[논문]선박용 엔진 MR 마운트의 최적설계: 최대 댐핑력

박준희; 도쑤웬푸; 구오흥; 강옥현; 최승복

doi:10.5050/ksnve.2013.23.5.472

선박용 엔진 MR 마운트의 최적설계: 최대 댐핑력
Optimal Design of Magnetorheological Mount for Ship Engines : Maximum Damping Force 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.23 no.5, 2013년, pp.472 - 478

박준희 (Department of Mechanical Engineering, Inha University) , 도쑤웬푸 (Department of Mechanical Engineering, Inha University) , 구오흥 (Department of Mechanical Engineering, Inha University) , 강옥현 (Dynamics Research Dep't., Hyundai Heavy Industries. Co., LTD.) , 최승복 (Mechanical Engineering, Inha University)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents optimal design procedures of mount based on a magnetorheological(MR) fluid to isolate the vibration in heavy diesel engine system. At first, frequency response and force-displacement transmissibility methods are used to get required damping force that is necessary for effective vibration isolation. From this result, a new type of high damping force engine mount is proposed and the governing equation of Bingham plastic behavior of MR fluid in flow path is mathematically derived under cylindrical coordinates. Finally, parametric design optimization featuring finite element is performed using ANSYS software to get the required damping force in MR mount system which can be used to reduce engine vibration. Damping force of the MR mount is then determined as an objective function in this analysis based on ANSYS. Furthermore, Magnetic analysis is then applied in this process.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이 연구에서는 기존의 수동형 마운트로 지지된 엔진시스템보다 나은 진동절연성능을 얻기 위하여 MR 유체를 이용한 반능동형 마운트를 설계하는 과정을 다루고자 한다. 이를 위하여 진동절연을 위해 마운트의 MR 유체로부터 필요한 요구댐핑력을 구할 필요가 있다.
이 연구에서는 선박엔진으로부터 마운트로 가해지는 기진력을 분석하고 이로부터 얻은 요구댐핑력을 낼 수 있는 MR 마운트를 최적설계하는 과정을 다루었다. 먼저 큰 댐핑력을 낼 수 있도록 자극부를 annular부 뿐만 아니라 radial부까지 고려하였다.

가설 설정

이 연구에서 엔진 진동을 저감시키기 위한 요구 댐핑력은 몇 가지 가정으로부터 22 kN으로 결정되었다. 이는 보통 차량엔진에 쓰이는 마운트에서 발생하는 댐핑력에 비해 매우 큰 힘이며 따라서 충분한 댐핑력을 확보하기 위한 새로운 형상의 MR 마운트가 요구된다.

