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가설 설정
- 이를 위하여 전축 및 후축이 입력이 correlation 관계가 없는 것으로 가정하여 해석결과와 시험결과가 양호한 일치성을 보이도록 참고문헌 (1)을 참조하여 도로의 상수 미세조정과 식 (12)의 상수를 설정하여 해석을 수행하였다. 또한, 같은 입력조건에 대하여 전축과 후축의 입력 correlation이 식 (11)과 같이 존재하는 것으로 가정 하여 해석을 수행하였다. 전방 및 후방 프레임에 대한 시험 및 해석결과의 RMS 가속도를 Fig.
- 2의 포장도로 및 비포장도로의 상수는 도로형태, 거칠기 등을 고려하여 Table 4와 같이 선정하였다. 식 (10)의 도로에 의한 가속도 PSD 전달률 TR을 다음 식과 같이 arctan 함수 형태를 가지는 것으로 가정하였다.
- 여기서 TR은 노면의 형상이 차량에 가진되는 정도를 나타낸 것으로 차량 주행속도(V), 도로조건 등에 따라 결정될 것으로 추정되고 이는 실험적으로 결정될 수 있다. 차량이 주행할 때 후축의 타이어에 가해지는 가진이 전축의 가진과 동일하다고 가정하면, 후축의 가진은 전축의 가진과 휠 간 거리(b)와 주행속도(V)에 따른 위상차를 가진다. 따라서 식 (5) 에서 PSD 및 전후축 간의 cross-spectral density는 다음과 같이 주어진다(1).
제안 방법
- 1에 나타낸 바와 같이 노면에서 특수 장비에 진동이 전달되는 경로를 기준으로 하였으며, 노면으로부터 직접 진동이 전달되는 1~4번 차축(최전방 차축 : 1번 차축)과 차량의 진동 완충장치인 현수장치를 통과한 위치로 차량에 장착된 특수 장비 주 구조인 프레임의 전방 및 후방 위치의 진동을 계측하였다. 계측방향은 노면에 의해 가진되는 주된 방향이 상하 방향 이므로 상하방향의 진동을 계측하였다. 계측위치에 피에조 타입의 가속도계를 부착하고 시그널 컨디셔너 및 데이터 획득장비를 차량에 장착하여 차량을 주행하면서 데이터를 획득하였고 계측에 필요한 전원은 차량의 배터리 전원을 이용하였다.
- 주행 중에 노면에서 타이어에 전달되는 진동은 타이어와 노면의 밀착 정도에 따라 노면의 거칠기가 타이어에 진동으로 가해지므로 노면 거칠기가 미세할수록, 차량의 속도가 증가할수록 노면에 의해 타이어에 전달되는 진동은 줄어들게 된다. 따라서 노면에 의에 차량에 가해지는 진동은 주파수가 증가할수록 줄어들 것으로 판단되므로 관심 주파수범위를 50 Hz 이내로 선정하였다. PSD 의 형상은 차축과 프레임부로 크게 나누어지고 그 형상은 Fig.
- (3) 일정속도의 주행조건에 대한 주행진동 해석을 도로의 PSD 형태와 노면과 도로의 진동 전달율을 이용하여 수행하였고, 주행 중 타이어에 가진되는 진동은 전/후축 간에 correlation 관계가 거의 없음을 확인하였다. 또한, 시험결과와 해석결과가 잘 일치하여 해석방법의 타당성을 확인하였다.
- 랜덤진동 해석을 수행하여 포장도로와 비포장도 로를 일정속도로 주행할 경우의 주행진동 특성을 해석하였다. 해석의 관심 주파수는 주행진동 계측분석에서 적용한 것과 동일하게 50 Hz로 설정하였다.
- 이 논문에서는, 노면의 형태에 따른 변위 PSD에서 주행속도에 따른 가속도 PSD를 산출하고 이를 입력 가진으로 설정하여 ABAQUS 소프트웨어를 이용하여 주행진동 해석을 수행하였다.
