풍력블레이드는 가벼워야 하며 강도면에서 신뢰성이 확보되어야한다. 최근 들어 복합소재를 적용한 블레이드가 많이 선보이고 있다. 현재 가장 많이 사용되는 유리섬유/에폭시는 경제성 및 강도면에서 우수하여 많이 사용되어왔다. 본 논문에서는 유리섬유(80%)-탄소섬유(20%)/에폭시를 사용하여 강도를 높이고 무게를 경감시켜 효율을 증가시키고자 연구하였다. 국내 풍황에 적합한 1kW급 풍력블레이드의 Airfoil을 개발하여 강도를 평가하고 블레이드를 최적화 설계하였다. 유리섬유(80%)-탄소섬유(20%)가 적용된 복합재를 적층방법에 따라 실험하고 이를 블레이드 강도평가에 적용하였으며 FSI (Fluid-Structure Interaction)를 사용하였다. 이를 통해 블레이드의 무게경감 및 강도가 향상되었다.
In this study, the thickness optimization for uni-directional (UD) glass fiber reinforced polymer (GFRP) laminates of the spar cap of composite tidal blades was performed under the tip deflection constrains. The spar cap was composed of GFRP composites and carbon fiber reinforced polymer (CFRP) composites. The stress distributions in the blade as well as its material costs for the optimized results were additionally investigated. The optimized thickness was obtained by interacting a sequential quadratic programming (SQP) algorithm and an ABAQUS software to calculate an objective function. It was confirmed that the thickness of UD GFRP increased with a decrease of the restrained tip deflection when a thickness of UD CFRP laminates was constrained to 9 mm. The weight of the optimized spar-cap increased up to 96.2% while the maximum longitudinal tensile stress decreased up to 24.6%. The thickness of UD GFRP laminates increased with a decrease of the thickness of UD CFRP laminates when the tip deflection was constrained to 126.83 mm. The weight increased up to 40.1%, but the material cost decreased up to 16.97%. Finally, the relationships among the weight, internal tensile stress, and material costs were presented based on the optimized thicknesses of the spar cap.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.48
no.6
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pp.411-418
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2020
In this paper, approximation and optimization methods are proposed for the structural performance of the composite fan blade. Using these methods, we perform the optimal design of the stacking sequence to maximize stiffnesses without changing the mass and the geometric shape of the composite fan blade. In this study, the lamination parameters are introduced to reduce the design variables and space. From the characteristics of lamination parameters, we generate response surface model having a high fitness value. Considering the requirements of the optimal stacking sequence, the multi-objective optimization problem is formulated. We apply the two-step optimization method that combines gradient-based method and genetic algorithm for efficient search of an optimal solution. Finally, the finite element analysis results of the initial and the optimized model are compared to validate the approximation and optimization methods based on the lamination parameters.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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2005.04a
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pp.163-166
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2005
사이클로콥터는 회전축에 평행하게 회전하는 블레이드로 구성된 사이클로이드 블레이드 시스템으로부터 추력을 얻는 수직이착륙 무인기이다. 본 논문에서는 공기역할을 고려한 최적 설계를 통해 결정된 로터 형상을 갖는 사이클로콥터에 대해서 구조 해석을 수행하였다. 복합재료 블레이드의 적층각, 적층수 등을 MSC/NASTRAN 과 반응면 기법 등에 의해서 결정하였다. 블레이드를 포함한 로터 정적 해석을 통해 각 요소가 허용 응력 이내의 값을 가짐을 확인하였고, 동적 해석을 통해 주요 저차 모드가 로터 회전과 불일치하게 함으로써 공진의 가능성을 없앴다.
