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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 동역학해석 프로그램인 ADAMS를 이용하여 탈수과정에서의 드럼세탁기의 진동 특성을 파악하고, 최적화 기법을 이용하여 세탁기 캐비넷의 진동 저감을 위한 현가시스템의 최적설계 방법을 제시하였다.
- 본 연구에서는 다물체동역학을 사용한 진동특성 해석과 최적설계기법을 연계활용하여 세탁기의 진동저감을 위한 최적설계 방법을 제시하였다.
제안 방법
- 1) 다물체 동역학 프로그램인 ADAMS를 이용하여 세탁기의 현가시스템을 모델링하였고 구속 조건과 현가장치의 동특성시험을 통해 측정된 물성치를 적용하여 시뮬레이션 모델을 완성하였다.
- 2) 완성된 시뮬레이션 모델의 검증을 위하여 시뮬레이션 모델의 응답과 실제 세탁기의 응답을 비교하여 모델의 신뢰성을 높였다.
- 본 연구에서는 세탁기의 현가시스템을 구성하는 스프링, 댐퍼, 부싱을 최적화하여 그 결과를 비교 분석하였다. 2장에서 모델링된 세탁기의 모델을 이용하였으며, ADAMS에 내장되어 있는 최적화 프로그램을 적용하여 수행하였다. 최적설계 알고리즘은 순차 2차계획법9)을 이용하였다.
- 3) 세탁기의 진동을 저감시키기 위해서 탈수과정에서 캐비넷을 통과하여 바닥에 전달되는 힘과 터브의 좌우변위를 최소화하는 최적설계를 수행하여 현가시스템의 스프링상수와 감쇠계수의 최적 설계변수 값들을 구하였다.
- ADAMS로 모델링한 해석모델의 검증을 위해서 터브의 x, y축 가속도와 캐비넷 다리 4지점에서의 지면 전달력을 측정하였다.
- 또한 댐퍼의 양 끝단에 고무부싱이 위치하며, 이는 토크 벡터를 사용하여 구현하였다. 감쇠력과 스프링력은 힘 벡터를 사용하여 구현하였으며, 댐퍼의 로드와 실린더는 실린더리컬 조인트로 구속을 하였다. 그리고 캐비넷과 터브 상부에는 두 개의 스프링 요소를 사용하여 터브를 지탱하게 하였다.
- 본 연구에서 모델링된 모델은 12자유도를 가지며 총 12개의 모드가 존재한다. 고유진동수에 대한 세탁기의 거동을 파악하기 위해 모드해석을 수행하였다.
- 설계변수는 세탁기 현가시스템을 구성하는 스프링과 댐퍼의 스프링 상수와 감쇠계수로 선정하였다. 그리고 설계변수의 허용범위는 다른 세탁기의 계수들을 참고하여 결정하였다. 목적함수는 식(1)과 같이 캐비넷을 통해 바닥에 작용하는 하중 F의 rms(root mean square)값을 최소화 하는 것으로 설정하였으며, 목적함수의 절대치가 10-4에 수렴하거나 각설계변수의 절대치가 10-4에 수렴하면 계산이 종료되도록 하였다.
- 감쇠력과 스프링력은 힘 벡터를 사용하여 구현하였으며, 댐퍼의 로드와 실린더는 실린더리컬 조인트로 구속을 하였다. 그리고 캐비넷과 터브 상부에는 두 개의 스프링 요소를 사용하여 터브를 지탱하게 하였다. 드럼과 터브는 각각 원통형으로 모델링하였고 회전 조인트로 구속하였다.
- 그리고 캐비넷과 터브 상부에는 두 개의 스프링 요소를 사용하여 터브를 지탱하게 하였다. 드럼과 터브는 각각 원통형으로 모델링하였고 회전 조인트로 구속하였다. 드럼의 내부중심에 0.
- 드럼세탁기를 ADAMS를 사용하여 강체 요소, 힘 요소, 조인트 요소 및 구속 요소로 모델링하였다. 세탁기 시스템은 여러 부품들로 구성되어 있으며, 경계조건이 다양하기 때문에 모두를 고려하여 모델을 구축하기에는 어려움이 있으므로 모델을 간략화 시킬 필요가 있다.
- 드럼세탁기의 진동해석을 위해 필요한 구동 입력치를 구하기 위해서 Fig. 5와 같이 홀센서를 사용하여 탈수모드에서 드럼의 회전속도를 측정하였다.
