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문제 정의
- 본 논문에서는 군용 대형트럭 계열차량에 대한 모드 해석 및 모달 시험을 수행하였다. 군용 대형트럭의 캐빈, 프레임, 특장부에 대한 유연체 동역학 모델을 구성한 후, ADAMS/Linear 해석모듈을 이용한 모드 해석을 수행하여 차종별 모달 변수들을 추출 하였다.
- 본 논문에서는 군용 대형트럭의 고유 진동 특성을 규명하기 위한 모드 해석 방법과 모달 시험 기법을 제시하였다. 군용 대형트럭의 계열차량 세 차종을 대상으로 캐빈, 프레임, 특장부를 포함한 모드 해석 모델을 구성하였는데, 특히 이 세 부품의 탄성 효과와 캡 현가장치, 회전 볼트, 그리고 파워트레인 등과 같은 동역학적 비선형성을 고려하기 위해 구조동역학 연성 기법인 유연체 동역학 모델링 방법을 이용하였다.
제안 방법
- 1) 군용 대형트럭의 근사 자유-자유 경계 조건 구현을 위한 시험 장비 개발 및 프로그램 구축을 통해 주요 부품 차원이 아닌 차량 시스템의 모달 시험 방법을 정립하였고, 캡 현가장치, 회전 볼트, 파워트레인 등의 동특성을 고려할 수 있는 템플릿 기반 모드해석 모델 구성 기법을 정립하였다.
- 4) 신뢰성과 유용성을 확보한 군용 대형트럭 계열 차량의 모드 해석 기법을 정립함으로써 군용 대형트럭 캐빈, 프레임, 특장부의 내구해석 모델들을 구축하였고, 계열차량들의 진동 특성 분석에 유용한 기초 자료를 확보하였다.
- 수집된 가속도 신호와 가진력 입력신호는 LMS Test.Lab PolyMax 프로그램으로 처리하여 차량의 고유 진동수, 감쇠비, 모드 형상을 구하였다.
- 이때 가진입력 함수는 LMS SCADAS III 장비를 이용하여 버스트 랜덤 (Burst random) 함수 형태로 생성하였으며, 생성된 가진 입력 신호는 신호 증폭기(Shaker amplifier)를 통해 가진기에 전달된다. 가진기 끝에 달린 가진봉에 힘 변환기(Force transducer)를 설치하여 가진력을 측정하였고, 측정된 가진력은 증폭기를 통해서 데이터 수집기(DAQ frontend)에 저장된다. Fig.
- A, B, C 차량의 캐빈, 프레임, 특장부에 대한 3차원 진동 변위 추출을 위해 12개의 3축 가속도계를 사용하여 가속도 신호를 측정하였는데, 차량별로 189, 229, 209개소에서 계측하였다. 계측 개소 수 대비 가속도계의 개수가 부족하므로 가진점 위치는 고정한 채 가속도계의 위치를 옮겨가며 가속도 신호를 측정하였으며, 차량의 각 위치에서 측정된 가속도 신호는 데이터 수집기에 바로 저장된다. 수집된 가속도 신호와 가진력 입력신호는 LMS Test.
- 군용 대형트럭의 계열차량 세 차종을 대상으로 캐빈, 프레임, 특장부를 포함한 모드 해석 모델을 구성하였는데, 특히 이 세 부품의 탄성 효과와 캡 현가장치, 회전 볼트, 그리고 파워트레인 등과 같은 동역학적 비선형성을 고려하기 위해 구조동역학 연성 기법인 유연체 동역학 모델링 방법을 이용하였다. 구성된 세 차종의 해석 모델에 대해 ADAMS/Linear 해석 모듈을 이용하여 모드 해석을 수행하였으며, 해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 해당 차종들에 대한 모달 시험을 실시하였다. 모드 해석과 모달 시험을 통해 추출된 모달 변수들의 상호 비교를 통해 유연체 동역학 모델링 기법을 이용한 모드 해석 방법의 유효성을 검증하였다.
- 여기서 A 차량은 기본 샤시 트럭, B 차량과 C 차량은 서로 다른 장비 탑재트럭을 의미한다. 군용 대형트럭의 경우 캐빈, 프레임, 특장부의 탄성 뿐만 아니라 캡 현가장치, 프레임과 특장부간 회전 볼트 10개소 체결, 그리고 파워트레인 등으로 인해 기존 유한 요소 해석 방법을 통해 전체 시스템의 진동 양상을 정확히 모사하기 어려우므로, 유연체 동역학 모델링 기법을 이용하여 세 차종의 해석 모델을 Fig. 1과 같이 구축하였다.
