[논문]수치해석을 이용한 함정용 장비 받침대의 기계적 임피던스 및 전달 진동 분석

한형석; 손윤준

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.5.462

Abstract ▼ AI-Helper

Reduction of the structure-borne noise of the naval vessel is very important in order to reduce the underwater radiated noise of it. One of the important factors to reduce the structure-borne noise of the installed machine in a ship is the design of the foundation having sufficiently high mechanical...

Reduction of the structure-borne noise of the naval vessel is very important in order to reduce the underwater radiated noise of it. One of the important factors to reduce the structure-borne noise of the installed machine in a ship is the design of the foundation having sufficiently high mechanical impedance. In this paper, the mechanical impedance of the foundation for the fan-coil unit in a naval vessel is evaluated numerically according to variation of the thickness of the foundation. And also, the forced vibration analysis is conducted considering the dynamic property of the anti-vibration mount. Through the analysis results, it can be known that the dynamic property of the anti-vibration mount should be considered when the minimum level of the mechanical impedance of the foundation is set.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

기준으로 충분한 강성을 가지는지 분석하고자 한다. 또한 받침대의 기계적 임피던스 차이에 따른 바닥으로의 진동 전달 특성을 수치해석을 통해 분석하고자 한다.
이 논문에서는 함정에 장착되는 홴 코일 유니트(fan-coil unit)용 장비 받침대의 임피던스에 대해 받침대 두께에 따른 변화를 수치해석을 통해 다루며 받침대의 두께에 따라 예측된 임피던스 레벨이 주파수에 따라 증가하는 탄성 마운트의 동적 강성(3) 기준으로 충분한 강성을 가지는지 분석하고자 한다.
함정에 장착되는 주요 가진 장비의 경우 탄성 마운트에 의해 방진 대책을 수립하며, 단일 탄성 지지 및 이중 탄성 지지 구조가 가장 많이 사용되고 있다. 이 절에서는 단일 및 이중 탄성 지지 구조에 대한 이론식을 통해 진동 전달률 및 바닥 전달 진동에 대한 받침대의 임피던스 영향도를 살펴보고자 한다.
이 절에서는 함정에 장착되는 홴-코일 유니트의 받침대에 대해서 받침대의 두께에 따라 받침대의 임피던스를 평가하고 각각의 경우에 대해 탄성 마운트의 동적 특성을 고려하여 탄성 마운트를 통해 장비로부터 바닥으로 전달되는 진동에 대한 수치해석 결과를 다루고자 한다. 수치해석은 대우조선해양에서 보유하고 있는 MSC.

가설 설정

단일 탄성 지지 구조에 대해 Fig. 1과 같이 단순 질량-스프링계로 가정하고, 바닥의 전달력을 식 (1)과 같이 임피던스로 표현할 수 있다.
따라서 63 Hz 이하에서 임피던스 레벨이 낮게 나오는 것을 포함해서 해석 결과가 감쇠를 고려하지 않았기 때문에 정확한 값이라고 볼 수 없다. 하지만 받침대의 두께 변화에 따라 임피던스 변화를 상대적으로 비교할 수 있다고 가정하여 이에 따른 비교를 수행하였다.

