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문제 정의
- 본 연구에서는 블로워의 가진력에 의한 구조기인 소음과 진동을 저감하기 위해 시뮬레이션을 통해블로워 절연 장치의 복소 강성을 일정 비율 변경하였다. 차체로 전달되는 진동을 저감하기 위해 블로워의 진동 상태를잘 나타낼 수 있는 위치에서 절연 장치 후의 RMS 가속도 값을 비교하였다17) Fig.
제안 방법
- 후에서의 각각의 가속도를 실험을 통해 측정한 후 그 결과 값과 절연 장치의 복소강성을 이용하여 각각의 절연 장치를 통해 흐른 진동 동력을 계산하였다 진동 동력을 계산하기 위 한식은 Pinnington의 진동 동력 관계식으로부터 유도된 단순한 방정식을 사용하였다.'" 그리고 다 물체 동역학 해석 소프트웨어인 MSC.ADAMS를 이용하여 블로워의 모델링 및 동적 해석을수행을 한후 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를12) 이용하여 진동 동력 흐름을 계산하였다. 실험과 시뮬레이션을 통해얻어진 블로워 절연 장치 전·후의 가속도 값을 비교하여 시뮬레 이션의 유효성을 검증하였고, 시뮬레이션 결과를 이용하여 계산한 진동 동력 흐름 값과 실험을 통해 계산된 진동 동력 흐름 값을 비교하였다.
- Patran에서 유한 요소 모델을 제작하였다. 각 단품의 연결을 위해 볼트로 체결되는 부분에 대해서는 RBE2(rigid body element 2)를이용하였고 유한 요소 모델의 타당성을 검증하기 위해 MSC.Nastran을 사용하여 유한 요소 모델에 대한 고유 진동수와 모드 벡터를 구하였다. 이를 실험에서 구한 모드 해석 값과 비교하는 MAC(modal assurance criterion) correlation을 통해 검증하였다.
- Nastran을 이용하여 parasolid 형 식으로 변환하여 질 량과 질 량 중심, 관성모멘트를 갖는 강체로 모델링 된다. 또한 MSC.Patran에서 유한 요소 모델을 제작하였다. 각 단품의 연결을 위해 볼트로 체결되는 부분에 대해서는 RBE2(rigid body element 2)를이용하였고 유한 요소 모델의 타당성을 검증하기 위해 MSC.
- 블로워 의 절연 장치를 통한 진동 동력을 계산하기 위해 가속도 측정 실험과 블로워의 도면을 이용하여 만들어진 해석 모델을 이용하여 동적 해석을 수행하였다. Fig.
- 블로워의 가속도 성분 중 가장 크기가 큰 1차 오더 성분을 추출하여 실험과 해석에서 얻어진 결과를 비교하였다. Fig.
- 블로워의 진동 실험을 통하여 가속도를 측정한 후 절연 장치를 통한 진동 동력을 계산하였다. 또한 동적 해석을 통한 결과를 토대로 진동 동력을 계산하여 실험 값과 비교하였다.
- 블로워의 진동 절연 장치를 통해 흐르는 진동 동력을 예측하기 위해 블로워의 CATIA 도면을 기초로 해석 모델을 제작하였다. 블로워의 중심에는 축이 위치하고 있고, 18개의 깃(blade)을 갖는 스플리터 형 임 펠러(splitter impeller)가 결합되어 있다.
- 또한 동적 해석을 통한 결과를 토대로 진동 동력을 계산하여 실험 값과 비교하였다. 유효성이 검증된 동적 해석 모델을 이용하여 블로워의 진동을 저감하기 위해서 시뮬레이션을 통해 절연 장치의 강성을 변경하였다
- 이 결과들을 이용하여 각 마운트의 강성을 30% 감소 시켰을 경우의 진동 동력 흐름을 계산하였다. Fig.
- 실험과 시뮬레이션을 통해얻어진 블로워 절연 장치 전·후의 가속도 값을 비교하여 시뮬레 이션의 유효성을 검증하였고, 시뮬레이션 결과를 이용하여 계산한 진동 동력 흐름 값과 실험을 통해 계산된 진동 동력 흐름 값을 비교하였다. 최종적으로 블로워의 진동을 저감하기 위하여 유효성이 검증된 시뮬레이션 모델에서의 진동 절연 장치의 복소 강성(complex stiffiiess)을 변경하면서블로워 절연 장치 전·후 에서의 가속도 값과 진동동력 흐름 값을 비교하였다. 이 연구결과를 토대로 FCEV 개발과정에서 블로워의 진동과 구조기인 소음(structure-borne noise)을 줄이 기 위한 블로워 진동절연 장치 의 특성 치 를 제 시 할 수 있을 것이 디'
- ADAMS 를 이용하여 각각의 운동에 알맞은 구속조건으로 연결하였다12) 볼트로 연결된 부 위나 서로 의 부품에 대해 결합하여 같은 운동을 하는 부품들은 fixed joint를 이용하여 연결하고, 회전 운동만 존재하는 부품은 revolute joint로 연 결하였다. 축과 임 펠러의 회전을 위해 축에 토크(torque)를 가하였으며, 베어링은 contact를 이용하여 모델링하였다. MSC.
- 전 . 후에서의 X, Y, Z축 방향의 가속도 값을 비교하였다. 해석 조건은 실험과 같이 블로워를 0-30, 000rpm까지 가속하였고 1-8차 오더를 확인하기 위하여 초당 8192step을 갖게 하였다.