- 군용 대형트럭의 모드 해석 결과에 대한 신뢰성을 검증하기 위해 현가장치를 제외한 전체 차량 시스템의 모달 시험을 수행하였는데, 모달 시험을 위한 측정 장비 배치는 Fig. 2와 같다.
- 본 논문에서는 군용 대형트럭 계열차량에 대한 모드 해석 및 모달 시험을 수행하였다. 군용 대형트럭의 캐빈, 프레임, 특장부에 대한 유연체 동역학 모델을 구성한 후, ADAMS/Linear 해석모듈을 이용한 모드 해석을 수행하여 차종별 모달 변수들을 추출 하였다. 또한, 모달 시험을 수행하여 이론적인 모드 해석 결과에 대한 신뢰성을 검증하였으며, 군용 유사 탑재차량에 본 해석 기법을 적용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 군용 대형트럭은 대형 중량물일 뿐만 아니라 프레임 주변 형상이 복잡하므로 기존의 방법인 타이어를 이용한 자유-자유(Free-Free) 경계 조건 구현이 매우 어렵다. 그러므로 군용 대형트럭의 중량 및 지지부 공간 문제에 대응하기 위해 공기 스프링(Air spring)과 프레임 체결 브라켓으로 구성된 지지 조립체를 개발하였으며, 프레임의 현가장치 마운팅 부근8개소에 지지 조립체를 설치하여 근사 자유-자유 경계 조건을 구현하였다. 전체 차량을 가진하기 위해 프레임 전방 좌측단과 후방 우측단 두 지점에 전자식 가진기(Shaker) 2개를 설치하여 각각 최대 120N의 수직력을 부가하였다.
- 동역학 전용 해석 프로그램인 ADAMS/Car 내에서 캐빈, 프레임, 특장부의 탄성효과를 고려하기 위해 유한 요소 모델 구성 후 MSC/NASTRAN에서 고유 진동 해석(SOL103)을 수행하여 질량 행렬 및 강성 행렬 정보를 갖고 있는 MNF(Modal Neutral File) 파일들을 각각 추출하였다. 세 부품의 MNF 파일들은 유연체 특성 부여에 사용하였고, 캡현가장치, 회전 볼트, 그리고 파워트레인은 ADAMS/Car에서 지원되는 조인트 요소들과 힘 요소들을 이용하여 모델링하였다.
- 군용 대형트럭의 캐빈, 프레임, 특장부에 대한 유연체 동역학 모델을 구성한 후, ADAMS/Linear 해석모듈을 이용한 모드 해석을 수행하여 차종별 모달 변수들을 추출 하였다. 또한, 모달 시험을 수행하여 이론적인 모드 해석 결과에 대한 신뢰성을 검증하였으며, 군용 유사 탑재차량에 본 해석 기법을 적용하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 모드 해석과 모달 시험을 통해 추출된 모달 변수들의 상호 비교를 통해 유연체 동역학 모델링 기법을 이용한 모드 해석 방법의 유효성을 검증하였다. 마지막으로 본 연구의 모드 해석 방법을 이용하여 특장부 기초 설계 자료만 보유하고 있는 타 계열차량의 모달변수들을 예측하였다.
- 구성된 세 차종의 해석 모델에 대해 ADAMS/Linear 해석 모듈을 이용하여 모드 해석을 수행하였으며, 해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 해당 차종들에 대한 모달 시험을 실시하였다. 모드 해석과 모달 시험을 통해 추출된 모달 변수들의 상호 비교를 통해 유연체 동역학 모델링 기법을 이용한 모드 해석 방법의 유효성을 검증하였다. 마지막으로 본 연구의 모드 해석 방법을 이용하여 특장부 기초 설계 자료만 보유하고 있는 타 계열차량의 모달변수들을 예측하였다.
- 동역학 전용 해석 프로그램인 ADAMS/Car 내에서 캐빈, 프레임, 특장부의 탄성효과를 고려하기 위해 유한 요소 모델 구성 후 MSC/NASTRAN에서 고유 진동 해석(SOL103)을 수행하여 질량 행렬 및 강성 행렬 정보를 갖고 있는 MNF(Modal Neutral File) 파일들을 각각 추출하였다. 세 부품의 MNF 파일들은 유연체 특성 부여에 사용하였고, 캡현가장치, 회전 볼트, 그리고 파워트레인은 ADAMS/Car에서 지원되는 조인트 요소들과 힘 요소들을 이용하여 모델링하였다.
