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문제 정의
- 이 논문에서는 와이어 메쉬를 활용한 마운트 제품 설계 응용을 목적으로 와이어 메쉬 재질 특성 파악을 위한 실험을 수행하고, 방진마운트 설계 관점에서 재질 특성에 대해 논의하였다. 이를 위해 와이어 메쉬 특성 파악을 위한 원통형 압축 시험 시편을 제작하였으며(4), 재료시험기 및 유료하중을 포함한 단순화된 마운트 계를 이용하여 동탄성계수를 추출하는 시험을 수행하였다.
- 와이어 메쉬 마운트 설계·개발을 위해서는 와이어 메쉬 재질의 특성 파악이 선행되어야 한다. 이 연구에서는 마운트의 정적/동적 물성치로 간주되는 정적/동적 탄성계수를 파악하기 위하여 단순 형상의 원기둥형 시편을 제작하여 재료시험기와 유료하중을 포함한 단순화된 절연계를 이용하여 정적/동적 탄성계수를 추출하는 시험을 수행하였다. 정적 탄성계수 실험 결과로부터 탄성계수를 결정하기 위한 매개변수들의 관계를 선형회귀분석을 통해 정리하였고, 메쉬 재질이 밀도(ρ) 〉산성형(s) 〉와이어지름(d) 순으로 탄성계수 결정에 민감함을 파악하였다.
제안 방법
- 관심 주파수 구간에서의 대푯값을 추출하기 위하여 상부 유료하중(payload)의 크기를 6.9 kg ~ 31 kg까지 변경하며 반복 시험을 수행하였으며, 신뢰성 확인을 위한 입력 힘의 자기스펙트럼밀도(auto-power spectrum density(PSD))와 입·출력 사이의 상관도(coherence)를 Fig. 7과 같이 확인하였다.
- 단순 형상 시편의 강성계수 추출을 위한 하중-변위 선도를 계측하기 위해 Fig. 3과 같이 유압을 이용하는 재료시험기인 MTS-810을 이용하여 시편에 대한 압축 실험을 수행하였다. 정적 물성치 특성을 측정하기 위하여 압축 속도는 2 mm/min으로 설정하였으며, 재질의 대표적인 특성 제시를 위하여 4개의 동일한 시편에 대해 계측된 정적 강성계수 결과의 평균값을 이용하였다.
- 동적 탄성계수 추출의 경우, 대표적인 시편에 대한 특성을 관찰하기 위하여 시험계획법을 적용하였으며, 이로부터 Table 4와 같이 8개의 시험편을 선정하였다. 시편 상부에 계의 안정성을 보장하면서 하중을 부가하기 위하여 Fig. 6과 같이 4개의 원기둥형 시편을 1set으로 구성하여 동강성계수 추출 실험을 수행하였다.
- 와이어 메쉬 재질 특성 파악을 위한 시편은 단순한 형상의 원기둥으로 제작하였다. 이는 탄성계수추출을 위한 치수 정보 확보가 용이하며, 압축 시험은 좌굴 현상이 발생될 수 있으므로 인장과 달리 세 장비가 작게 제작되어야 하기에 이를 고려하여 Fig. 1에 도시한 바와 같이 원기둥 형상의 시편을 제작하였다(5~7). 이 실험에 사용된 시편은 Ø30×40, Ø40×40, Ø30×20, Ø40×20의 크기로 제작하였으며, 설계 변수로는 강성에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 밀도(ρ), 산성형(s), 와이어 굵기(d)를 고려하였다.
- 동적 탄성계수 파악을 위한 충격실험 수행 결과, 정적 처짐으로 인한 유료하중 증가가 메쉬의 밀도 증가를 발생시켰으며, 이로 인해 정하중에 따른 지속적인 강성 증가 현상이 관찰되었다. 이로부터 와이어 메쉬 마운트 설계 시 압축 방향 마운트 설계보다는 횡방향 하중을 동시에 받는 방향으로 마운트를 설계할 것을 제안하였다. 동적 탄성계수 실험 결과로부터 매개변수들에 대한 선형회귀 분석 결과를 정리하였고, 메쉬 재질이 처짐(ε) 〉밀도(ρ) 〉산성형(s) 〉와이어지름(d) 순으로 탄성계수 결정에 민감함을 파악하였다.