Proceedings of the Korean Society For Composite Materials Conference
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1999.11a
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pp.264-267
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1999
복합적층판은 일반적으로 균일한 두께를 갖는 평평한 구조물을 형성하게 된다. 그러나 실제 적용시 적층판의 테이퍼링(tapering)이 요구되는 경우가 존재한다. 테이퍼진 복합재 구조물의 적용분야는 항공기의 날개, 수직/수평 안정판 및 헬리콥터의 로터 블레이드 등이다. (중략)
Hwang In Seong;Hwang Chang Sup;Kim Min Ki;Kim Seung Jo
Composites Research
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v.18
no.4
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pp.52-58
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2005
A cyclocopter propelled by the cycloidal blade system, which can be described as a horizontal rotary wing, is a new concept of VTOL vehicle. In this paper, optimized structure design is carried out for the aerodynamically optimized cyclocopter rotor system. Database is obtained fer design variables such as stacking sequence (ply angles), number of plies and spar locations through MSC/NASTRAN and optimum values are determined by RSM and some other optimizing processes. For the rotor system including optimized blade and composite hub m, the maximum stress by static analysis is within the failure criteria. And the rotor system is designed for the purpose of avoiding possible dynamic instabilities by inconsistency between frequencies of rotor rotation and some low natural frequencies of rotor.
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.46
no.7
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pp.575-582
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2018
The spaceborne cooler is applied to cool down of the focal plane of the infrared detector of the observation satellite. However, this cooler induces unnecessary micro-jitter which can degrade the image quality of the high-resolution observation satellite. In this study, we proposed a multi-layered blade type vibration isolator to attenuate micro-vibration generated from a spaceborne cooler, while assuring structural safety of the cooler under severe launch loads without an additional launch-lock device. The blade of the isolator is formed with multi-layers in order to obtain durability against fatigue failure and an adhesive is applied between each layers for granting high damping capability under launch vibration environment. In this study, the basic characteristics of the isolator were measured using the free-vibration test. The effectiveness of the isolator design was demonstrated by launch vibration test at qualification level.
Kim, Young-Jin;Park, Cha-Hwan;Kim, Hong-Joo;Shim, Han-Seok
Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences
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v.41
no.5
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pp.415-421
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2013
This paper contains a review of problems in the localized blade manufacturing process through KUH program and research for improvement of it. Contrary to development, mass production needs reliable process due to the long period of supply. The main process of blade manufacturing(Lay-Up, Curing) accepts new equipment(Robot, Heatmold) for improvement of it. And then, the evaluation is performed. Additionally, it is proven that blade which is made by the new process is suitable for mass production by conducting a performance test in the development phase.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.21
no.11
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pp.1765-1772
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1997
The layered composites have a character to change of structure stiffness with respect to the layup angles. The deformations in the fan-blades to be initially designed by considering efficiency and noise, etc., which arise due to the pressure during the fan operation, can make the fan inefficient. Thus, so as to minimize the deformations of the blades, it is needed to increase the stiffness of the blades. An investigation has been performed to develop the three dimensional layered composite shell element with the drilling degree of freedom and the optimization module for finding optimal layup angles with sensitivity analysis. And then they have been verified. In this study, the analysis model is engine cooling fan of automobile. In order to analyzes the stiffness of the composite fan blades, finite element analysis is performed. In addition, it is linked with optimal design process, and then the optimal angles that can maximize the stiffness of the blades are found. In the optimal design process, the deformations of the blades are considered as multiobjective functions, and this results minimum bending and twisting simultaneously.
Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A
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v.36
no.9
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pp.1053-1057
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2012
In this study, the temperature-dependency of the tensile properties of a glass fiber reinforced plastic (GFRP) used in wind turbine blades was examined. The tensile strength, elastic modulus, and Poisson's ratio of the tensile specimen manufactured from uniaxial ($0^{\circ}$) and triaxial ($0/{\pm}45^{\circ}$) laminate composite plates were measured at four different testing temperatures-room temperature, $-30^{\circ}C$, $-50^{\circ}C$, and $60^{\circ}C$. It was found that the tensile strengths and elastic moduli of the uniaxial laminates were greater than those of the triaxial laminates over the testing temperature range. The tensile strength of the two laminates was significantly dependent on the testing temperature, while the dependency of the elastic modulus on the temperature was insignificant. Furthermore, it could be considered that the Poisson's ratio changed slightly with a change in the testing temperature.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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