- 그러므로 군용 대형트럭의 중량 및 지지부 공간 문제에 대응하기 위해 공기 스프링(Air spring)과 프레임 체결 브라켓으로 구성된 지지 조립체를 개발하였으며, 프레임의 현가장치 마운팅 부근8개소에 지지 조립체를 설치하여 근사 자유-자유 경계 조건을 구현하였다. 전체 차량을 가진하기 위해 프레임 전방 좌측단과 후방 우측단 두 지점에 전자식 가진기(Shaker) 2개를 설치하여 각각 최대 120N의 수직력을 부가하였다. 이때 가진입력 함수는 LMS SCADAS III 장비를 이용하여 버스트 랜덤 (Burst random) 함수 형태로 생성하였으며, 생성된 가진 입력 신호는 신호 증폭기(Shaker amplifier)를 통해 가진기에 전달된다.
대상 데이터
- A, B, C 차량의 캐빈, 프레임, 특장부에 대한 3차원 진동 변위 추출을 위해 12개의 3축 가속도계를 사용하여 가속도 신호를 측정하였는데, 차량별로 189, 229, 209개소에서 계측하였다. 계측 개소 수 대비 가속도계의 개수가 부족하므로 가진점 위치는 고정한 채 가속도계의 위치를 옮겨가며 가속도 신호를 측정하였으며, 차량의 각 위치에서 측정된 가속도 신호는 데이터 수집기에 바로 저장된다.
- 본 연구에서는 군용 대형트럭의 계열차량인 A, B, C 세 차종을 대상으로 현가장치 시스템을 제외한 모드 해석 모델을 구성하였다. 여기서 A 차량은 기본 샤시 트럭, B 차량과 C 차량은 서로 다른 장비 탑재트럭을 의미한다.
- 앞서 검증된 모드 해석 방법을 이용하여 군용 대형트럭의 B, C 차량과는 또 다른 장비를 탑재하는 D 차량의 해석 모델을 Fig. 7과 같이 구성하였으며, 최종 구성된 D 차량의 자유도 수는 560 자유도이다.
데이터처리
- 모달 시험(Modal test)은 시스템의 동특성인 고유 진동수, 감쇠비(Damping ratio), 그리고 모드 형상과 같은 모달 변수(Modal parameter)들을 추출해내는 진동 시험을 말하며, 고유 진동 해석은 시스템의 유한 요소 모델을 구성한 후 자유-자유 조건에서 고유 진동수와 모드 형상을 구하는 해석을 의미한다. Siqueira와 Nogueira는 트럭 및 버스의 모드 해석 결과와 ODS(Operating Deflection Shapes) 특성을 분석하여 모드 해석과 주행 모드 시험 결과 사이의 관계를 상호 비교하였다.1) Ferraz 등은 전체 차량의 경우 차체에 비해 여러 시스템의 부착으로 인해 댐핑 및 노이즈가 증가할 뿐만 아니라 국소 및 전역 연성 모드를 갖고 있음을 실험적으로 입증하였다.
- 구성된 군용 대형트럭 계열차량 세 차종의 유연체 동역학 모델에 대해 ADAMS/Linear 해석 모듈을 이용하여 모드 해석을 수행하였으며, 대표적인 1~5번 모드 결과들을 Table 2에 정리하였다. 세 차종 모두 1번 모드는 캐빈 롤과 프레임 비틀림의 복합 모드, 2번 모드는 캐빈 피치와 프레임 굽힘의 복합 모드였다.
이론/모형
- 본 논문에서는 군용 대형트럭의 고유 진동 특성을 규명하기 위한 모드 해석 방법과 모달 시험 기법을 제시하였다. 군용 대형트럭의 계열차량 세 차종을 대상으로 캐빈, 프레임, 특장부를 포함한 모드 해석 모델을 구성하였는데, 특히 이 세 부품의 탄성 효과와 캡 현가장치, 회전 볼트, 그리고 파워트레인 등과 같은 동역학적 비선형성을 고려하기 위해 구조동역학 연성 기법인 유연체 동역학 모델링 방법을 이용하였다. 구성된 세 차종의 해석 모델에 대해 ADAMS/Linear 해석 모듈을 이용하여 모드 해석을 수행하였으며, 해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 해당 차종들에 대한 모달 시험을 실시하였다.
성능/효과
- Siqueira와 Nogueira는 트럭 및 버스의 모드 해석 결과와 ODS(Operating Deflection Shapes) 특성을 분석하여 모드 해석과 주행 모드 시험 결과 사이의 관계를 상호 비교하였다.1) Ferraz 등은 전체 차량의 경우 차체에 비해 여러 시스템의 부착으로 인해 댐핑 및 노이즈가 증가할 뿐만 아니라 국소 및 전역 연성 모드를 갖고 있음을 실험적으로 입증하였다.2) 김충완 등은 대형 버스를 대상으로 주행 모드 시험을 실시하여 차체의 국부적인 변형 부위를 찾아냄과 동시에 차체 진동 모드와 내구 성능의 연관성을 입증하였다.
