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제안 방법
- 가속도 전달율을 구하기 위하여 항공기에 고정되는 부위인 8 개의 방진 장치에 기초 가속도 가진이 가해지는 경우의 조화응답해석을 하였다. 이때 각 방향의 가진 가속도 범위는 5Hz ~ 500Hz 의진동수이고 해석을 위해 1Hz 의 간격으로 총 495 회의 조화응답을 계산하였다 그러나, 불행히도 ANSYS 12 는 기초 가속도 가진을 직접 경계 구속 조건으로 부여하는 기능이 없기 때문에 변위 구속 조건을 이용하는 Direct Displacement Method (13) 를 적용하여 조화응답해석을 수행하였다.
- 조화응답해석을 하기 위해서는 일정 범위의 진동수를 갖는 외부 가진이 필요하다. 가진에는 변위, 힘, 속도 및 가속도 가진이 있으나 본 연구에 서는 가속도 전달율이 주 관심이므로 기초 가진 가속도로 인한 시스템의 응답 가속도만 계산하였다. 비행 중 짐발 구조 시스템은 x, y, z 각 방향으로 기초 가진 가속도를 받을 수 있고 2.
- 이와 같이 고무계통의 방진장치를 사용하는 경우 사용조건에 따른 정확한 강성계수와 감쇠계수를 설정하기 어렵다. 그러므로, 제조업체에서 제시된 값들을 기초로 조화응답해석을 수행하였다. 정확히 표현하면 Lee 4 등과 동일한 방법으로 5 ~ 500 Hz 진동수의 가속도 가진을 순차적으로 실제로 제작된 짐발 구조 시스템의 기초부에 sine-sweep 진동을 부여하여 카메라 모듈부의 진동 특성을 측정한 후 결과들의 비교를 통하여 해석의 유용성을 검증하였다.
- 5 의 실험 장비에 고정하였다. 그리고 가진 가속도와 응답가속도를 측정하기 위해서 진동시험장비의 베이스와 카메라 모듈의 무게 중심부분에 가속도 센서를 부착하였다. 뿐만 아니라, 치구가 실험데이터의 신뢰성에 어느 정도 영향을 끼치는지 보기 위하여 치구의 중심부분에도 추가로 가속도 센서를 부착하였다.
- 형상이 복잡할 뿐만 아니라 2 축 회전운동을 위한 베어링과 방진장치(Isolator) 등 여러 부품들이 결합되어 있다. 실제로 베어링부분과 방진장치들을 포함한 구조물의 정확한 진동해석은 실험적 방법 외에 수치해법만 가능하므로 본 연구에서는 ANSYS 12.08를 사용하여 조화응답해석을 수행하였다.
- 이는 가진 장비에 장착된 제작된 치구에서 공진이 발생되어 카메라 모듈부에 영향을 끼침을 의미한다. 이상의 실험 결과로부터 카메라 모듈부의 가속도 측정값은 150 Hz 이하에서만 신뢰할 수 있기 때문에 4 장에서 각 방향의 1 차 고유진동에 주안점을 두고 실험과 해석 결과를 비교하기로 한다.
- 그러므로, 제조업체에서 제시된 값들을 기초로 조화응답해석을 수행하였다. 정확히 표현하면 Lee 4 등과 동일한 방법으로 5 ~ 500 Hz 진동수의 가속도 가진을 순차적으로 실제로 제작된 짐발 구조 시스템의 기초부에 sine-sweep 진동을 부여하여 카메라 모듈부의 진동 특성을 측정한 후 결과들의 비교를 통하여 해석의 유용성을 검증하였다.
- 제안한 해석 방법의 타당성을 검증할 뿐 아니라 실제의 진동환경에 대하여 성능저하나 고장이 일어나지 않을지, 또한 동적 진동응력에 견딜 수 있도록 시스템이 제작되었는지 여부를 판단하기 위하여 진동 실험이 시행되었다. 물론 LOS 관점에 서도 실험이 필요하나 본 연구는 기초가진으로 인한 카메라 모듈부의 가속도만 관심 대상이다.
- 종합하면 카메라 모듈부와 구동 모터는 절점질량 요소, 베어링은 스프링 요소, 방진장치는 스프링-댐퍼 요소로 단순화하여 Fig. 1 의 짐발 구조 시스템을 모델링 하였다. 단순화된 부분을 제외하고 최종적으로 요소 분할된 모델링을 Fig.
- 진동시험장비의 베이스에 부착한 가속도 센서의 값을 기준으로 각 x, y, z 축에 대하여 1G 의 중력가속도 값으로 sine-sweep 범위 5 ~ 500Hz 에서 기초가진을 가한 후 모든 가속도 센서에서 측정된 절대 가속도 값을 수집하였다. 1G의 기초 가진 가속도로 실험을 진행하였으므로 모든 진동 주파수영역에서 가속도 센서로부터 측정된 값에서 G 를 생략하면 바로 측정 부위의 가속도 전달율이 된다.
대상 데이터
- 가속도 실험은 Fig. 5 에서 보는 바와 같이 영국의 Ling Dynamic System 에서 제작된 V9-440-HBT1500C 176K 전자기 진동시험장비를 사용하였다. 이 시험장비는 최대무게 1800kg, 최대 가진력 105.
- 기초 가속도 가진의 크기를 1 로 정의하면 기초 가진 가속도에 대한 시스템의 응답 가속도가 바로 가속도 전달율이 된다. 관심 대상은 본 시스템의 핵심 부분인 카메라 모듈부의 가속도 전달율이다. 해석 결과는 실험과 비교한 4 장에서 상술하겠지만 간단히 기술하면 기초가진하에서 x 축 방향은 25.
