기존 CubeSat 구조와 격자형 수정 구조의 유한요소 구조해석 비교

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확장요약문

CubeSat은 발사 과정에서 준정적 가속도, 광대역 랜덤진동 및 프레임 부재의 좌굴에 노출되므로 구조 설계 단계에서 고유진동 특성, 방향별 가속 하중, 랜덤진동 응답 및 압축 안정성을 함께 검토할 필요가 있다. 본연구에서는 측면에 대각 리브가 집중된 기존 1U CubeSat 프레임과 측면 리브를 반복 격자형으로 재배치한 수정프레임의 구조 응답을 동일한 모델링, 경계 및 하중 조건에서 정량적으로 비교하였다. 두 형상은 외곽 치수, 체결위치 및 질량(약 550 g)이 같으며, 내부 탑재체를 포함하지 않은 프레임 단독 모델이다.

해석은 Autodesk Inventor Nastran으로 수행하였으며, 4절점 선형 사면체 요소와 RBE2 스파이더 방식의 볼트 체결 모델을 사용하였다. 준정적 하중은 SpaceX Rideshare Payload User’s Guide의 하중계수(축방향 7.4 g, 횡방향 12.9 g)를 등가 관성하중으로 적용하였고, 랜덤진동 해석은 Falcon User’s Guide의 랜덤진동 MPE를 근사한 기저가속도 PSD(약 5.04 g RMS, 모달 감쇠비 2%)를 입력하였으며, 선형 좌굴은 레일당 1000 N의 압축 기준하중에 대한 1차 좌굴계수와 임계좌굴하중으로 평가하였다. 재료는 알루미늄 합금의 대표 물성(E = 72,000 MPa)을 적용하였고, 6061-T6의 대표 항복강도 276 MPa와 안전계수 1.56을 기준으로 참고 안전여유를 산정하였다.

Table 1과 같이 1차 고유진동수는 0.09% 차이로 동등하였고 4차와 5차 모드는 2.72%와 3.16% 증가하였다. 준정적 해석에서 수정 형상의 최대 von Mises 응력은 X 방향에서 7.85% 감소하고 Z 방향에서 5.90% 증가하였으며, 랜덤진동 해석에서는 최대 RMS von Mises 응력이 X 및 Z 방향에서 각각 3.46%와 9.06% 감소하였다. Y 방향은 두 해석 모두 ±2% 이내였다. 1차 좌굴계수는 0.91% 차이에 그쳤고 기준하중 상태의 최대응력은 5.63% 감소하였으며, 참고 안전여유는 모든 조건에서 양의 값이었다. 따라서 격자형 수정 형상은 1차 고유진동수와 좌굴계수를 유지하면서 일부 방향에서 응력 저감 효과를 보였으나 그 효과는 하중 방향과 해석 종류에 따라 달랐으며, 방향별 응답을 보다 균일하게 하려면 Z 방향 하중 경로를 고려한 리브 배치의 추가 검토가 필요하다.