- 2) 군용 대형트럭의 고유 모드는 4~11Hz 구간에 분포하고 있으며, 대체로 캐빈의 강체 모드와 프레임의 탄성 모드가 연성되어 나타났다. 이는 프레임과 캐빈 사이의 캡 현가장치가 존재하여 저주파 영역에서는 캐빈의 탄성 모드가 나타나지 않음에 기인한다.
- 3) 모드 해석과 시험의 고유 진동수 결과를 비교해 보면 최소 3%, 최대 9% 미만의 차이를 보였고, 모드 형상은 동일한 양상을 나타냈다. 따라서, 본 연구의 모드 해석 방법이 파생 계열차량이 많은 군용트럭에 유용한 기법임을 검증할 수 있었고, 전체적으로 차량 개발 일정 단축 및 시험 비용 절감 효과도 거둘 수 있었다.
- 동일한 모드 형상을 보이는 1, 2번 모드를 기준으로 세 차량의 시험 결과를 비교해보면, 해석 결과와 유사하게 특장부 탑재장비를 갖는 B와 C 차량의 고유 진동수가 A 차량에 비해 높은 것으로 나타났다. 따라서, 회전 볼트 10개에 의한 탑재장비 체결 구간내 프레임 구속으로 차량 전체의 강성이 증가하여 고유진동수가 높아짐을 재차 확인할 수 있었다.
- 나머지 3~5번 모드들은 차종별로 다른 모드 형상을 보였는데, A 차량은 캐빈 롤 및 프레임 횡 굽힘, 캐빈 요우, 캐빈 바운싱 및 프레임 수직 굽힘 모드, B 차량은 캐빈 요우 및 프레임 전방 횡 굽힘, 캐빈 바운싱 및 프레임 전방 굽힘, 캐빈 요우 및 바운싱, 엔진 피칭 모드, C 차량은 캐빈 요우 및 프레임 횡 굽힘, 프레임 수직 굽힘, 캐빈 요우 모드 순으로 나타났다. 동일한 모드 형상을 보인 1, 2번 모드를 비교해보면, A 차량보다는 특장부 탑재장비를 갖는 B, C 차량의 고유 진동수가 높은 것으로 나타났다. 이는 Fig.
- 3) 모드 해석과 시험의 고유 진동수 결과를 비교해 보면 최소 3%, 최대 9% 미만의 차이를 보였고, 모드 형상은 동일한 양상을 나타냈다. 따라서, 본 연구의 모드 해석 방법이 파생 계열차량이 많은 군용트럭에 유용한 기법임을 검증할 수 있었고, 전체적으로 차량 개발 일정 단축 및 시험 비용 절감 효과도 거둘 수 있었다.
- 동일한 모드 형상을 보이는 1, 2번 모드를 기준으로 세 차량의 시험 결과를 비교해보면, 해석 결과와 유사하게 특장부 탑재장비를 갖는 B와 C 차량의 고유 진동수가 A 차량에 비해 높은 것으로 나타났다. 따라서, 회전 볼트 10개에 의한 탑재장비 체결 구간내 프레임 구속으로 차량 전체의 강성이 증가하여 고유진동수가 높아짐을 재차 확인할 수 있었다.
- 8에 정리하였는데, 타 계열차량과 동일하게 캐빈 롤과 프레임비틀림 모드, 캐빈 피치와 프레임 굽힘 모드 순으로 나타났다. 또한, 다른 세 차종의 해석 결과들과 유사하게 전체적으로 캐빈의 강체 모드와 프레임의 탄성모드가 연성되어 나타났다.
- 본 연구에서 관심있는 1~5번 모드에 대한 군용 대형트럭 계열차량 세 차종의 모드 해석 결과와 모달 시험 결과를 분석해보면, 모드 해석에서 구해진 고유 모드의 대부분이 모달 시험에서도 나타나는 것이 확인되었다. 대표적인 1~5번 모드의 해석 결과와 시험 결과 사이의 차이 비교는 Tables 3~5에 나타내었다.
- 4~6에 나타내었다. 세 차량 모두 캐빈 롤과 프레임 비틀림 형상이 주요 모드이며, 해석과 시험 결과가 잘 일치하고 있음을 알 수 있다.
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