오늘날, 다양한 공학분야의 현장에서 제품개발을 위한 시간 및 비용을 단축하기 위해서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하고 있다. 시뮬레이션의 범위가 점차 넓어짐에 따라 기계, 유압, 전기, 열 등의 여러 개의 물리 영역을 포함하는 복잡하고 다양한 공학분야의 시스템을 멀티도메인으로 구성하여 통합적인 시뮬레이션을 하는 방법이 필요하다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 시뮬레이션을 효과적으로 기술하고 구현할 수 있도록 고안한 언어가 모델리카이다. 시스템을 모델링하고 시뮬레이션 하기 위해서는 물리적 모델을 크게 인과적 접근과 비인과적 접근으로 구분할 수 있다. 모델리카의 가장 큰 특징은 비인과적 프로그래밍 방식으로, 본 연구에서는 비인과적 프로그래밍인 모델리카에 대한 간단한 개념과 사용법을 소개하고 모델리카를 이용하여 2자유도 시스템의 진동해석과 그에 알맞은 파라미터를 설계하고자 한다.
오늘날, 다양한 공학분야의 현장에서 제품개발을 위한 시간 및 비용을 단축하기 위해서 컴퓨터 시뮬레이션을 이용하고 있다. 시뮬레이션의 범위가 점차 넓어짐에 따라 기계, 유압, 전기, 열 등의 여러 개의 물리 영역을 포함하는 복잡하고 다양한 공학분야의 시스템을 멀티도메인으로 구성하여 통합적인 시뮬레이션을 하는 방법이 필요하다. 이러한 문제점을 극복하기 위하여 시뮬레이션을 효과적으로 기술하고 구현할 수 있도록 고안한 언어가 모델리카이다. 시스템을 모델링하고 시뮬레이션 하기 위해서는 물리적 모델을 크게 인과적 접근과 비인과적 접근으로 구분할 수 있다. 모델리카의 가장 큰 특징은 비인과적 프로그래밍 방식으로, 본 연구에서는 비인과적 프로그래밍인 모델리카에 대한 간단한 개념과 사용법을 소개하고 모델리카를 이용하여 2자유도 시스템의 진동해석과 그에 알맞은 파라미터를 설계하고자 한다.
Today, we are using computer simulations in various engineering disciplines to reduce the time and cost of product development. The scope of simulations is increasingly complex and diverse for different fields such as mechanical, electrical, thermal, and fluid. Thus, it is necessary to use integrate...
Today, we are using computer simulations in various engineering disciplines to reduce the time and cost of product development. The scope of simulations is increasingly complex and diverse for different fields such as mechanical, electrical, thermal, and fluid. Thus, it is necessary to use integrated simulations. In order to overcome these problems, a language has been developed to effectively describe and implement simulations is Modelica. To model and simulate a system, physical models can be broadly divided into causal and acausal models. The most important feature of Modelica is acausal programming. In this study, we will introduce simple concepts and explain about the usage of Modelica. Furthermore, we will explain the vibration analysis of a two degree-of-freedom system and the design of appropriate parameters by using Modelica.
Today, we are using computer simulations in various engineering disciplines to reduce the time and cost of product development. The scope of simulations is increasingly complex and diverse for different fields such as mechanical, electrical, thermal, and fluid. Thus, it is necessary to use integrated simulations. In order to overcome these problems, a language has been developed to effectively describe and implement simulations is Modelica. To model and simulate a system, physical models can be broadly divided into causal and acausal models. The most important feature of Modelica is acausal programming. In this study, we will introduce simple concepts and explain about the usage of Modelica. Furthermore, we will explain the vibration analysis of a two degree-of-freedom system and the design of appropriate parameters by using Modelica.
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문제 정의
본 연구에서는 모델리카를 이용하여 진동 모델을 구성하고, 결과값에 대한 검증을 한 후 더 복잡한 시스템을 구성하고자 한다. 가장 먼저 모델리카를 이용하여 1자유도 진동모델을 구성하였고, Fig.