제안 방법

여기서 받침대의 모든 요소는 셸(shell)요소를 사용하였고, 바닥의 선체부의 끝단(edge)부는 모두 완전 구속시켰다. Fig. 3의 유한요소 모델에 대해 받침대에 임팩트 하중을 주었을 때의 리셉턴스(receptance)를 구하고 이를 주파수에 대해 미분하여 모빌리티(mobility)를 구하였다.
받침대의 동적 강성(dynamic stiffness)은 리셉턴스의 역수이므로 해석한 리셉턴스 결과로부터 구하였고, 임피던스는 모빌리티의 역수이므로 해석한 모빌리티 결과로부터 임피던스를 구하였다. 해석은 바닥 및 종방향 보강재(longitudinal stiffener)의 두께를 고정시켜 놓은 상태에서 받침대의 두께를 각각 4 mm, 10 mm, 16 mm로 두었을 때에 대하여 수행하였다.
동적 강성을 고려하지 않고 받침대의 하한치를 설정한 경우, 홴-코일 유니트의 바닥 진동은 받침대의 두께가 4 mm만 되어도 문제가 없을 것으로 평가되지만, 동적 강성을 고려하여 받침대의 하한치를 설정한 경우 문제가 될 것으로 보인다. 이를 검증하기 위해서 Fig. 6과 같이 받침대 모델의 탄성 마운트를 스프링 요소를 사용하여 추가하고 이를 강체 요소로 연결하여 연결점 중심 노드에 1 m/s²의 가속도를 주어 탄성 마운트 상부의 장비 진동에 따른 전달 진동 해석을 수행하였다. 여기서 탄성 마운트 요소의 강성은 홴 코일 유니트에 적용되는 7E450 마운트에 대해 이전의 연구 결과인 식 (11)로부터 Fig.
받침대의 동적 강성(dynamic stiffness)은 리셉턴스의 역수이므로 해석한 리셉턴스 결과로부터 구하였고, 임피던스는 모빌리티의 역수이므로 해석한 모빌리티 결과로부터 임피던스를 구하였다. 해석은 바닥 및 종방향 보강재(longitudinal stiffener)의 두께를 고정시켜 놓은 상태에서 받침대의 두께를 각각 4 mm, 10 mm, 16 mm로 두었을 때에 대하여 수행하였다. 해석 주파수 범위는 식 (11)에서 탄성 마운트의 동적 강성이 1 kHz까지 정의되었기 때문에 1/3 옥타브(octave) 스펙트럼의 중심주파수 기준으로 20~1000 Hz(18~1122 Hz)까지로 설정하였다.

대상 데이터

이 절에서는 함정에 장착되는 홴-코일 유니트의 받침대에 대해서 받침대의 두께에 따라 받침대의 임피던스를 평가하고 각각의 경우에 대해 탄성 마운트의 동적 특성을 고려하여 탄성 마운트를 통해 장비로부터 바닥으로 전달되는 진동에 대한 수치해석 결과를 다루고자 한다. 수치해석은 대우조선해양에서 보유하고 있는 MSC.Nastran을 가지고 수행하였다.

성능/효과

결과로부터 바닥으로 전달되는 진동에 대해 적용된 탄성 마운트가 충분한 성능을 내기 위해서는 탄성 마운트의 동적강성을 고려하여 받침대의 임피던스를 충분히 확보해야함을 알 수 있었으며 이 연구의 유한요소 모델에 대해 받침대의 두께가 16 mm일 때 진동 전달률이 가장 낮음을 알 수 있었다. 하지만 해석 결과의 경우 단순 모델에 대한 상대적인 비교이므로 이는 현재 함정의 홴-코일 유니트의 받침대 두께를 반드시 16 mm로 해야 한다는 것을 의미하지는 않는다.
수치해석을 통해 받침대 강성의 간접적 지표인 기계적 임피던스 값에 따라 전달되는 진동 특성이 달라짐을 알 수 있었다. 특히 받침대의 두께에 따른 임피던스 해석 및 이에 따른 강제 진동 해석 결과로부터 받침대의 임피던스는 받침대 상부에 적용되는 탄성 마운트의 강성을 고려하여 충분히 크게 설계해야 하며, 이때 탄성 마운트의 강성은 주파수에 따라 달라지는 동적 특성을 고려하여야만 함을 알 수 있었다.
이러한 가정과 결과로부터 탄성 마운트의 동적 강성을 고려하지 않고 임피던스 하한치를 설정한 경우 받침대의 임피던스는 두께가 4 mm 일 때 그 레벨이 16 mm때에 비해 떨어지지만 임피던스 하한치 레벨을 초과하므로 큰 문제가 없을 것으로 보여진다. 하지만 탄성 마운트의 동적 강성을 고려하여 받침대의 임피던스 하한치를 설정한 경우 두께가 4 mm일 때 받침대의 강성이 충분치 않음을 알 수 있었다.
수치해석을 통해 받침대 강성의 간접적 지표인 기계적 임피던스 값에 따라 전달되는 진동 특성이 달라짐을 알 수 있었다. 특히 받침대의 두께에 따른 임피던스 해석 및 이에 따른 강제 진동 해석 결과로부터 받침대의 임피던스는 받침대 상부에 적용되는 탄성 마운트의 강성을 고려하여 충분히 크게 설계해야 하며, 이때 탄성 마운트의 강성은 주파수에 따라 달라지는 동적 특성을 고려하여야만 함을 알 수 있었다.