제안 방법

이 최적화 시뮬레이션 결과는 특정 샘플변수들을 토대로 만들어진 데이터를 보간하여 만든 반응표면을 이용하여 구해지게 된다. 따라서 보간으로 인한 오차를 줄이기 위하여 총 10번의 iteration동안 오차가 큰 구역들에 대해 refinement를 하여 해당 문제를 최소화 하였다. 이때 오차율이 3 %내로 들어오도록 하였으며 최대 댐핑력이 26.
는 챔버 내압이 너무 큰 경우 rubber의 압축 혹은 인장 변형만 발생하고 유동이 없는 락업(lock-up)현상이 발생할 가능성이 크다. 따라서 엔진작동 시 MR 유체 유동의 발생을 원활히 하고 충분한 유량을 확보하기 위한 방식으로 피스톤을 도입하였다. 또한 22 kN의 높은 댐핑력을 얻기 위해 항복영역을 기존의 annular부 외에 radial부까지 고려하였다.
최적설계를 진행하기 위하여 ANSYS workbench 의 optimal design module을 사용하였으며 댐핑력에 영향을 미치는 변수들을 설계 파라미터로 설정하였다. 또한 설계에 있어서 인가속도는 10 mm/s로결정하였으며 제한된 형상 규격 내에서 전류를 2 A 인가 시 22 kN(요구댐핑력) 이상의 최대 댐핑력이 발생하고 zero-field 상태일 때 뉴토니안 거동으로 표현되는 점성 댐핑이 최소가 되는 것을 objective function으로 설정하였다. 이는 다음과 같은 식으로 표현 가능하다.
75 mm)의 허용 전류를 고려하여 최대인가전류를 2 A로 정하였다. 또한 원하는 구역에서 자기회로가 형성될 수 있도록 코어세트, 내부 하우징은 강자성체 재질로 구성하였으며 보빈부와 내부 하우징을 구분하는 separator부분과 piston, 외부 하우징, 볼트는 비자성체 재질로 구성하였다. 이때 자속이 원하는 방향으로 투과되어 최적의 자기 회로가 형성될 수 있는 조건이 된다.
엔진 작동 시 각 마운트 하나 당 발생하는 반력을 3가지 강체모드에서 구하도록 한다. 각 마운트에서의 반력벡터는 #로 표현하며 세가지 강체모드에서의 반력을 계산하기 위한 평형식은 다음과 같다.
이 연구에서는 효과적인 진동저감을 위해 먼저 필요로하는 댐핑력을 예측하는 방법을 보인다. 이때 주파수응답을 통한 결과로부터 힘-변위 전달률을 이용해 최소한으로 요구되는 댐핑력을 구하게 된다.
이때 주파수응답을 통한 결과로부터 힘-변위 전달률을 이용해 최소한으로 요구되는 댐핑력을 구하게 된다. 이 후 높은 댐핑력을 얻기 위한 새로운 형태의 MR 마운트를 제안하며 MR 유체의 빙햄거동이 이루어지는 항복영역에서의 유체역학적 수식을 도출해 낸다. 그 후 이 정보를 바탕으로 상용프로그램인 ANSYS의 파라미터 기법을 이용하여 요구댐핑력을 얻기 위한 최적설계가 이루어진다.
는 각각 항복댐핑력과 점성댐핑력이다. 이때 기본적으로 요구댐핑력을 달성할 수 있는 MR 마운트의 초기값들을 대략적으로 결정하였고 이를 토대로 실험계획법(DOE)의 최적설계를 진행하였다. 여기서 외부 하우징 외경이 60 mm, 내부 하우징 내경이 40 mm, 센터 코어의 두께가 23.
이러한 형상을 바탕으로 제한된 조건들 안에서 2 A의 전류 인가시 최대의 댐핑력 및 최소의 점성댐핑력이 발생되도록 최적설계를 하였다. 이때 최적설계변수값들이 도출 되었으며 댐핑력이 초기설정에 비해 22.
최적설계를 진행하기 위하여 ANSYS workbench 의 optimal design module을 사용하였으며 댐핑력에 영향을 미치는 변수들을 설계 파라미터로 설정하였다. 또한 설계에 있어서 인가속도는 10 mm/s로결정하였으며 제한된 형상 규격 내에서 전류를 2 A 인가 시 22 kN(요구댐핑력) 이상의 최대 댐핑력이 발생하고 zero-field 상태일 때 뉴토니안 거동으로 표현되는 점성 댐핑이 최소가 되는 것을 objective function으로 설정하였다.

대상 데이터

이 연구에서는 미국 Lord사의 MRF-132DG를 기본유체로 사용하였으며 자속밀도에 대한 항복응력의 실험적 특성은 다음과 같은 함수로 표현 가능하다.

