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문제 정의
- 이러한 다양한 배관지지 기술은 산업구조물에서 많은 양을 사용하고 있으나, 전량수입에 의존하고 있는 상황으로 오래 전부터 국산화 및 새로운 형태의 기술 개발 필요성이 요구되어 지고 있는 실정이다. 본 연구에서는 기존의 장치들과는 다른 형태의 마찰진자 원리를 적용하여 진동을 감쇄시키는 신개념 방진장치를 개발하여 장치의 특성시험을 수행하고 그 결과를 분석하였다.
제안 방법
- 장치 설계의 신뢰성을 높이기 위해 이론을 정교화하여 FAP(Friction concave damper Anlaysis Program)를 개발하였고, 장치 설계 전 FAP를 사용하여 예측된 설계값과 Ansys v15.0 결과값을 비교하여 장치의 거동 양상을 확인하였다.
- FCD 장치의 거동을 확인하기 위해 0.5ton 용량과 함께 설계변위가 60mm, 용량이 10ton인 제품을 설계하였다. 장치는 상부곡률에 따른 특성을 확인해 보기 위해 총 5가지의 type으로 설계되었다.
- ∙개발된 장치의 특성을 예측하기 위해 자체 해석 프로그램인 FAP를 개발함으로써 설계 신뢰성이 향상됨.
- 해석은 거동이 발생하는 부분과 발생하지 않는 부분으로 나누어 진행하였고, 거동이 발생하는 부분은 마찰진자 댐퍼의 실제 감쇠와 복원력이 구현되는 부분이다. 경계 조건은 Center Rod와 Cylinder면의 평행한 방향으로 움직임을 허용하고 면의 수직방향에 대하여 고정하는 Frictionless support condition을 적용하였다. 하중은 실제 시험에서와 같이 변위 제어 방식으로 40mm의 강제 변위를 적용하였다.
- 하지만 FPS는 구조물의 중량에 의존하기 때문에 점성댐퍼와 같이 독립적으로는 사용되지 못하고 있다. 구조물의 중량을 FPS에 스프링의 압축력으로 대신 적용하여 마찰 진자형 댐퍼(FCD, Friction Concave Damper)를 개발하였다.
- 내구성 시험은 속도 20mm/sec로 10,000회의 반복 시험을 수행하였다. 100회까지의 시험 동안 Qd 값은 0.
- 재료 시험 결과 스프링의 형상계수가 클수록 비선형성이 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, FAP의 하중-이력곡선도 이러한 특성을 잘 나타내는 것을 확인하였다. 또한, FAP의 정밀도를 높이기 위해 속도와 접촉압력에 따라 달라지는 마찰계수의 변화를 고려하였다. Fig.
- 변형률에 따른 탄성계수의 변화를 고려하여 스프링의 형상별 응력 변형도 곡선을 비교하였다. 재료 시험 결과 스프링의 형상계수가 클수록 비선형성이 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, FAP의 하중-이력곡선도 이러한 특성을 잘 나타내는 것을 확인하였다.
- 설계를 통한 이론값과 해석값의 비교분석 후 장치 특성의 실증을 위해 0.5ton 용량에 40mm 설계 변위로 설계 및 제작 하였다. Fig.
- 성능 시험은 연직 100kN, 수평 50kN, 변위는 연직으로 ±75mm 수평으로는 ±100mm의 제원을 가진 2축 동적 시험기를 사용하여 수행하였고, 2축 동적 시험기의 전경은 Fig. 16과 같다.
- 17과 같이 2축 동적 시험기에 장치를 고정한 후 ±40mm로 변위 제어 시험을 진행하였다. 시험은 총 3종류로 기본 특성시험, 속도 의존성 시험, 내구성 시험을 수행하였다. 상세 시험 종류 및 조건은 Table 9에 나타내었다.
- 이 장에서는 본 연구를 통해 개발한 마찰 진자형 댐퍼의 거동 원리와 특징에 대하여 설명하고, 장치 특성 시험을 통해 얻은 결과를 설계값과 Ansys 해석값을 비교하여 장치 성능을 검증하고자 한다.
- 이와 같은 이유로 본 해석에서 Mesh는 작을수록 정해에 근접하지만 수렴하는 시간과 속도가 오래 걸리기 때문에 정밀 해석이 필요한 곡면 부분에 대해서만 Mesh를 작게 산정하였다. Fig.
- 7과 같은 로그함수를 나타낸다. 이와 같이 재료에 대한 속도 의존성을 확인하였고, FCD 장치에 동특성이 있는 마찰재를 적용하였을 때의 특성을 확인하기 위해 FAP를 사용하여 Fig. 8, Table 3과 같은 결과를 얻었다.
- 5ton 용량과 함께 설계변위가 60mm, 용량이 10ton인 제품을 설계하였다. 장치는 상부곡률에 따른 특성을 확인해 보기 위해 총 5가지의 type으로 설계되었다.
