[논문]유체유동에 의한 유연한 파이프의 진동 저감을 위한 파이프 지지용 MR댐퍼의 설계 및 성능 평가

박우철; 이현창

doi:10.5762/kais.2013.14.5.2100

유체유동에 의한 유연한 파이프의 진동 저감을 위한 파이프 지지용 MR댐퍼의 설계 및 성능 평가
Design and Performance Evaluation of MR Damper for the Reducing Vibration of a Flexible Pipe Conveying Fluid 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.14 no.5, 2013년, pp.2100 - 2105

초록
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본 연구에서는 유체 유동에 의한 유연한 파이프의 진동 억제를 목적으로 하는 MR댐퍼를 포함한 새로운 형태의 파이프 지지대를 제안하고 평가하였다. 이를 위하여 파이프의 진동 특성에 적합한 새로운 형태의 MR댐퍼를 고안하였으며, MR댐퍼의 성능을 해석할 수 있는 수학적 모델을 구축하였다. 이를 이용해 MR댐퍼의 성능을 평가하였다. 또한, MR댐퍼를 갖는 파이프 지지대가 적용된 외팔보 형식의 파이프 시스템을 모델링하고, 이에 대하여 스카이훅 제어기를 적용하여 진동 제어 성능에 대한 해석을 수행하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper presents design and performance evaluation of MR damper for the reducing vibration of a flexible pipe conveying fluid. A novel type of MR damper which is suitable for pipe vibration characteristics is proposed and the MR damper is mathematically modeled and its damping force characteristi...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 유체 유동에 의한 유연한 파이프의 진동 억제를 목적으로 하는 MR 댐퍼를 포함한 새로운 형태의 파이프 지지대를 제안하고 평가하고자 한다. 이를 위하여 파이프의 진동 특성에 적합한 새로운 형태의 MR댐퍼를 고안하였으며, MR댐퍼의 해석적 모델을 구축하고, 이를 이용해 MR댐퍼의 성능에 대한 해석을 수행하였다.
본 연구에서 유체 유동에 의한 유연한 파이프의 진동억제를 목적으로 하는 MR댐퍼를 포함한 새로운 형태의 파이프 지지대를 제안하고 성능에 대한 해석을 수행하였으며, 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 고체마찰이 없고, 유체의 점성에 의한 영향보다는 MR효과에 의한 감쇠력이 지배적으로 나타나도록 새로운 형태의 MR댐퍼를 제안한다.
이러한 단점을 보완하기 위하여 본 연구에서는 Fig. 1과 같은 파이프 지지대를 제안하였다. 파이프와 구조물을 연결하는 강철봉 사이에 스프링과 MR댐퍼를 병렬로 배치하였다.

가설 설정

한쪽은 고정되어 있고, 다른 한쪽은 자유단인 파이프계로 고려하였다. 파이프의 강성에 비하여 유체의 질량은 작다고 가정하여 파이프 내부의 유동은 무시하였으며, 파이프 지지부의 구조 특성을 고려하여 파이프의 횡방향에 대하여만 고려하였다.

제안 방법

1. 파이프의 진동 특성에 적합한 새로운 형태의 MR댐퍼를 고안하였으며, MR댐퍼의 성능을 해석할 수 있는 해석적 모델을 구축하고, 이를 이용해 MR댐퍼의 성능에 대한 해석을 수행하였다.
3과 같이 다이아프램을 적용하였다. MR유체의 점성에 의한 효과를 줄이기 위해 피스톤과 실린더 사이의 간극은 크게 하고, 그 사이에 피스톤의 흔들림을 방지하기 위한 스패이서가 설치되도록 하였다.
급격한 유동 변화에 의한 가진과 유사하게 하기 위하여 0.02초 동안 가해지는 임펄스 입력의 형태로 하였으며, 시스템에 가해지는 힘의 크기는 Fdist = 𝜌AV2 로 계산하였다.
이를 위하여 파이프의 진동 특성에 적합한 새로운 형태의 MR댐퍼를 고안하였으며, MR댐퍼의 해석적 모델을 구축하고, 이를 이용해 MR댐퍼의 성능에 대한 해석을 수행하였다. 또한, 파이프 자유단의 진동을 제어하기 위한 스카이훅 제어기를 구성하고 이를 적용하여 파이프 지지대의 제어 성능에 대한 해석을 수행하였다.
3은 새로이 제안된 MR 댐퍼의 개념도이다. 본 연구에서 제안된 파이프 제진용 MR 댐퍼는 진동 제어가 필요 없는 구간에서는 MR유체의 점성에 의해서만 감쇠가 이루어지고, 파이프 내부를 흐르는 유체 유동의 급격한 변동과 같은 외란에 의하여 파이프에 큰 변위의 진동이 발생한 경우에는 MR유체의 항복응력에 의해 큰 감쇠력을 얻을 수 있는 구조이다. 이러한 특성을 얻기 위하여 실린더 캡과 피스톤 로드 사이의 실링을 제거하고, 그 자리에 Fig.
이 연구에서는 단순하지만 매우 효과적이고 실제 환경에 쉽게 적용할 수 있는 스카이훅(skyhook) 제어기를 적용하여 MR댐퍼에 부하하는 전류를 제어하였다. 스카이훅 제어기의 제어 입력은 다음과 같이 표현될 수 있다.
본 연구에서 제안된 파이프 제진용 MR 댐퍼는 진동 제어가 필요 없는 구간에서는 MR유체의 점성에 의해서만 감쇠가 이루어지고, 파이프 내부를 흐르는 유체 유동의 급격한 변동과 같은 외란에 의하여 파이프에 큰 변위의 진동이 발생한 경우에는 MR유체의 항복응력에 의해 큰 감쇠력을 얻을 수 있는 구조이다. 이러한 특성을 얻기 위하여 실린더 캡과 피스톤 로드 사이의 실링을 제거하고, 그 자리에 Fig. 3과 같이 다이아프램을 적용하였다. MR유체의 점성에 의한 효과를 줄이기 위해 피스톤과 실린더 사이의 간극은 크게 하고, 그 사이에 피스톤의 흔들림을 방지하기 위한 스패이서가 설치되도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 유체 유동에 의한 유연한 파이프의 진동 억제를 목적으로 하는 MR 댐퍼를 포함한 새로운 형태의 파이프 지지대를 제안하고 평가하고자 한다. 이를 위하여 파이프의 진동 특성에 적합한 새로운 형태의 MR댐퍼를 고안하였으며, MR댐퍼의 해석적 모델을 구축하고, 이를 이용해 MR댐퍼의 성능에 대한 해석을 수행하였다. 또한, 파이프 자유단의 진동을 제어하기 위한 스카이훅 제어기를 구성하고 이를 적용하여 파이프 지지대의 제어 성능에 대한 해석을 수행하였다.
1과 같은 파이프 지지대를 제안하였다. 파이프와 구조물을 연결하는 강철봉 사이에 스프링과 MR댐퍼를 병렬로 배치하였다. 자기장을 형성하기 위한 공급하는 전류량 제어에 의해 MR댐퍼의 감쇠력을 조절하여 내부 유체의 유동특성의 변화에 의한 파이프의 진동 억제에 유연하게 대처할 수 있다.