- 그리고 충분히 늦은 압축 속도(2 mm/min)를 적용했음에도 불구하고, 부하(loading)와 제하(unloading) 시 다른 하중-변형 양상이 관찰되었다. 이로부터 재질의 큰 감쇠를 예상해 볼 수 있었으며, 하중-변형의 초기 압축(1회)을 제외한 3회 압축 결과의 산술 평균을 이용하여 각 시편의 정강성계수를 추출하였다. Fig.
- 이를 바탕으로 방진 요소로 활용하기 위한 와이어 메쉬의 장·단점을 논의하였으며 향후 마운트 설계를 위한 실험 D/B를 구축하였다.
- 이 논문에서는 와이어 메쉬를 활용한 마운트 제품 설계 응용을 목적으로 와이어 메쉬 재질 특성 파악을 위한 실험을 수행하고, 방진마운트 설계 관점에서 재질 특성에 대해 논의하였다. 이를 위해 와이어 메쉬 특성 파악을 위한 원통형 압축 시험 시편을 제작하였으며(4), 재료시험기 및 유료하중을 포함한 단순화된 마운트 계를 이용하여 동탄성계수를 추출하는 시험을 수행하였다. 이를 바탕으로 방진 요소로 활용하기 위한 와이어 메쉬의 장·단점을 논의하였으며 향후 마운트 설계를 위한 실험 D/B를 구축하였다.
- 재료시험기를 이용한 정적 탄성계수와 충격실험을 통한 동적 탄성계수를 바탕으로 단순 형상의 원기둥 시편에 대해서 동배율(dynamic ratio)을 도출하였다. 와이어 메쉬 재질의 동배율은 9 이상으로 점탄성 재료가 대부분 2 이하인 점을 감안하면 동배율이 상당히 높게 관찰되며 이는 마운트 재질 관점에서 동일한 유료하중에 대해 고유진동수를 상대적으로 높게 가진다는 점을 바탕으로 판단할 때, 단점으로 지적될 수 있다(Table 8 참조).
- 제작된 시편의 초기 변형 시 제작된 시편의 불균질성으로 인하여 정확한 측정이 어려울 것으로 판단하여 -1 mm ~-2 mm의 압축 구간에서 힘과 변형 정보를 이용하여 정적 강성계수를 추출하였으며, 이를 활용하여 정적 탄성계수를 Table 2와 같이 추출하였다.
대상 데이터
- 동적 탄성계수 추출의 경우, 대표적인 시편에 대한 특성을 관찰하기 위하여 시험계획법을 적용하였으며, 이로부터 Table 4와 같이 8개의 시험편을 선정하였다. 시편 상부에 계의 안정성을 보장하면서 하중을 부가하기 위하여 Fig.
- 와이어 메쉬 재질 특성 파악을 위한 시편은 단순한 형상의 원기둥으로 제작하였다. 이는 탄성계수추출을 위한 치수 정보 확보가 용이하며, 압축 시험은 좌굴 현상이 발생될 수 있으므로 인장과 달리 세 장비가 작게 제작되어야 하기에 이를 고려하여 Fig.
- 이 실험에 사용된 시편은 Ø30×40, Ø40×40, Ø30×20, Ø40×20의 크기로 제작하였으며, 설계 변수로는 강성에 큰 영향을 미칠 것으로 판단되는 밀도(ρ), 산성형(s), 와이어 굵기(d)를 고려하였다.
데이터처리
- 도출결과에 대한 경향성 파악을 위하여 선형회귀분석을 수행하였으며, 동적 탄성계수에 영향을 미치는 매개변수는 정적 탄성계수와 같은 와이어지름(d), 밀도(ρ), 산성형(s)으로 고려하였으며, 정적처짐에 의한 동적인 탄성계수의 민감도를 파악하기 위해 연신율(ε)을 추가하였다(Table 6 참조).
- 도출결과에 대한 경향성 파악을 위하여 선형회귀분석을 수행하였으며, 탄성계수에 영향을 미치는 매개변수는 와이어지름(d), 밀도(ρ), 산성형(s)으로 설정하였다.
- 단, 동일한 표준시편제작에 대해 가공오차가 관찰되며 이는 시편에 따른 탄성계수 값의 차이를 나타냈으며 그 차이는 약 15 %로 계산되었다. 이 연구에서는 동일한 4개 시편의 평균값으로 비교하였다.
- 3과 같이 유압을 이용하는 재료시험기인 MTS-810을 이용하여 시편에 대한 압축 실험을 수행하였다. 정적 물성치 특성을 측정하기 위하여 압축 속도는 2 mm/min으로 설정하였으며, 재질의 대표적인 특성 제시를 위하여 4개의 동일한 시편에 대해 계측된 정적 강성계수 결과의 평균값을 이용하였다.