후속연구

이 논문의 결과에 대한 실험적 검증이 이루어지지는 않았기 때문에 향후 실험을 통해 해석 모델을 검증하고 보완하여야만 할 것으로 사료된다. 또한 이 연구는 향후 받침대의 임피던스 하한치 기준을 정하는데 있어 유용한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
이 논문의 결과에 대한 실험적 검증이 이루어지지는 않았기 때문에 향후 실험을 통해 해석 모델을 검증하고 보완하여야만 할 것으로 사료된다. 또한 이 연구는 향후 받침대의 임피던스 하한치 기준을 정하는데 있어 유용한 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	홴 코일 유니트(fan-coil unit)용 장비 받침대의 임피던스에 대해 받침대 두께에 따른 변화를 수치해석을 통해 분석한 결과는 무엇인가?	수치해석을 통해 받침대 강성의 간접적 지표인 기계적 임피던스 값에 따라 전달되는 진동 특성이 달라짐을 알 수 있었다. 특히 받침대의 두께에 따른 임피던스 해석 및 이에 따른 강제 진동 해석 결과로부터 받침대의 임피던스는 받침대 상부에 적용되는 탄성 마운트의 강성을 고려하여 충분히 크게 설계해야 하며, 이때 탄성 마운트의 강성은 주파수에 따라 달라지는 동적 특성을 고려하여야만 함을 알 수 있었다.
	수중방사소음에 관해 설명하시오.	함정을 운용하는데 있어 수중방사소음은 적함에게 자함의 존재를 노출시킬 가능성이 높으며 자체소음으로 인해 자함의 소나(sonar)를 통한 수중목표물 탐지 성능을 저하시키는 등 함정의 대잠 전투력과 밀접한 연관이 있다. 따라서 함정의 수중방사소음을 저감시키기 위해 많은 비용 및 인력이 투자되고 있는 실정이다.
	수중방사소음의 주요 발생 원인은 무엇이 있는가?	따라서 함정의 수중방사소음을 저감시키기 위해 많은 비용 및 인력이 투자되고 있는 실정이다. 수중방사소음의 주요 발생 원인으로는 프로펠러 캐비테이션(cavitation)에 의한 소음, 함정 내 장착되는 기계류들에 의한 소음, 배관 내 유동에 의한 소음 등이 있다. 일반적으로 캐비테이션 발생 속도 이전의 저속에서는 프로펠러의 소음 기여도가 작기 때문에 이때의 소음은 주로 함정 내에 장착되는 기계류들의 소음 기여도가 높다고 평가되고 있다.

참고문헌 (3)

Kim, H. S., Kim, J. S., Kang, H. J., Kim, B. K. and Kim, S. R., 2007, “SBN(structureborne noise) Reduction of Resilient Mounted Machinery and Effect of Foundation Impedance,” Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, KSNVE07S-14-04
Kim, B. K., Kim, J. S., Kim, H. S, Kang, H. J. and Kim, S. R., 2001, “Study of the Structure-borne Sound Transmission of a Machine through Rubber Mounts,” Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 655-660
Han, H. S. and Son, Y. J., 2009, “Investigation for the Restriction of the Stiffness and Mechanical Impedance of the Shipboard Floor and Foundation Considering Dynamic Stiffness of the Anti-vibration Mount,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 19, No. 3, pp. 320-326

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