In this research, the nonlinear aeroelastic characteristics of a rotating wrap-around fin with free-play nonlinearity are investigated in the subsonic and supersonic flow region. The aerodynamic forces are computed by solving the Euler equations in a body-fixed rotating coordinate frame. The roll moment coefficients are compared with the result of the wind tunnel test. It is observed that wrap-around fins produce roll moment even at zero angle of attack and that there is a roll reversal. The nonlinear static and normal mode analyses for a rotating wraparound fin are performed using MSC/NASTRAN. Both frequency and time domain nonlinear aeroelastic analysis are performed. The V-g method is used for aeroelastic analysis in the frequency domain and the transient pulse method is employed to obtain generalized aerodynamic forces which are necessary to calculate flutter solutions by the V-g method. The results are shown to compare with the time-history responses obtained by integration of the equations of motion, using Karpel’s minimum state approximation time-domain aerodynamics. It is shown that the flutter characteristics with the roll spin are dependent on the pitch stiffness of the root. The effects of the free-play nonlinearity and rolling motion of a wrap-around fin on aeroelastic characteristics are investigated. Nonlinear aeroelastic analysis results show that the roll direction and the roll rate of a wrap-around fin with free-play nonlinearity significantly affect the limit cycle oscillation behavior. Thus, it is necessary to consider the free-play nonlinearity, in order to analyze the aeroelastic characteristics of a rotating wrap-around fin.
본 논문에서는 아음속 및 초음속 영역에서 유격 비선형을 가진 회전 곡면날개에 대한 비선형 공탄성 특성을 연구하였다. 회전을 고려한 공기력 계산을 위해 오일러 코드를 이용하였으며, 공기력 해석 결과는 풍동시험 결과와 비교되었다. 곡면날개의 중요한 특징 중의 하나인 받음각이 없는 상태에서도 롤 모멘트가 발생한다는 점과 유동속도가 증가함에 따라 롤 회전 방향이 바뀐다는 점을 확인할 수 있었다. 회전 관성력에 의한 구조 변형을 고려한 모드 해석을 위해 상용 프로그램인 MSC/NASTRAN 비선형 정적 해석을 사용하였다. 주파수 영역 및 시간 영역에서 모두 공탄성 해석이 수행되었다. 주파수 영역에서의 공탄성 해석을 위해 V-g 방법이 적용되었으며, 이 때 플러터 해를 얻기 위해 요구되는 일반화된 공기력 계산에는 과도충격법이 사용되었다. 그 결과는 Karpel의 최소상태 근사법을 통한 시간 영역 해석 결과와 비교되었다. 날개 루트의 피치 강성에 따라 회전에 의한 플러터 특성이 달라질 수 있음을 확인하였다. 곡면날개가 갖는 유격 비선형 및 롤 회전 운동이 그 공탄성 특성에 미치는 영향을 조사하였다. 비선형 공탄성 해석 결과 유격 비선형을 갖는 곡면 날개의 경우 유격의 크기나 유동속도뿐 아니라 회전 방향 및 회전 크기가 제한주기진동 거동에 중요한 영향을 끼침을 알 수 있었다. 유격을 고려하지 않은 경우에는 회전 방향에 따라 그 플러터 결과에 있어 차이가 크지 않았으나, 유격 비선형을 고려한 경우에는 회전 방향에 따라 공탄성 해석 결과에 있어 상당한 차이가 있음을 확인할 수 있었다. 회전하는 곡면날개에 대한 공탄성 특성을 파악하기 위해서는 실제 구조물에 가깝게 유격을 고려한 해석 수행이 필수적임을 알 수 있었다.