- 폴리우레탄 스프링(MER-Spring)은 점탄성 물질로서 탄성계수가 비선형적인 특성을 갖는다. 탄성계수는 스프링의 변형 속도와 변형률에 의존성을 갖기 때문에 이를 고려하여 설계 모듈을 구성하였다. Fig.
- 해석은 거동이 발생하는 부분과 발생하지 않는 부분으로 나누어 진행하였고, 거동이 발생하는 부분은 마찰진자 댐퍼의 실제 감쇠와 복원력이 구현되는 부분이다. 경계 조건은 Center Rod와 Cylinder면의 평행한 방향으로 움직임을 허용하고 면의 수직방향에 대하여 고정하는 Frictionless support condition을 적용하였다.
대상 데이터
- 10ton 용량의 시험체는 Fig. 22와 같이 FAP를 사용하여 상부 곡률 350mm∼750mm까지 총 5종류로 설계되었다.
데이터처리
- FAP로 설계결과와 Ansys 해석결과를 Fig. 14와 같이 이력곡선을 통해 비교하고, Table 7과 같이 특성값을 비교 분석하였다.
- FAP를 통해 확인된 장치의 성능을 검증하기 위해 Ansys 프로그램을 사용하여 유한요소해석을 수행하였다. 해석하고자 하는 구조체의 분할(Discretization)을 수행함에 있어서 요소들의 종류, 형상, 및 그 수의 결정과, 절점의 위치 정의 등은 유한요소법에 의한 보다 정확한 해를 구하는데 중요한 조건이다.
- 기본 특성시험 조건인 변위 40mm, 속도 100mm/sec에서의 결과값과 Ansys 해석값, FAP 설계값을 하중-이력곡선을 통해 비교하였다.
성능/효과
- 내구성 시험은 속도 20mm/sec로 10,000회의 반복 시험을 수행하였다. 100회까지의 시험 동안 Qd 값은 0.4% 변화하였으며, 10,000회 시험 후 장치의 외부형상과 시험전의 형상과 비교했을 시 거의 동일한 것을 확인하였다. 마찰형식의 댐퍼인 FCD는 우수한 내마모성을 갖는 마찰재를 사용하였기 때문에, 반복횟수 10,000회 이상의 내구성 시험 결과 특성 변화가 거의 발생하지 않음을 알 수 있다.
- Fig. 13과 같이 응력 분포 결과를 보면, 장치 거동 시 Center Rod를 기준으로 발생하는 응력이 대칭적으로 고른 것을 확인할 수 있으며, Center Rod에서 최대로 발생하는 응력은 33.04MPa로 허용응력 대비 6배 높은 안전율을 확보하는 것을 알 수 있다. 장치 각 부분의 고른 응력 분포는 한곳의 응력 집중현상으로 인해 손상이 발생하지 않는 것을 의미하기 때문에 댐퍼의 내구성이 좋다는 것을 의미한다.
- ∙설계값의 신뢰성을 검증하기 위해 0.5ton 시제품을 작하여 특성 시험을 수행하였고, 설계값과 비교한 결과 동일한 경향을 보였으며, 10% 이내의 편차값 발생함.
- Type별 장치의 동적 특성은 Table 13에 나타내었다. 결과를 보면, 곡률이 감소함에 따라 이차강성이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 동일한 조건하에서 곡률만 변화시켰기 때문에 항복값은 5Type 모두 비슷하며, 이차강성이 증가함에따라 EDC면적 값이 증가하는 양상을 나타냈다.
- 결과를 보면, 곡률이 감소함에 따라 이차강성이 증가하는 것을 확인 할 수 있다. 동일한 조건하에서 곡률만 변화시켰기 때문에 항복값은 5Type 모두 비슷하며, 이차강성이 증가함에따라 EDC면적 값이 증가하는 양상을 나타냈다. 또한, 곡률이 감소함에 따라 2차 강성이 증가하는 경향을 나타낸 것으로 보아 우레탄스프링의 증가한 복원강성이 잘 반영된 것을 확인할 수 있다.
- 또한, 곡률이 감소함에 따라 2차 강성이 증가하는 경향을 나타낸 것으로 보아 우레탄스프링의 증가한 복원강성이 잘 반영된 것을 확인할 수 있다.
- 변형률에 따른 탄성계수의 변화를 고려하여 스프링의 형상별 응력 변형도 곡선을 비교하였다. 재료 시험 결과 스프링의 형상계수가 클수록 비선형성이 두드러지게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, FAP의 하중-이력곡선도 이러한 특성을 잘 나타내는 것을 확인하였다. 또한, FAP의 정밀도를 높이기 위해 속도와 접촉압력에 따라 달라지는 마찰계수의 변화를 고려하였다.
- 특성값 비교결과, 2% 미만의 편차가 발생하였으며 재료 특성에 관한 비선형적 이론이 적용된 FAP를 통해 설계한 장치 성능의 신뢰성을 확인하였다.
후속연구
- ∙FAP를 사용하여 5종류의 곡률별 방진장치를 설계한 결과 곡률이 커질수록 유효강성은 감소하는 경향을 보였으며, 향후 시제품을 제작하고 성능시험을 통해 결과 비교할 예정임.
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