다물체 동역학 기법을 적용한 헬리콥터 시뮬레이션 프로그램을 개발하여 AH-1 헬리콥터에 대한 모델링을 수행하였고, 또한 시뮬레이션 결과를 비행 시험 데이터 및 상용 헬리콥터 시뮬레이션 분석 도구인 FLIGHTLAB과 비교하여 그 가능성을 확인해 보았다.
고기동 유도탄들은 다양한 탄내 인터페이스와 빠른 유도 조종 루프를 가진다. 그러므로 Hardware-in-the-Loop(HWIL) 시뮬레이션 제어 시스템은 고성능의 연산기능 및 하드웨어 인터페이스 기능을 가져야 하며, 실시간 운영체제, 임베디드 시스템, 자료 통신, 실시간 하드웨어 제어와 같이 다양한 IT 분야를 융합하여 개발되어야 한다. 이 논문은 고기동 유도탄의 HWIL 시뮬레이션을 수행하기 위한 제어 시스템 설계 기법으로 시스템 하드웨어 구성, 고성능의 다중 프로세서를 사용하기 위한 업무 할당 알고리즘, HWIL 시뮬레이션 실시간 연산 및 제어 기법, 프로세서 통신 기법, 실시간 자료 획득 기법을 제시한다.
극 저 에너지 실리콘 이온 주입 시뮬레이션을 통하여 실리콘 내부에서 발생하는 격자 손상에 대하여 고전분자 동역학을 사용하여 시뮬레이션 하였다. 또한 최근에 개발된 EDIP 전위식이 실리콘 충돌 계산에 적합한지 여부를 분자 동역학을 사용하여 계산하였다. EDIP 전위식은 평형상태 계산에 알맞지만 충돌을 계산하는데는 적합하지 않았다. 또한 MDRANGE를 실리콘 공정에 맞도록 향상시켜 200eV, 500eV, 그리고 1000eV 에너지 붕소 이온 주입 시뮬레이션을 수행하여 실리콘 기판의 온도, 기울기 각도 및 에너지에 따른 붕소의 분포를 계산하였다. 1000eV 이하 에너지 붕소 이온 주입에서도 체널링 현상에 대한 고려가 필요하다는 것을 알 수 있었다.
현대의 항공기는 고성능이면서도 경량이다. 그래서 유연한 구조물의 특성이 나타나며 비행 성능에 영향을 미치거나 한계를 짓기도 한다. 이러한 유연 특성은 항공기 설계 초기 단계부터 분석이 필요한데, 이를 위해 유연 항공기의 동적·정적 거동을 분석할 수 있는 프로그램을 개발하였으며, 그 결과를 제시한다. 다물체 동역학 시뮬레이션 기법에 기반하여, 강체 비행 역학, 구조 진동 거동, 그리고 비정상 공기력 등을 세부 모듈로 개발하고 통합하였다. 마지막으로, 통합 시뮬레이션 프로그램을 이용하여 유연 특성 항공기의 등속 수평 비행과 선회비행을 분석하였다.
최근 전장환경의 급격한 변화와 고도화된 과학기술로 인해 무기체계의 성능은 매우 발전되었으며 세계 각국은 고성능, 고효율의 최신 무기체계 개발에 역량을 집중하고 있다. 개별 무기체계에 대응하여 새롭게 개발된 무기체계는 기존 무기체계에 대한 패러다임을 뛰어넘어 새로운 개념과 운용방식을 요구하고 있다. 무기체계의 효과를 규명하고 검증하기 위한 수단으로 가장 적합한 것은 실제전장에 무기체계를 투입한 실기동 실험을 통해 효과를 분석하는 것이다. 그러나 무기체계 효과분석을 위해 실기동훈련을 계획하고 실시하는 것은 비용 뿐 아니라 군사력 동원면에 있어서 비효율적이고 부담이 높은 단점이 있으므로, 국방시뮬레이션 기술을 활용하여 저비용 고효율의 모의분석을 실시함으로써 계량적인 효과분석을 수행하고 수치화된 판단 근거를 제공하는 것이 보다 바람직하다고 할 수 있다. 본 고는 대대급 이하 소부대의 전장상황에서 지상군 단위무기체계의 효과 분석을 수행할 수 있는 국방 시뮬레이션 모형의 개발 방향을 제시한다.