- 제안한 해석 방법의 타당성을 검증할 뿐 아니라 실제의 진동환경에 대하여 성능저하나 고장이 일어나지 않을지, 또한 동적 진동응력에 견딜 수 있도록 시스템이 제작되었는지 여부를 판단하기 위하여 진동 실험이 시행되었다. 물론 LOS 관점에 서도 실험이 필요하나 본 연구는 기초가진으로 인한 카메라 모듈부의 가속도만 관심 대상이다.
- 본 연구대상인 항공기용 짐발 구조 시스템은 카메라 모듈이 안정화 구동장치의 양쪽 커넥터에 삽입되어 고정되며, 방진장치는 상하 대칭으로 8 개소에 위치하여 항공기에 고정된다. 상하 좌우 중심 축에는 2 축 회전운동을 위한 볼 베어링 4 쌍과 상측, 우측에 모터(Motor) 2 쌍이 각각 조립된다.
- 3 에 나타내었다. 사용된 요소는 ANSYS 에서 제공되는 8 절점 3D-Struture Solid Element 이다. 물론 Fig.
- 연구 대상인 짐발 구조 시스템은 비행기 동체에 부착되나 진동실험을 위해 Fig. 6 과 같은 y 방향에 해당하는 치구의 좌우부에 방진장치 8개가 볼트로 체결되어 Fig. 5 의 실험 장비에 고정하였다. 그리고 가진 가속도와 응답가속도를 측정하기 위해서 진동시험장비의 베이스와 카메라 모듈의 무게 중심부분에 가속도 센서를 부착하였다.
- 3 에는 도시되지 않았으나 카메라 모듈부, 구동모터부 및 베어링부, 방진부분들은 해당 위치에 질점 질량 MASS21, 감쇠까지 포함하는 스프링 요소 COMBIN14 로 정의하였다. 이러한 요소들을 포함하여 유한요소 모델링에서 사용된 전체 유한요소개수는 21015 개이고 절점개수는 29499 개이다.
- 현 연구대상인 짐발 구조 시스템은 항공기에 탑재되어 운용되므로 비행 시에 발생되는 열 변형 및 외력에 의한 변형에도 견딜 수 있도록 구조적 강성을 확보해야 할 뿐 아니라 항공기에 시스템의 중량이 부담을 주지 않을 정도로 가벼워야 한다. 이를 위해서 구조적 강성이 필요한 회전부위와 방진장치를 지지하는 구조물 등은 티타늄 6A1-4V-EL1 과 스텐레스 스틸 STS303 을 사용하였고, 나머지부분은 알루미늄 6061 로 제작되었다. 이들에 대한 재료 물성치는 Table 3 과 같고 감쇠비는 금속 구조물에 경험적으로 사용하는 2%로 설정하였다.
- 베어링 역시 설치 조건 및 예압에 따라 강성이 달라진다. 현 연구모델에사용되는 각 접촉 볼 베어링은 Timken Company 에서 제작된 것을 사용하였으며 실제 짐발 구조 시스템에 설치된 예압 조건에 맞추어 실험적으로 측정된 강성들을 사용하였다. 이 때 베아링의 예압량은 각 카메라간의 LOS(Line of Sight), 배율변환시의 LOS 및 동적하중을 고려하여 결정되었으며 결정된 예압량에 따른 베아링 강성계수들은 Table 2와 같다.
데이터처리
- 이를 위하여 베어링 및 방진장치들을 고려한 기초 가속도 가진하에 조화응답해석을 상용 유한 요소해석 코드인 ANSYS 12.0 을 이용하여 카메라 모듈부의 고유 진동수와 전달율을 구했으며 해의 정확성을 검증하기 위하여 sine-sweep 진동실험을 병행하였다.
- 해석방법의 타당성을 증명하기 위하여 수치방법에 의한 카메라 모듈부의 가속도 전달율과 실험 결과를 기초 가진 범위 5 ~ 500Hz 의 진동수에 대하여 Fig. 8 에서 비교하였다.
이론/모형
- 기초 가진에 의한 조화응답해석을 하기 전에 고유진동해석은 꼭 필요한 것은 아니나 고유진동수 근처에서 전달율이 크게 나타나고 고유모드에 대한 정보를 알 수 있기 때문에 조화응답해석을 하기 전에 필요하다. 본 연구에서 고유진동해석은 ANSYS 12 에서 Block Lanczos 방법을 적용하여 고유 진동수와 고유 모드를 계산하였다. 참고로 고유진동해석은 감쇠를 무시한 결과이므로 고유진동수에서 최대 전달율이 계산되지는 않는다.
- 가속도 전달율을 구하기 위하여 항공기에 고정되는 부위인 8 개의 방진 장치에 기초 가속도 가진이 가해지는 경우의 조화응답해석을 하였다. 이때 각 방향의 가진 가속도 범위는 5Hz ~ 500Hz 의진동수이고 해석을 위해 1Hz 의 간격으로 총 495 회의 조화응답을 계산하였다 그러나, 불행히도 ANSYS 12 는 기초 가속도 가진을 직접 경계 구속 조건으로 부여하는 기능이 없기 때문에 변위 구속 조건을 이용하는 Direct Displacement Method (13) 를 적용하여 조화응답해석을 수행하였다. 이 방법에 의한 가속도 전달율 계산 방법은 Lee (4) 등에 설명되어 있다.
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