- 이 연구는 군사용 특수 장비에 대한 주행진동 계측시험을 통하여 특수 장비의 진동특성을 분석하였고, 이와 같은 조건에 대하여 특수 장비의 구조 동특성을 고려한 주행진동 특성을 ABAQUS 소프트웨어를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석 내용으로는 고유진동해석을 통하여 특수 장비의 진동특성을 규명하였고, 포장도로 및 비포장도로를 일정속도로 주행 시 노면으로부터 특수 장비에 전달되는 진동 특성을 구하였고 주행진동 계측결과와 비교하여 해석의 타당성을 확인하였다.
- 식 (11)의 전축과 후축의 입력에 대한 correlation 관계를 살펴보아야 한다. 이를 위하여 전축 및 후축이 입력이 correlation 관계가 없는 것으로 가정하여 해석결과와 시험결과가 양호한 일치성을 보이도록 참고문헌 (1)을 참조하여 도로의 상수 미세조정과 식 (12)의 상수를 설정하여 해석을 수행하였다. 또한, 같은 입력조건에 대하여 전축과 후축의 입력 correlation이 식 (11)과 같이 존재하는 것으로 가정 하여 해석을 수행하였다.
- 이러한 설계 목표를 달성하기 위하여, 설계단계에서 시뮬레이션을 통한 주행진동 특성을 예측할 필요가 있다. 이와 유사한 연구로서, 차량의 승차감 해석을 위하여 주행진동 해석을 위한 도로의 입력조건을 제시하였고(1), 단순화된 모델에 대하여 NASTRAN 소프트웨어를 이용하여 차량의 주행 진동 특성을 해석하였다(2). 최근에는 승차감 개선을 위한 연구가 활발히 이루어지고 있으나(3), 군사용 특수 장비와 같은 복잡한 구조물의 동특성을 고려한 주행진동 해석은 드물고 이에 대한 주행진동 특성을 실험적으로 이루어지고 있는 실정이다(4,5).
- 노면으로부터 전달되는 진동은 차량의 차축을 통하여 차량의 몸체에 전달되고, 이는 다시 특수 장비의 주요 탑재장비에 전달된다. 주요 전달 부위에 대한 가속도 PSD 및 RMS를 예측하였고, 그 결과를 분석하였다.
- 포장도로를 80 km/h, 비포장도로를 20 km/h로 주행하는 조건에 대한 주행진동 해석을 수행하였다. 주행계측시험과 같은 조건에 대하여 가속도 PSD 및 RMS 가속도를 해석을 통하여 구하였다. 포장도로를 80 km/h 주행조건에 대해서 1축과 후방 프레임 및 비포장도로를 20 km/h 주행조건에 대하여 3축과 후방프레임에 대한 가속도 PSD를 Fig.
- 계측위치에 피에조 타입의 가속도계를 부착하고 시그널 컨디셔너 및 데이터 획득장비를 차량에 장착하여 차량을 주행하면서 데이터를 획득하였고 계측에 필요한 전원은 차량의 배터리 전원을 이용하였다. 주행속도는 포장도로와 비포장도로에 대해 각각 80 km/h, 20 km/h의 속도에 대해 계측을 2회 수행하였다.
- 2와 같다. 진동계측 위치는 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 노면에서 특수 장비에 진동이 전달되는 경로를 기준으로 하였으며, 노면으로부터 직접 진동이 전달되는 1~4번 차축(최전방 차축 : 1번 차축)과 차량의 진동 완충장치인 현수장치를 통과한 위치로 차량에 장착된 특수 장비 주 구조인 프레임의 전방 및 후방 위치의 진동을 계측하였다. 계측방향은 노면에 의해 가진되는 주된 방향이 상하 방향 이므로 상하방향의 진동을 계측하였다.
- 특수목적 장비의 고정부는 강성이 큰 보 요소로 연결하였다. 차량의 기본 새시는 형강이고 유한요소 모델은 보요소로 모델링하였고, 캐빈의 무게중심 위치에 집중질량으로 연결하고 차량의 새시와 보요소로 연결하였다. 특수 장비 구조와 차량 새시의 연결부는 강성이 큰 보요소로 연결하였다.