성능/효과

6 mm). 또한 weighting factor는 ANSYS 상에서 항복댐핑력의 importance를 더 높게 설정하였다.
이러한 형상을 바탕으로 제한된 조건들 안에서 2 A의 전류 인가시 최대의 댐핑력 및 최소의 점성댐핑력이 발생되도록 최적설계를 하였다. 이때 최적설계변수값들이 도출 되었으며 댐핑력이 초기설정에 비해 22.54 % 향상되었음을 알 수 있다. 따라서 이와 같은 MR 마운트를 활용하면 상당한 진동저감효과를 가져올 수 있음을 예측할 수 있다.
이때 초기설정 때와 최적화 하였을 때 annular와 radial영역에서의 평균자속밀도를 각각 Table 2에 나타내었다. 이로부터 최적설계 후 마운트 성능이 제한된 조건 내에서 전반적으로 향상되었음을 알 수 있다.

후속연구

이 후 높은 댐핑력을 얻기 위한 새로운 형태의 MR 마운트를 제안하며 MR 유체의 빙햄거동이 이루어지는 항복영역에서의 유체역학적 수식을 도출해 낸다. 그 후 이 정보를 바탕으로 상용프로그램인 ANSYS의 파라미터 기법을 이용하여 요구댐핑력을 얻기 위한 최적설계가 이루어진다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	엔진의 진동을 저감시키기 위해 설치하는 것은 무엇인가?	엔진의 진동을 저감시키기 위해 일반적으로 엔진 하단부에 마운트를 설치하게 된다. 이 마운트는 엔진과 운송체를 연결하는 부품으로 엔진을 지지하며 바닥으로 전달되는 진동을 절연하게 된다.
	엔진에서 마운트의 역할은 무엇인가?	엔진의 진동을 저감시키기 위해 일반적으로 엔진 하단부에 마운트를 설치하게 된다. 이 마운트는 엔진과 운송체를 연결하는 부품으로 엔진을 지지하며 바닥으로 전달되는 진동을 절연하게 된다. 이 중 값이 싸고 제작이 비교적 용이한 고무마운트가 널리 적용되고 있다.
	고무마운트의 한계점은 무엇인가?	이 중 값이 싸고 제작이 비교적 용이한 고무마운트가 널리 적용되고 있다. 이는 강성과 댐핑요소가 작아 고주파수의 비공진주파수 대역에서는 우수한 진동저감성능을 보이나 저주파수 및 공진주파수 대역에서는 그 성능이 한계를 가지고 있다. 또한 거의 일정한 재질 특성으로 인해 넓은 범위에서 작동하는 엔진의 진동을 저감시키기에는 매우 제한적이다.

참고문헌 (7)

Kim, W. H., Joo, W. H. and Kim, D. H., 2012, Development of Stiffness Adjustable Mount for Vibration Control of Marine Diesel Generator Set, Proceedings of the KSNVE Annual Spring Conference, pp. 89-92.
Hong, S. R. and Choi, S. B., 2005, Vibration Control of a Structural System Using MR Fluid Mount, Journal of Intelligent Material System and Structures, Vol. 16, No. 11-12, pp. 931-936.

상세보기
Tsouroukdissian, A. R., Ikhowane, F., Rodellar, J. and Luo, N., 2009, Modeling and Identification of a Small-scale Magnetorheological Damper, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 20, No. 7, pp. 825-835.

상세보기
Spencer Jr., B. F., Dyke, S. J., Sain, M. K. and Carlson, J. D., 1997, Phenomenological Model for a Magnetorheological Damper, Journal of Engineering Mechanics, Vol. 123, No. 3, pp. 230-238.

상세보기
Do, X. P., Park, J. H., Woo, J. K. and Choi, S. B., 2012, Optimal Design of New MR Mount for Diesel Engine of Ship, Proceedings of the KSNVE Annual Autumn Conference, pp. 93-99.
Jolly, M R, Bender, J. W. and Carlson, J. D., 1998, Properties and Applications of Commercial Magneto Rheological Fluids, Proceedings of the SPIE's 5th Annual Symposium on Smart Stuctures and Materials, Vol. 3327, pp. 262-275.
Lee, D. Y. and Choi, S. B., 2010, Control of Active Engine Mount System Featuring MR Fluid and Piezostack via HILS, Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 20, No. 2, pp. 122-128.

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