- 정적 탄성계수 실험 결과로부터 탄성계수를 결정하기 위한 매개변수들의 관계를 선형회귀분석을 통해 정리하였고, 메쉬 재질이 밀도(ρ) 〉산성형(s) 〉와이어지름(d) 순으로 탄성계수 결정에 민감함을 파악하였다.
성능/효과
- 이는 유료하중이 작아서 4점으로 지지한 와이어 메쉬 시편이 지지부 및 강성 요소로서 역할을 하지 못하여 나타난 결과로 판단되며, 이러한 현상은 유료하중 증가에 따라 발생되지 않는다. 22 kg 이상의 유료하중 구간에 대해서는 강성이 비선형적으로 크게 증가하는 경향이 관찰되었으며, 정하중 증가에 의한 와이어 메쉬 밀도 증가로 인해 강성이 증가하는 구간이 발생한다고 판단되며 시편 높이 대비 약 4 % 이상의 변형 구간부터 경화 현상이 관찰되었다. 이러한 경화 현상은 와이어 메쉬 재질을 이용한 방진 요소 설계 시 제약 조건으로서, 밀도 변화가 현저하게 발생되는 수직 방향의 강성 요소 설계보다는 횡방향 변형을 함께 감안한 설계가 이루어져야 한다고 판단된다.
- 단, 동일한 표준시편제작에 대해 가공오차가 관찰되며 이는 시편에 따른 탄성계수 값의 차이를 나타냈으며 그 차이는 약 15 %로 계산되었다. 이 연구에서는 동일한 4개 시편의 평균값으로 비교하였다.
- 단순선형회귀분석 결과로부터 상관계수는 0.83 탄성계수의 예측도가 나타났으며, 탄성계수를 결정하는 민감도 순위는 밀도(ρ) 〉산성형(s) 〉와이어지름(d) 순으로 관찰되었다.
- 단순선형회귀분석 결과로부터 상관계수는 0.86로 탄성계수의 예측도가 나타났으며, 탄성계수를 결정하는 민감도 순위는 처짐(ε) 〉밀도(ρ) 〉산성형(s) 〉와이어지름(d) 순으로 관찰되었다.
- 동적 탄성계수 실험 결과로부터 매개변수들에 대한 선형회귀 분석 결과를 정리하였고, 메쉬 재질이 처짐(ε) 〉밀도(ρ) 〉산성형(s) 〉와이어지름(d) 순으로 탄성계수 결정에 민감함을 파악하였다.
- 동적 탄성계수 파악을 위한 충격실험 수행 결과, 정적 처짐으로 인한 유료하중 증가가 메쉬의 밀도 증가를 발생시켰으며, 이로 인해 정하중에 따른 지속적인 강성 증가 현상이 관찰되었다. 이로부터 와이어 메쉬 마운트 설계 시 압축 방향 마운트 설계보다는 횡방향 하중을 동시에 받는 방향으로 마운트를 설계할 것을 제안하였다.
- 정적/동적 탄성계수 비인 동배율을 계산하였으며, 다른 마운트 재질과 비교하여 상대적으로 큰 동배율이 관찰되었다. 이로부터 와이어 메쉬 마운트는 유료하중 대비 상대적으로 큰 고유진동수를 가지는 반면, 빠른 정착시간을 가지는 마운트 설계가 가능할 것으로 판단하였다.
- 동적 탄성계수 실험 결과로부터 매개변수들에 대한 선형회귀 분석 결과를 정리하였고, 메쉬 재질이 처짐(ε) 〉밀도(ρ) 〉산성형(s) 〉와이어지름(d) 순으로 탄성계수 결정에 민감함을 파악하였다. 정적/동적 탄성계수 비인 동배율을 계산하였으며, 다른 마운트 재질과 비교하여 상대적으로 큰 동배율이 관찰되었다. 이로부터 와이어 메쉬 마운트는 유료하중 대비 상대적으로 큰 고유진동수를 가지는 반면, 빠른 정착시간을 가지는 마운트 설계가 가능할 것으로 판단하였다.
- 충격실험 결과, 유료하중 22 kg까지의 고유진동수는 75 Hz에서 51 Hz로 감소했으나(Table 5 참조), 그 이후 하중에서는 고유진동수가 증가하여 강성이 크게 증가하는 현상이 관찰되었다. 정하중에 따른 변형이 선형적으로 나타난 하중 조건은 16 kg ~ 22 kg로 관찰되었으며, 6.
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