[논문]감시 정찰 카메라부를 포함한 짐발 구조 시스템의 진동 특성 해석

이상은; 이태원

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.4.409

초록
AI-Helper

감시 정찰용 짐발 구조 시스템은 베어링들과 다른 기계 요소들로 구성된 복잡한 기계 장치이다. 이 시스템은 크게 카메라부와 카메라부를 지지하는 안정화 짐발로 나눌 수 있다. 영상 정보 취득을 위한 비행 중 짐발 구조 시스템은 정찰기로부터 전달되는 광범위한 진동수를 갖는 심각한 가진을 받게 된다. 비록 정찰기로부터 전달되는 안정화 짐발의 기초 가진이 카메라부의 진동을 유발할지라도 카메라부는 정확하고 선명한 영상을 기록하여야만 한다. 그러므로 카메라부를 포함한 전체 짐발 구조시스템의 고유진동수와 고유진동 모드를 분석하는 것이 중요하다. 이에 본 연구에서는 베어링들의 효과를 고려한 시스템의 진동 특성 해석을 유한요소법에 의해 수행하였다. 뿐만 아니라, 0 Hz ~ 500 Hz 의 진동수 영역에서 조화응답해석을 통해 카메라부의 가속도 전달률을 계산하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A gimbal system in observation reconnaissance aircraft was fabricated by assembling many parts and bearings. This system consists of a camera module and a stabilization gimbal that supports the camera module. During the flight for recording images, the gimbal system experiences various accelerations...

A gimbal system in observation reconnaissance aircraft was fabricated by assembling many parts and bearings. This system consists of a camera module and a stabilization gimbal that supports the camera module. During the flight for recording images, the gimbal system experiences various accelerations with wide frequencies. Although base excitation of stabilization gimbal results in vibration of the camera module, the camera module must be able to capture the correct and clear image even while vibrating. Hence, it is important to know the natural frequencies and vibration modes of the gimbal system with the camera module. Considering bearings as spring elements, the vibration characteristic of the gimbal system was analyzed by finite element method. In addition, harmonic response analysis was performed to determine the correct transmissibility of acceleration for the camera module in the frequency range of 0-500 Hz.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

가설 설정

그러나 설계 단계에서 카메라 부분의 안정적 거동을 보장하는 아이솔레이터의 선정이 불가능하고 외부 가진이 전달되는 부분이므로 동적 특성에 큰 차이가 보이지 않을 거라는 가정하에 아이솔레이터는 제외하였다. 또한, 본 연구는 짐발 구조물 자체의 진동특성 분석을 위한 해석이므로 모달해석과 조화응답해석을 수행 시에 이 부분은 강성 결합된 것으로 가정하였다.
1) 베어링은 외부 구조물에 의해서 완전히 고정되어 있다.
2) 베어링의 자체의 변형은 무시하였다.
3) 베어링의 마찰은 무시하였다.
4 의 모델링에서 전체 유한요소 수는 20991 개이고 절점의 수는 29475 개이다. 또한, 카메라 고정 커넥터와 카메라 모듈은 서로 결합되어 같이 움직이므로 카메라에 해당하는 질점 질량과 이 부분이 동일한 변위를 갖는다고 가정하였고 모터 역시 질점 질량으로 단순화하였고 모터가 조립되는 부분도 동일한 변위를 갖는다고 가정하였다.