- 트럭에 탑재된 형태의 특수 장비의 주행 중에 노면으로부터 차량에 전달되는 진동특성을 파악하기 위하여 주행진동 계측시험을 수행하였고, 이 시험결과를 도로의 변위 PSD와 노면과 타이어의 진동 전달율 함수를 가정하여 유한요소법을 이용하여 해석 적으로 예측하였다. 이와 같은 연구를 통하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 특수 장비 구조는 형강과 강판 등으로 구성되고 유한요소모델은 보 요소와 셸 요소를 이용하여 모델링하였다. 특수 장비에 탑재되는 전자장비 및 링크구조, 구동장치, 잭 등은 장착위치에 집중질량으로 모델링하여 무게효과를 반영하였고, 발전기는 무게중심 위치에 집중질량으로 모델링하고 이를 보요소로 연결하였다.
- 특수 장비 구조는 형강과 강판 등으로 구성되고 유한요소모델은 보 요소와 셸 요소를 이용하여 모델링하였다. 특수 장비에 탑재되는 전자장비 및 링크구조, 구동장치, 잭 등은 장착위치에 집중질량으로 모델링하여 무게효과를 반영하였고, 발전기는 무게중심 위치에 집중질량으로 모델링하고 이를 보요소로 연결하였다. 특수목적 장비와 고정 구조는 원통형 보요소로 모델링하였다.
- 특수 장비의 주행진동 특성을 파악하기 위하여 주행진동 계측을 수행하였다. 주행시험에 적용된 특수 장비의 형상은 Fig.
- 특수 장비에 탑재되는 전자장비 및 링크구조, 구동장치, 잭 등은 장착위치에 집중질량으로 모델링하여 무게효과를 반영하였고, 발전기는 무게중심 위치에 집중질량으로 모델링하고 이를 보요소로 연결하였다. 특수목적 장비와 고정 구조는 원통형 보요소로 모델링하였다. 특수목적 장비는 집중 질량을 이용하여 무게 및 무게중심을 실제와 동일하게 하였다.
- 포장도로를 80 km/h, 비포장도로를 20 km/h로 주행하는 조건에 대한 주행진동 해석을 수행하였다. 주행계측시험과 같은 조건에 대하여 가속도 PSD 및 RMS 가속도를 해석을 통하여 구하였다.
- 이 연구는 군사용 특수 장비에 대한 주행진동 계측시험을 통하여 특수 장비의 진동특성을 분석하였고, 이와 같은 조건에 대하여 특수 장비의 구조 동특성을 고려한 주행진동 특성을 ABAQUS 소프트웨어를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석 내용으로는 고유진동해석을 통하여 특수 장비의 진동특성을 규명하였고, 포장도로 및 비포장도로를 일정속도로 주행 시 노면으로부터 특수 장비에 전달되는 진동 특성을 구하였고 주행진동 계측결과와 비교하여 해석의 타당성을 확인하였다. 노면으로부터 전달되는 진동은 차량의 차축을 통하여 차량의 몸체에 전달되고, 이는 다시 특수 장비의 주요 탑재장비에 전달된다.
대상 데이터
- 계측방향은 노면에 의해 가진되는 주된 방향이 상하 방향 이므로 상하방향의 진동을 계측하였다. 계측위치에 피에조 타입의 가속도계를 부착하고 시그널 컨디셔너 및 데이터 획득장비를 차량에 장착하여 차량을 주행하면서 데이터를 획득하였고 계측에 필요한 전원은 차량의 배터리 전원을 이용하였다. 주행속도는 포장도로와 비포장도로에 대해 각각 80 km/h, 20 km/h의 속도에 대해 계측을 2회 수행하였다.