데이터처리
- 또한 동적 해석을 통한 결과를 토대로 진동 동력을 계산하여 실험 값과 비교하였다. 유효성이 검증된 동적 해석 모델을 이용하여 블로워의 진동을 저감하기 위해서 시뮬레이션을 통해 절연 장치의 강성을 변경하였다
- ADAMS를 이용하여 블로워의 모델링 및 동적 해석을수행을 한후 시뮬레이션을 통해 얻어진 결과를12) 이용하여 진동 동력 흐름을 계산하였다. 실험과 시뮬레이션을 통해얻어진 블로워 절연 장치 전·후의 가속도 값을 비교하여 시뮬레 이션의 유효성을 검증하였고, 시뮬레이션 결과를 이용하여 계산한 진동 동력 흐름 값과 실험을 통해 계산된 진동 동력 흐름 값을 비교하였다. 최종적으로 블로워의 진동을 저감하기 위하여 유효성이 검증된 시뮬레이션 모델에서의 진동 절연 장치의 복소 강성(complex stiffiiess)을 변경하면서블로워 절연 장치 전·후 에서의 가속도 값과 진동동력 흐름 값을 비교하였다.
- Nastran을 사용하여 유한 요소 모델에 대한 고유 진동수와 모드 벡터를 구하였다. 이를 실험에서 구한 모드 해석 값과 비교하는 MAC(modal assurance criterion) correlation을 통해 검증하였다. 검증된 단품들은 MSC.
이론/모형
- 절연 장치 전 . 후에서의 각각의 가속도를 실험을 통해 측정한 후 그 결과 값과 절연 장치의 복소강성을 이용하여 각각의 절연 장치를 통해 흐른 진동 동력을 계산하였다 진동 동력을 계산하기 위 한식은 Pinnington의 진동 동력 관계식으로부터 유도된 단순한 방정식을 사용하였다.'" 그리고 다 물체 동역학 해석 소프트웨어인 MSC.
성능/효과
- 소음이 발생하게 된다.2)특히 스택에 공기를 공급하는 FCEV의 원심형 터보 블로워(centri- fugal turbo blower)는 30, 000rpm 이상의 고속으로 회전하는데, 가공상의 오차 혹은 부품의 결함으로 인한 질량 불균형과 회전 비대칭 그리고 베어링의 영향으로 진동 . 소음이 심하게 발생하게 된다.
- 이러한 문제를 해결하기 위해 본연구에서는 블로워에 진동 동력 흐름을 적용하였고, 그 결과 블로워에서 발생된 진동 동력은 주로 3 번 절연 장치를 통해 차체로 전달되는 것을 알 수 있었다. 또한 블로워의 시뮬레이션 모델을 이용한 동적 해석을 통해서 얻어진 가속도와 진동 동력 흐름값아 실험에서 얻어진 값과 매우 유사한 경향을 갖는 것을 알 수 있었다. 이 결과를 토대로 블로워 각각의 절연 장치의 강성을 변경하여 RMS 가속도 값과 이에 대한 진동 동력 흐름을 계산한 결과 블로워의 3번 절연 장치의 강성을 30% 줄이면 진동 동력은 34% 감소한다는 것을 예측할 수 있었다
- 또한 블로워의 시뮬레이션 모델을 이용한 동적 해석을 통해서 얻어진 가속도와 진동 동력 흐름값아 실험에서 얻어진 값과 매우 유사한 경향을 갖는 것을 알 수 있었다. 이 결과를 토대로 블로워 각각의 절연 장치의 강성을 변경하여 RMS 가속도 값과 이에 대한 진동 동력 흐름을 계산한 결과 블로워의 3번 절연 장치의 강성을 30% 줄이면 진동 동력은 34% 감소한다는 것을 예측할 수 있었다
- 12는 전체 rpm에서의 진동 동력을 합한 값을 각 절연 장치 에 대해 나타내었다. 이 결과를 통하여 블로워의 3번 절연 장치에서의 진동 동력이 다른 3개의 절연 장치보다 현저히 큼을 알 수 있다.
- 후의 RMS 가속도 값을 나타낸다. 이 결과를 통해 마운트 3번의 강성 변경 이 가장 큰 가속도의 저감을 나타내는 것을 알 수 있고 마운트 3번의 강성을 30% 감소시키면 블로워의 RMS 가속도 값을 22% 감소시킬 수 있다
- 9는 블로워 1번과 3번 절연 장치 전에서의 가속도 비교를 나타낸다. 이 결과를 통해 알 수 있듯이 실험과 해석 값이 매우 근사함을 알 수 있다.
- 14는 마운트의 강성을 변경 하였을 경우의 진동동력 값을 나타낸다. 이 그림을 통해 진동 동력 역시 마운트 3번의 강성 변경이 가장 큰 진동 동력의 감소를 가져오고 마운트 3번의 강성 을 30%줄이 면 블로워의 전체 절연 장치를 통한 진동 동력을 약 34% 감소시 킬 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 따라서 FCEV의 개발과정에서 블로워에 의해 발생되는 구조기인 소음과 진동을 해결하기 위해 진동의 전달 경로를 분석해야 할 필요가 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 본연구에서는 블로워에 진동 동력 흐름을 적용하였고, 그 결과 블로워에서 발생된 진동 동력은 주로 3 번 절연 장치를 통해 차체로 전달되는 것을 알 수 있었다. 또한 블로워의 시뮬레이션 모델을 이용한 동적 해석을 통해서 얻어진 가속도와 진동 동력 흐름값아 실험에서 얻어진 값과 매우 유사한 경향을 갖는 것을 알 수 있었다.
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