제안 방법

외부 가진의 진동수 범위 내에 고유진동수가 존재하지 않으면 시스템의 응답은 큰 문제를 일으키지 않으나 만약 시스템의 고유 진동수가 시스템의 제어대역 내에 존재한다면 조화응답해석이 반드시 요구된다. 실제로 짐발 구조 시스템은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 수 많은 전자부품, 광학렌즈 및 베어링 등 매우 복잡한 형상이므로 간단하게 진동해석을 하기는 불가능하여 본 연구에서는 상용 유한요소해석 코드인 ANSYS 12.0⁽⁵⁾을 사용하여 조화응답해석을 하였다.
은 매우 어렵다. 그러나 요구된 예압으로 얻어진 축 방향 강성과 반경 방향 강성을 알고 있으므로 다음의 4 가지 경우를 고려하여 ANSYS 에서 제공되는 스프링 댐퍼 요소를 사용하여 경계조건을 부여하였다. 이 때 거시적인 짐발 구조 시스템의 해석을 위해 베어링 부분은 다음과 같이 가정하였다.
본 연구대상인 짐발 구조 시스템은 외부에 고정되는 8 개소를 통하여 가진이 전달된다. 그러므로, 이 부분들에 x, y, z축의 각각의 방향에 대해서 단위변위를 입력하여 가진 범위 0 Hz ~ 500 Hz 의 진동수에 대하여 1 Hz 씩 증가하면서 500 회 조화응답해석을 수행한 후 다음과 같은 과정⁽⁸⁾을 거쳐 전달률을 계산하였다.
3) 가속도 응답을 전달률로 바꿔 주기 위하여 응답 가속도를 입력 가속도로 나눈다.
위와 같은 방법을 통하여 짐발 구조시스템의 기초 가속도 가진에 대한 조화응답 해석을 수행하였다. 한편 감쇠 부분의 경우 현 시스템은 특별한 감쇠 장치가 존재하지 않아 단지 재료의 감쇠 특성만을 고려하였고 이 경우 금속 구조물에서 경험적으로 사용하는 2.
이를 위해서는 구조적인 강도뿐만 아니라 외부 가진에 대해도 구조진동의 안정화가 이루어져야 한다. 그러므로 본 연구는 항공기 운항 시 발생될 수 있는 설계 조건인 0 Hz ~ 500 Hz 의 기초 가속도 가진 범위 내에서 짐발 구조 시스템의 진동특성을 분석하기 위하여 상용 코드인 ANSYS 를 사용하여 조화응답해석을 수행하였다. 물론 베어링부도 포함하였고 구조물의 감쇠비도 2%로 설정하여 정확한 분석을 수행하였다.
그러므로 본 연구는 항공기 운항 시 발생될 수 있는 설계 조건인 0 Hz ~ 500 Hz 의 기초 가속도 가진 범위 내에서 짐발 구조 시스템의 진동특성을 분석하기 위하여 상용 코드인 ANSYS 를 사용하여 조화응답해석을 수행하였다. 물론 베어링부도 포함하였고 구조물의 감쇠비도 2%로 설정하여 정확한 분석을 수행하였다. 해석 결과 현 짐발 구조 시스템은 고유 진동수가 가진 범위 내에 존재하므로 설계 변경을 통하여 진동특성을 최적화시켜야 한다.
또한 우리의 관심은 최대 전달률이므로 공진이 발생되는 고유 진동수 근처에서 집중적으로 유한요소해석을 하는 것이 효율적이다. 이러한 특성을 이용하여 먼저 모달해석을 통하여 고유진동수를 구하고 고유진동수 부근에서 전달률 계산을 주안점을 두는 방법으로 조화응답해석을 수행하였다.

대상 데이터

또한, 짐발 구동을 위해 장착되는 모터는 1 축당 2 개가 쌍으로 사용되며 모터 역시 집중질량으로 처리할 수 있다. 본 연구에서 카메라모듈의 무게는 12kg 이고 모터의 무게는 개당 0.51kg 이다.
4 에 도시하였다. 사용된 유한요소는 상용 코드 ANSYS 에서 제공되는 8 절점 3D-Structure Solid 요소를 사용하였으며, 집중질량 요소는 MASS21 요소를 각 접촉 볼 베어링 요소는 COMBIN14 요소를 사용하였다. Fig.
감시정찰용 짐발 구조 시스템은 비행 중에 발행할 수 있는 열 변형 및 외력에 의한 변형도 견딜 수 있도록 구조적 강성을 가져야 할 뿐 아니라 항공기의 전체 하중에 부담을 주지 않을 정도로 무게가 가벼워야 한다. 이를 위해서 본 연구 대상인 짐발 구조 시스템은 대부분 알루미늄 6061 로 제작되었으며 외부와 고정되는 부분과 베어링 축 및 하우징 등은 강성과 열변형 때문에 스테인리스 스틸 STS303 과 티타늄 6Al-4V EL1 을 사용하였다. 유한요소해석에 필요한 이들 재질의 물성치는 Table 2 에 기술하였다.
본 연구대상인 짐발 구조 시스템은 외부에 고정되는 8 개소를 통하여 가진이 전달된다. 그러므로, 이 부분들에 x, y, z축의 각각의 방향에 대해서 단위변위를 입력하여 가진 범위 0 Hz ~ 500 Hz 의 진동수에 대하여 1 Hz 씩 증가하면서 500 회 조화응답해석을 수행한 후 다음과 같은 과정⁽⁸⁾을 거쳐 전달률을 계산하였다.