대상 데이터

본 연구에서 제안한 댐퍼의 전체 길이는 150mm, 실린더의 외경은 66mm, 간극(h)은 3mm로 하였다. 자기장을 형성하기 위한 피스톤 헤드의 코일부는 𝜙0.
02초 동안 가해지는 임펄스 입력의 형태로 하였으며, 시스템에 가해지는 힘의 크기는 F_dist = 𝜌AV² 로 계산하였다. 유동 유체는 물을 기준으로 하였으며, 는 파이프의 안쪽 단면적으로 0.0013m2 이며, A는 유체의 유속으로 40m/s로 하였다. 그림에 나타난 바와 같이 MR댐퍼에 제어 입력을 인가하였을 경우, 제어를 하지 않은 경우에 비해 진동이 빠르게 감소하는 것을 확인 할 수 있다.

이론/모형

L_p는 자극의 길이를 나타내며, 𝜏_y()H는 자기장(H )의 함수로 표현되는 항복응력을 나타낸다[8]. 본 연구에서는 Lord사의 MRF-132DG를 적용하였으며, 이의 항복응력을 자기장의 함수로 표현하면 다음과 같다[9].

성능/효과

2. 파이프 자유단의 진동을 제어하기 위한 스카이훅제어기를 구성하고, 제안된 제어기에 의하여 임펄스 형태와 조화함수 형태의 가진의 입력에 대하여제어가 이루어짐을 확인하였다.
일반적인 댐퍼의 특성곡선과 유사하게 속도가 증가함에 따라 감쇠력이 증가하고 있다. 또한, 공급하는 전류에 의해 발생하는 자기장이 증가함에 따라 감쇠력이 증가하는 것을 확인할 수있다. Fig.

후속연구

향후 실험을 통한 성능 고찰을 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MR유체는 무엇인가?	MR(magneto-rheological) 유체는 외부에서 부하되는 자기장의 강도에 따라 유체의 유변적 성질이 변하는 특성을 지닌 유체이며, 이러한 특성을 지닌 MR유체를 적용한 응용 장치들이 많은 분야에서 연구되고 있으며, 그 중 감쇠력을 제어하기 위하여 댐퍼에 적용하는 경우도 있으며, 이를 MR댐퍼라 한다.
	천정에 부착하는 형식의 파이프 지지대의 단점은 무엇인가?	천정에 부착하는 형식의 파이프 지지대는 일반적으로 파이프를 감싸는 밴드와 이와 연결되어 천정의 고정부와 직결되는 강철 봉 형태의 파이프 행거로 구성된다. 이러한 방식의 지지대는 파이프진동이 강철봉의 행거를 통하여 천정의 고정 부위에 그대로 전달되어 구조물의 변형과 균열의 문제를 야기하게 된다.
	파이프에서 발생한 진동은 무엇에 영향을 미치는가?	파이프에서 발생한 진동은 파이프계의 안정성 및 수명에만 영향을 미치는 것이 아니라, 파이프 지지대를 통하여 그대로 구조물에도 진동을 전달되어 구조물의 변형이나 균열을 발생시켜 구조물의 안정성과 수명에도 영향을 준다. 또한, 작업자나 거주자의 생체적 기능에도 악영향을 줄 수 있다[6].

참고문헌 (9)

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H. J. Kim, B. J. Ryu, S. H. Jung, "Effect of External Damping and Tip Mass on Dynamic Stability of Pipes Conveying Fluid", Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration engineering, Vol. 19, No. 6, pp.569-574, 2009

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B. S. Kim, B. K, Choi, "Vibration Diagnosis of Building caused by Structural Resonance of the Fixing Beam for the Pipes", J. Ins. Marine Industry, Vol 21, pp.103-109, 2008.
Singiresu S. Rao, Mechanical Vibrations, pp.67-69, Pearson Education Korea, 2004
W. C. Park, H. C. Lee, "Study on design of the magnetic pole used in the dashpot type MR fluid mount", J. of the Korea Academia-Industrial cooperational Society, Vol. 10, No.3, March 2009 DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2009.10.3.482

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Load Corporation, Load technical data, http://www.lord.com/Products-and-Solutions/Magneto-Rheological-(MR)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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