최근 컴퓨터 기술의 급속한 발전과 함께, 생산품질의 향상과 생산주기의 단축을 목적으로 유한요소법(FEM)과 다물체 동역학(multi-body dynamics)과 같은 시뮬레이션 기술(math-based engineering)이 산업계 전반에 폭넓게 적용되고 있다. 생산시스템 분야에서는 디지털 생산기술(digital manufacturing) 및 가상 생산기술(virtual manufacturing)의 개념이 소개되면서 생산시스템의 모델링 및 시뮬레이션에 관한 연구가 활발히 시도되고 있다. 그러나 아직까지 대부분의 시뮬레이션 기술이 구조해석과 같은 제한적으로 부문에서만 활용되고 있는 실정이며, 시뮬레이션 모델은 대상이 되었던 몇몇 특수한 경우에 제한적으로 사용될 수 있는 등의 한계를 보여 왔다.(중략)
본 연구에서는 수 많은 입자가 포함된 다물체 동역학 모델을 시뮬레이션 하여 그 결과를 도출하였다. 수 많은 입자들은 GPU 를 적용한 이산 요소법을 이용해 풀었다. 입자들의 Contact Force 를 계산하기 위해 Fast Algorithm 이 적용되었고 계산 속도 향상을 위해 NVIDIA 사의 CUDA 프로그래밍을 하였다. 입자들간의 계산은 Explicit 적분기가 사용되었으며 다물체 동역학은 순환 공식(Recursive Formulation)을 사용 하고 Implicit 적분기를 사용하였다. 입자들과 다물체 사이의 Contact Force 를 동시에 시뮬레이션 하기 위해서 입자동역학과 다물체 동역학의 통합해석을 할 수 있는 알고리즘을 개발하였다. 수치 실험의 예로서 화물트럭의 입자 영향을 알아 보기 위한 화물트럭 모델과 대부분의 동력 전달 장치에 사용되는 기어 모델을 시뮬레이션 하였다.
발사관은 탑재물을 보관하고 외부 환경으로부터 부식 및 파손되는 것을 방지하는 역할을 한다. 발사관과 유도탄의 제작, 조립 그리고 장입 상태에 따라 발사할 때 유도탄의 초기 거동을 결정하게 된다. 본 연구의 목적은 유도탄이 발사관에서 사출될 때 유도탄의 초기 거동을 결정하는 요소를 통계적으로 분석하여 발사관의 안전성을 확인하는 것이다. 유도탄이 발사될 때 거동에 영향을 주는 오차 요소들을 선정한 후 Monte-Carlo 시뮬레이션을 수행하여 통계적으로 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로, 각 오차 요소들을 고려한 다물체 동역학 해석을 상용프로그램인 Recurdyn을 이용하여 동역학 해석을 수행하여 유도탄 발사할 때 발생하는 중력 침하 및 레일과 슈 사이에 발생하는 응력을 구하였다. 해당 결과를 바탕으로 현재 설계된 발사관에 대한 안전성을 검증하였다.
본 논문에서는 브리징 스케일 분해를 기반으로 멀티스케일 문제에 대한 설계민감도 해석법을 개발하였다. 나노 기술의 급속한 발전으로 인해 나노 수준의 해석의 필요성이 지속적으로 증가하고 있다. 최근 분자동역학과 연속체역학의 연성문제에서 많은 해석 방법들이 개발되었다. 본 논문에서는 연성시스템 해석을 위해 브리징 스케일 기법을 사용한다. 전체 영역의 분자동역학 시스템의 해석은 많은 양의 계산 비용이 들기때문에 분자동역학과 연속체 시뮬레이션의 연성시스템을 선호한다. 분자동역학과 연속체 수준 사이의 정보 교환은 분자동역학과 연속체의 경계에서 일어난다. 브리징 스케일 법에서 일반화된 랑지벵 방정식은 축소된 영역의 분자동역학 시스템 해석을 위하여 요구되고, 시간이력 커널을 사용하여 구한 GLE 힘은 분자동역학 시스템에서 경계에 있는 원자들에 작용한다. 그러므로 분자동역학과 연속체 수준의 시뮬레이션을 분리해서 해석할 수 있으며 계산 과정을 가속시킬 수 있다. 연성문제의 시뮬레이션 이후에는 설계의 최적화를 위해 설계민감도 해석의 필요성이 자연스럽게 나타나며 전체 시스템의 성능은 나노 스케일의 효과를 고려해서 최적화된다. 설계구배 기반 최적화에서 설계민감도가 요구되지만 유한차분법으로 구한 민감도는 문제가 대형화될 때 계산비용의 제한때문에 비실용적이나 해석적 설계민감도는 효율적인 강점을 갖는다. 본 연구에서는 연성된 분자동역학-연속체 멀티스케일 문제에서 해석적 설계민감도를 유도하여 정확성과 향후 최적설계로의 활용 가능성을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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