이론/모형

5N 예압을 인가하였다. 예압 인가는 Fig. 3 에서와 같이 DB⁽⁶⁾ (Back to Back)방식을 사용하였으며 각 접촉 볼 베어링의 요구된 예압을 인가하여 개발 예정인 짐발 구조 시스템에 설치된 각 접촉 베어링의 축 방향 강성과 반경 방향 강성은 Table 1 과 같고 그 값들은 제작사에서 제공하였다.
유한요소해석 상용코드 ANSYS 로부터 Block Lanczos⁽⁹⁾ 방법을 적용하여 고유 진동수와 고유 모드를 계산하였다. 계산된 고유 진동수는 Table 3 에 기술하였으며, 모드 형상은 Fig.
이러한 이유로 질점 질량인 카메라 모듈부의 가속도 전달률을 알아야만 하며, 이를 위해서는 반드시 조화응답해석이 필요하다. 본 연구 대상인 짐발 구조 시스템은 기초 가속도 가진을 받으므로 2 장에서 기술한 Direct-Displacement method 를 적용하여 전달률을 계산하였다.

성능/효과

기초 가진하에서 조화 응답해석은 ANSYS 로부터 직접 구할 수 있으나 현재의 연구와 같이 복잡한 구조물의 경우 방대한 계산시간이 소요된다. 또한 우리의 관심은 최대 전달률이므로 공진이 발생되는 고유 진동수 근처에서 집중적으로 유한요소해석을 하는 것이 효율적이다. 이러한 특성을 이용하여 먼저 모달해석을 통하여 고유진동수를 구하고 고유진동수 부근에서 전달률 계산을 주안점을 두는 방법으로 조화응답해석을 수행하였다.

후속연구

물론 베어링부도 포함하였고 구조물의 감쇠비도 2%로 설정하여 정확한 분석을 수행하였다. 해석 결과 현 짐발 구조 시스템은 고유 진동수가 가진 범위 내에 존재하므로 설계 변경을 통하여 진동특성을 최적화시켜야 한다. 1 차 고유진동수를 500Hz 이상으로 설계하는 것이 이상적인 설계이나 구조상 그렇게 설계하는 것은 불가능하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	짐발 구조물의 공진현상을 감쇄시켜야 하는 이유는 무엇인가?	그러므로, 대부분의 경우 특별한 상황을 제외하고는 공진을 피할 수 없다. 짐발 구조물의 공진현상은 카메라의 목표물에 대한 위치 정확도 및 카메라의 시선안정화에 결정적인 방해 요인이 될 뿐만 아니라 심한 경우에는 구조물의 파손이 일어나게 된다. 이러한 이유로 안정적이고 정확한 목표물의 영상을 검출하도록 카메라를 포함한 짐발 구조물의 모달해석(2~3) 및 조화응답해석(4) 등을 통하여 짐발 구조 시스템에 작용하는 모든 진동수의 가진에 대한 짐발 구조물의 진동 특성을 분석하여야 한다.
	짐발구조 시스템의 카메라 모듈은 무엇으로 구성되어 있는가?	항공기에 탑재되어 감시정찰을 목적으로 사용되는 짐발 구조 시스템은 수 많은 부품으로 구성되어 있는데 크게 카메라 모듈과 안정화 구동장치로 나눌 수 있다. 카메라 모듈은 직접적으로 영상을 획득하는 부분으로 EO 광학계, IR 광학계 및 이를 제어하는 전자보드 등으로 구성된다. 안정화 구동장치는 고각(Elevation)과 방위각(Azimuth)으로 회전운동을 하여, 카메라의 시선을 지향하거나 추적하는 목적으로 사용된다.
	영상 정보 취득을 위한 비행 중 짐발 구조 시스템에게 요구되는 성능은 무엇인가?	영상 정보 취득을 위한 비행 중 짐발 구조 시스템은 정찰기로부터 전달되는 광범위한 진동수를 갖는 심각한 가진을 받게 된다. 비록 정찰기로부터 전달되는 안정화 짐발의 기초 가진이 카메라부의 진동을 유발할지라도 카메라부는 정확하고 선명한 영상을 기록하여야만 한다. 그러므로 카메라부를 포함한 전체 짐발 구조시스템의 고유진동수와 고유진동 모드를 분석하는 것이 중요하다.

