[창의적공학설계] CFD를 이용한 Skeleton Helmet 형상의 공기역학적 최적화 설계

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소개글

[창의적공학설계] CFD를 이용한 Skeleton Helmet 형상의 공기역학적 최적화 설계에 대한 자료입니다.

1. 설계 문제 및 목표
2. 설계 구성 요소
3. 설계 제한요소
4. 교재 및 참고 문헌

본문내용

1. 설계 문제 및 목표
최근 2018 평창동계올림픽 유치로 인해 동계올림픽 종목에 대한 관심이 대두되고 있다. 1988년 서울 올림픽, 2002년 한일월드컵을 성공적으로 개최하고 개최국의 이점을 살려서 좋은 성적을 낸 우리나라는 2018년에 개최할 평창동계올림픽에서도 역대 최고의 성적을 내는 것이 목표이다. 동계올림픽의 종목에는 일반인들에게도 많이 알려진 쇼트트랙, 스키점프, 피겨스케이팅을 포함해서 총 15가지가 있다. 그 가운데 비인기 종목으로 알려진 봅슬레이, 스켈레톤에 대한 관심도 높아지고 있다. 스켈레톤은 2002년 처음 동계올림픽에 출전한 비인기 종목이다. 스켈레톤은 썰매를 머리가 정면으로 향하도록 엎드린 자세로 얼음 트랙을 활주하는 종목이다. 이 종목의 승패는 이틀동안 총 4차례 반복하여 경주하고 그 기록의 합산으로 정해진다. 스켈레톤의 트랙길이는 1200~1300m, 최고속도는 100km이상까지 상승한다. 이렇게 빠른 속도로 활주하기 때문에 스켈레톤은 1000분의 1초 차이로 승패가 결정된다. 기록적으로 민감한 스켈레톤은 그만큼 외부요인에 의해서 성적이 크게 변화할 수 있다. 우리는 본 프로젝트를 통해 비인기종목으로 아직 장비의 개발이 많이 이루어지지 않은 스켈레톤을 공기역학적으로 재해석하고 분석을 통해 기록을 향상시킬 수 있도록 장비를 최적화하는 것이 목표이다.
2. 설계 구성 요소
2.1 목표 및 기준 설정 스켈레톤의 공기역학적 재해석과 그를 통한 장비의 최적화를 본 프로젝트의 목표로 결정했다. 스켈레톤의 장비는 크게 선수가 입는 수트, 신발, 헬멧과 기본적인 장비인 스켈레톤이 있다. 우리는 이 장비 가운데 경기 기록향상에 큰 영향을 끼치고 경기규칙 내에서 변화시킬 수 있는 장비를 선택하여 최적화해야 했다. 스켈레톤 장비의 기록에 대한 Sensitivity는 Star-ccm이라는 상용툴을 이용한 결과를 분석하여 비교하였다. Star-ccm을 기본적인 스켈레톤에 적용한 결과는 다음과 같다.

Figure 1. 스켈레톤 주행 시 압력분포
스켈레톤 경기 중에 속도에 민감하게 반응하는 장비는 위와 같은 pressure scene을 통해 확인할 수 있다. Figure 1.에서 볼 수 있듯이, 스켈레톤 주행 중 큰 압력이 가해지는 부위는 헬멧에서의 이마, 선수의 어깨, 그리고 스켈레톤 썰매의 정면부이다. 이 3가지 중, 국제 봅슬레이스켈레톤연맹에서 발행한 스켈레톤 규정이 허락하는 범위 내에서 개발과 변형이 가능하고, 공기역학적으로 상대적으로 큰 효율이 발생할 수 있는 부분을 채택하여 parameter를 선정하고 그 parameter를 최적화하는 개략적인 과정을 설정했다. 이러한 과정을 통해서 최적화된 스켈레톤 장비를 착용한 경우와 일반적인 스켈레톤 경기조건을 기준으로 비교했을 때, 항력이 감소하여 속도가 증가하는 것을 최종목표로 하였다.
2.2 분석
앞서 제시된 스켈레톤의 기본적인 조건에서의 pressure 분포도를 살펴보면, 압력이 최대로 가해지는 부분은 헬멧의 이마, 선수의 어깨, 스켈레톤 썰매의 정면부이다. 한국 봅슬레이스켈레톤연맹에서 사용하고 있는 규정에서 헬멧과 스켈레톤 썰매에 대한 제한조건을 확인할 수 있다.
헬멧에 대한 제한조건은 다음과 같다.

요악하자면, 헬멧은 기본적으로 머리와 귀를 덮는 형상이어야 한다. 머리와 귀를 덮는 형상이며 안전을 위해서 shell 안쪽으로 최대 3cm의 padding이 존재할 수 있다. 또 spoiler와 같은 돌출부는 허용되지 않는다. 돌출부 이외에도 tape과 같은 공기역학적으로 영향을 줄 수 있는 추가적인 부착물을 금지된다.
스켈레톤 썰매에 대한 제한조건은 다음과 같다.

Figure 3. 국제 봅슬레이스켈레톤 연맹의 스켈레톤 크기규격
스켈레톤의 규정은 스켈레톤을 구성하고 있는 손잡이, 날, 전면부 후면부와 내부 프레임에 대한 규정이 존재한다.
Figure 1.을 통한 스켈레톤 주행 시의 압력분포와 국제 스켈레톤 규정에 따라 헬멧에 대한 변형과 최적화가 가장 변형할 수 있는 요소가 다양하고 효과적일 것이라고 예상할 수 있다. 이에 따라 우리는 스켈레톤의 공기역학적 재해석과 그를 통한 장비의 최적화를 본 프로젝트의 목표를 헬멧에 대한 최적화로 더욱 구체화된 목표로 설정하였다

#공기역학 #최적화 #창의적공학설계 #CFD #Skeleton

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