- 전달률은 실험적으로 결정될 수 있으므로 식 (12)의 A, B, P의 값은 많은 실험결과를 토대로 설정될 수 있다. 이 연구에서는 해석결과와 시험결과를 고려하여 포장도로 80 km/h, 비포장도로 20 km/h에 대하여 각각 A = 0.4, 0.3, B = 6, 6, P = 2.1, 1.9를 선정하였다. 이때의 전달률은 Fig.
- 특수목적 장비는 원통형의 구조 내부에 위치하고 후미와 전방부에서 고정된다. 차량은 싱글 캐빈 형태의 10톤 군용 새시 차량으로, 차축이 4개이고 1,2 축은 일반 차축이고 3,4축은 보기 차축이다. 차량과 특수 장비의 구조는 좌우 각각 5개소에서 고정되고 고정 형태는 볼트 체결 형식이다.
데이터처리
- 주행계측시험과 같은 조건에 대하여 가속도 PSD 및 RMS 가속도를 해석을 통하여 구하였다. 포장도로를 80 km/h 주행조건에 대해서 1축과 후방 프레임 및 비포장도로를 20 km/h 주행조건에 대하여 3축과 후방프레임에 대한 가속도 PSD를 Fig. 10, Fig. 11, Fig. 12, Fig. 13에 시험결과와 해석결과를 비교하여 나타내었다. Fig.
이론/모형
- 현수장치 고유모드인 sprung mass 모드는 특수 장비 프레임의 진동에 큰 영향을 미치고, 차축 고유모드인 unsprung mass 모드는 차축의 진동에 지배적인 영향을 미친다. 고유진동 해석은 Lanzos 법을 이용하여 구하였다. 해석결과 고유진동수는 Table 3과 같고 대표적인 현수장치모드인 피칭모드와 구조모드인 차량 1차 굽힘 모드를 Fig.
성능/효과
- (1) 주행계측시험 결과, 노면으로부터 진동이 전달되는 경로인 차축과 특수 장비 프레임의 진동은 각각 9 Hz와 3 Hz 부근에서 고유진동수가 존재하고, 이 주파수 영역의 진동 가속도 전체 가속도 크기를 결정한다.
- (2) 특수 장비 고유진동해석을 통하여 차축 및 특수 장비 프레임 위치의 고유진동수 분포가 주행 계측시험 결과와 일치함을 확인하였다.
- (3) 일정속도의 주행조건에 대한 주행진동 해석을 도로의 PSD 형태와 노면과 도로의 진동 전달율을 이용하여 수행하였고, 주행 중 타이어에 가진되는 진동은 전/후축 간에 correlation 관계가 거의 없음을 확인하였다. 또한, 시험결과와 해석결과가 잘 일치하여 해석방법의 타당성을 확인하였다.
- 3에서 후방프레임은 sprung mass 모드인 피칭모드에 지배적인 영향을 받고, 1번 차축은 unsprung mass 고유모드에 큰 영향을 받는다고 볼 수 있다. 이상의 결과로부터 고유진동 해석 결과가 타당함을 알 수 있다.
- 전체적으로 진동이 현수장치를 통과한 프레임 위치는 시험결과와 해석결과가 잘 일치하고 차축은 약간의 차이는 있지만 비교적 유사한 결과를 나타낸다. 이상의 결과에서 해석결과의 타당성을 확인할 수 있다. 즉, 도로의 변위 PSD 형태와 적정한 전달률을 적용한 주행진동 해석방법이 타당함을 알 수 있다.
후속연구
- 즉, 도로의 변위 PSD 형태와 적정한 전달률을 적용한 주행진동 해석방법이 타당함을 알 수 있다. 보편적인 전달률 함수를 도출하기 위해서는 다양한 도로조건 및 주행조건에 대한 시험 및 해석에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 이 연구의 주행진동 해석은 노면과 타이어의 진동 전달률 설정이 매우 중요하다. 본 주행진동 해석의 보편화를 위해서는 다양한 도로조건과 주행조건에 대한 시험 및 해석을 수행하여 도로조건 및 주행속도에 대한 전달률 함수를 일반화시키는 연구가 필요할 것으로 사료된다.
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