참고문헌 (9)

Lee, J. W., Cho, S. S. and Kim, D. O., 2010,"Dynamic Characteristics on the CRDM of SMARTReactor," Journal of the KSME(A), Vol. 34, No. 8, pp.1105-1111.

원문보기 상세보기
Cahti, M. R. and Mukehrjee, S., 1997, "ModalAnalysis of a Cracked Beam," Journal of Sound &Vibration, Vol. 207, No. 2, pp. 240-279.
Oliveto, G., Santini, A. and Tripodi, E., 1997,"Complex Modal Analysis of a Flexural VibratingBeam with Viscous End Conditions," Journal ofSound & Vibration, Vol. 200, No. 3, pp. 327-345.

상세보기
Ji, Y. K. and Lee, Y. S., 2002, "Random Vibration andHarmonic Response Analyses of Upper GuideStructure Assembly to Flow Induced Loads," Journalof the Computational Structural engineering instituteof Korea, Vol. 15, No. 1, pp. 59-68.
ANSYS, 2009, "Users's Manual for Revision 12.0,"ANSYS Inc.
Timken, "Timken Super Precision Thin-Section BallBearing for Aerospace & Instrument Application,"Timken Company Subsidiary.
K. Debray., F. Bogard. and Y. Q. Gue., 2004,"Numerical Vibration Analysis on Defect Detection inRevolving Machines Using Two Bearing Models,"Archive of Applied Machanics, Vol. 74 No. 1/2, pp 45-58.

상세보기
Haberman, D., 2000, "Sine-Sweep Test Simulation inANSYS Using the Large-Mass and Direct-Displacement Methods," Collaborative Solutions, Inc.
Guennouni A. El., Jbilou K. and Sadok H., 2004,"The Block Lanczos Method for Linear Systems withMultiple Right-Hand Sides," Journal of Computationaland Applied Mathematics, 51, pp. 243-256.

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

상세보기

다운로드

내보내기

활용도 Top5 논문

해당 논문의 주제분야에서 활용도가 높은 상위 5개 콘텐츠를 보여줍니다.
더보기 버튼을 클릭하시면 더 많은 관련자료를 살펴볼 수 있습니다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

[국내논문] 감시 정찰 카메라부를 포함한 짐발 구조 시스템의 진동 특성 해석
Vibration Characteristic Analysis of Gimbal Structure System with Observation Reconnaissance Camera Module 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

[국내논문] 감시 정찰 카메라부를 포함한 짐발 구조 시스템의 진동 특성 해석 Vibration Characteristic Analysis of Gimbal Structure System with Observation Reconnaissance Camera Module 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

Keyword

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이상은 (4) 이태원 (21)

활용도 분석정보

활용도 Top5 논문 더보기

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

[국내논문] 감시 정찰 카메라부를 포함한 짐발 구조 시스템의 진동 특성 해석
Vibration Characteristic Analysis of Gimbal Structure System with Observation Reconnaissance Camera Module 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

활용도 Top5 논문