- 드럼과 터브는 각각 원통형으로 모델링하였고 회전 조인트로 구속하였다. 드럼의 내부중심에 0.5 kg의 불평형 질량을 고정조인트를 사용하여 부가하였으며, 캐비넷과 지면 사이는 부싱요소를 사용하여 묘사하였다.
- 터브와 캐비넷 사이에는 2개의 댐퍼가 위치하고 댐퍼와의 체결 부분은 후크 조인트를 사용하여 X, Y, Z 축을 구속시켜 회전만을 허용하게 하였다. 또한 댐퍼의 양 끝단에 고무부싱이 위치하며, 이는 토크 벡터를 사용하여 구현하였다. 감쇠력과 스프링력은 힘 벡터를 사용하여 구현하였으며, 댐퍼의 로드와 실린더는 실린더리컬 조인트로 구속을 하였다.
- 세탁기 시스템은 여러 부품들로 구성되어 있으며, 경계조건이 다양하기 때문에 모두를 고려하여 모델을 구축하기에는 어려움이 있으므로 모델을 간략화 시킬 필요가 있다. 모델의 간략화를 위해 세탁기의 동적거동에 영향을 미치는 주요 부품들인 터브, 드럼, 캐비넷, 댐퍼 등을 강체요소로 구성하였다. 그리고 이들 강체들은 조인트 요소를 이용하여 상호 구속을 하였다.
- 본 연구에서는 댐퍼의 특성시험 데이터를 참고하여 두 번째 방법을 사용하여 댐퍼를 모델링하였다.
- 본 연구에서는 드럼세탁기의 진동이 제일 심하게 나타나는 탈수과정을 중심으로 물을 머금은 옷감의 무게중심에서의 집중질량으로 가정하여 Fig. 14와 같이 0.5 kg의 부가질량을 드럼내부 중심에 부착하여 세탁물이 한 곳에 모이는 효과를 구현하였다.
- 본 연구에서는 세탁기의 현가시스템을 구성하는 스프링, 댐퍼, 부싱을 최적화하여 그 결과를 비교 분석하였다. 2장에서 모델링된 세탁기의 모델을 이용하였으며, ADAMS에 내장되어 있는 최적화 프로그램을 적용하여 수행하였다.
- 본 연구에서는 실제 모델과 근접한 응답을 줄 수 있는 신뢰성 있는 해석모델을 구축하기 위하여 모델링에 앞서 연구대상 세탁기의 현가시스템 구성품 중 댐퍼에 대한 특성시험을 Fig. 2와 같은 장비를 사용하여 실시하였다. 댐퍼의 특성 시험을 위해서 스프링과 고무부싱을 제거한 후 지그를 연결 하였으며, 시험기의 상부에 위치한 액추에이터의 스카치 요크 운동에 의해 댐퍼가 가진된다.
- 캐비넷의 지면 전달력의 최적설계에 대한 정식화는 식(1)과 같이 정의하였다. 설계변수는 세탁기 현가시스템을 구성하는 스프링과 댐퍼의 스프링 상수와 감쇠계수로 선정하였다. 그리고 설계변수의 허용범위는 다른 세탁기의 계수들을 참고하여 결정하였다.
- 내부 부품사이의 충돌을 방지하기 위한 최적 설계의 정식화는 식(2)와 같이 정의하였다. 설계변수로서는 2장의 모드해석을 참고하여 터브의 거동에 영향을 미치는 현가시스템의 상부, 하부 부싱에 대한 스프링상수와 감쇠계수로 선정하였다. 목적함수는 터브의 좌우 변위를 최소화하는 것으로 설정하였다.
- 스프링-댐퍼와 부싱에 대한 최적 설계치의 타당성을 입증하기 위해 최적 설계된 값을 세탁기 모델에 적용하여 해석을 수행하였다. Fig.
- 최적설계의 결과로 지면 전달력과 터브의 변위를 최소화시키는 스프링상수와 감쇠계수의 최적설계치를 구하였다. 설계변수의 초기값은 설계제한 조건을 만족하는 임의값을 사용하였다.
- 탈수모드에서 세탁물의 거동을 고려한 불평형 질량을 드럼의 중간지점에 고정하고 시험을 통해서 얻어진 드럼의 회전 속도를 구동입력으로 넣어서 시뮬레이션을 수행하였다. 본 연구에서 모델링된 모델은 12자유도를 가지며 총 12개의 모드가 존재한다.
- 7은 세탁기의 진동해석을 위한 다물체 동역모델이며 여러 개의 강체와 강체 사이의 구속 조건 및 힘과 토크 벡터 등을 나타낸다. 터브와 캐비넷 사이에는 2개의 댐퍼가 위치하고 댐퍼와의 체결 부분은 후크 조인트를 사용하여 X, Y, Z 축을 구속시켜 회전만을 허용하게 하였다. 또한 댐퍼의 양 끝단에 고무부싱이 위치하며, 이는 토크 벡터를 사용하여 구현하였다.
- 특성 시험 결과는 시험기에서 제공하는 디지털 데이터로 시간, 변위, 힘을 저장하여 결과를 분석하였다. 또한, 인장과 압축을 구분하기 위하여 댐퍼가 인장 운동을 할 때의 댐핑력을 “+”값으로, 반대 방향인 압축 운동일 때의 댐핑력을 “-”값으로 표시하였다.
대상 데이터
- 탈수모드에서 세탁물의 거동을 고려한 불평형 질량을 드럼의 중간지점에 고정하고 시험을 통해서 얻어진 드럼의 회전 속도를 구동입력으로 넣어서 시뮬레이션을 수행하였다. 본 연구에서 모델링된 모델은 12자유도를 가지며 총 12개의 모드가 존재한다. 고유진동수에 대한 세탁기의 거동을 파악하기 위해 모드해석을 수행하였다.
이론/모형
- 2장에서 모델링된 세탁기의 모델을 이용하였으며, ADAMS에 내장되어 있는 최적화 프로그램을 적용하여 수행하였다. 최적설계 알고리즘은 순차 2차계획법9)을 이용하였다.
성능/효과
- 15는 캐비넷을 통해 바닥에 전달된 힘의 시험값을 보여준다. 2장의 해석 모델을 사용한 시뮬레이션 결과와 비교를 해보면 시뮬레이션과 시험 결과 모두 3지점에서의 피크치가 확인되며, 거의 비슷한 시간대에 발생하는 것을 알 수 있다. 그리고 전달된 힘에 대해서 오차가 존재하는데이는 시뮬레이션에서 각 파트의 물성치가 실제와는 차이가 있고 실제 세탁기 시스템에서는 무게중심이 중앙에 존재하지 않고 설치에 따라 한 쪽으로 기울 수 있기 때문으로 인한 오차로 판단된다.
- 4) 이 최적화된 설계변수 값들을 적용하여 캐비넷에서 바닥으로 전달되는 힘이 약 50%, 그리고 터브의 좌우 변위가 약 34% 줄어드는 것을 해석적으로 확인하였다.
- 최적 설계 전 값은 2장의 시뮬레이션 결과를 사용하였다. 드럼의 회전속도가 약 145 rpm 이전 구간에서는 감쇠계수가 클수록 감쇠력도 크게 작용하여 지면 전달력이 작아지며, 이후 구간에서는 감쇠계수가 커질수록 지면 전달력이 커지는 것을 확인할 수 있다.
- 또한 터브의 변위 감소율은 34%이다. 이상의 결과로 ADAMS를 사용한 현가시스템의 최적 설계를 통해 세탁기의 진동 특성을 개선시킬 수 있음을 확인하였다.
- 드럼의 회전 속도가 증가하면 x, y축의 가속도가 증가 되는 것을 볼 수 있다. 이상의 시험과 시뮬레이션 결과에서 약간의 오차가 존재하지만 해석모델을 사용한 시뮬레이션이 연구 대상 세탁기의 동적 특성을 잘 표현한다고 판단된다.
- Table 1은 최적설계 수행 중 설계변수들의 변화 정도를 보여준다. 지면 전달력은 11번의 반복 후에 최적화되었고 그 값은 136.65 N에서 51.844 N으로 약 62% 감소한 것을 알 수 있다. Table 2는 터브의 변위를 최소화시키는 최적화 과정을 보여주며, 초기변위 16.
- Table 3~4는 최적설계 전후의 감소비율을 나타낸다. 최적설계 후 바닥에 전달되는 힘이 감소하였고 캐비넷의 4지점에서의 평균 감소율이 52.25%이다. 또한 터브의 변위 감소율은 34%이다.
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