본 연구에서는 모델리카에 대한 간단한 개념을 소개하고 모델리카를 이용하여 시스템의 위, 아래의 수직방향으로 움직이는 2자유도(degree of freedom, DOF) 시스템의 진동모델을 구성한 후, 실험계획법인 중심합성계획법을 통해 스프링과 댐퍼에 해당하는 파라미터를 설계하여 모델의 응답을 확인하고자 한다. 이러한 결과값을 바탕으로 추후 연구 진행 예정인 디스크형 풍력발전 시스템 모델 제시하고자 한다.
본 연구에서는 비인과적 프로그래밍인 모델리카에 대해 소개하고, 모델리카를 이용한 스프링-질량계의 2자유도 시스템을 구성하였다. 스프링 상수와 댐퍼 상수를 설계변수로 하여 실험계획법을 통해 파라미터를 설계하였다.
가설 설정
8과 같이 구성하였다. 따라서 풍력발전기의 드라이브트레인(drivetrain) 모델의 개념도는 Fig. 9와 같으며 본 연구에서는 기어박스와 연결되는 발전기 및 제어 시스템에 대한 모델은 고려하지 않았다. 크랭크 축의 규격은 Fig.
제안 방법
883 N에 대한 데이터를 얻어내었다. 각 축에 작용하는 외력을 블레이드 모델의 질량 중심 방향으로 적용하여 2자유도 진동에 대한 해석을 진행하였다. 이 때 z축 방향의 힘은 고려하지 않았으며, 모든 시뮬레이션 과정은 0~100초까지로 동일하다.
모델리카를 이용하여 진동해석을 하기 위해 먼저 1자유도에 대한 응답을 고려하고자 한다. 모델은 Fig.
본 연구에서 제시하는 모델은 디스크형 블레이드(6)로서 타워의 위, 아래 방향으로 스프링-댐퍼를 구성(7)하여 2자유도 시스템의 진동해석을 진행하였다. 블레이드 모델에 대한 형상은 Fig.
선정 한 질량에 대해서 시스템의 진동해석을 하기 위해 스프링 상수(x1)와 댐퍼 상수(x2)를 설계변수로 지정하였다. 설계변수를 구하기 위해 실험계획법(design of experiment)(9)인 중심합성계획법(central composite design)을 사용하여 실험계획을 구하여 Table 2에 나타내었다.
선정한 모델에 대해서 스프링-댐퍼 시스템을 구성한 후 x축 방향, y축 방향의 외력에 대한 진동해석을 수행하였다. Fig.
스프링 상수와 댐퍼 상수를 설계변수로 하여 실험계획법을 통해 파라미터를 설계하였다. 설계변수에 따른 디스크형 블레이드의 진동해석을 진행하였고, 외력에 따른 응답을 확인하였다. 본 논문에서 설계한 변수 중 스프링 상수가 댐퍼 상수보다 진동 응답에 더 민감한 변수로 발생하였고, 특히 Case 5의 초기 응답이 가장 크게 나타나는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 비인과적 프로그래밍인 모델리카에 대해 소개하고, 모델리카를 이용한 스프링-질량계의 2자유도 시스템을 구성하였다. 스프링 상수와 댐퍼 상수를 설계변수로 하여 실험계획법을 통해 파라미터를 설계하였다. 설계변수에 따른 디스크형 블레이드의 진동해석을 진행하였고, 외력에 따른 응답을 확인하였다.
본 논문에서 설계한 변수 중 스프링 상수가 댐퍼 상수보다 진동 응답에 더 민감한 변수로 발생하였고, 특히 Case 5의 초기 응답이 가장 크게 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 출력값을 바탕으로 왕복운동 하는 질량-스프링-댐퍼 시스템을 크랭크 축을 이용하여 회전운동으로 변환하는 모델을 구성하였고, 각 조건에 따른 토크와 각속도를 확인하였다. 향후 본 결과를 바탕으로 하여 에너지를 출력으로 하는 모델을 구성하고, 설계한 파라미터에 따른 디스크형 블레이드의 출력을 얻는 것을 수행할 계획이다.
디스크형 풍력발전 시스템은 풍력에 의해 디스크 블레이드가 상, 하 방향으로 움직이면서 발전을 하는 시스템이다. 이에 따라 모델리카를 이용하여 양력 및 항력에 대응한 외력을 2자유도 진동 시스템에 적용하였고, 시스템으로부터 얻을 수 있는 출력을 확인하고자 한다.
진동해석 후 출력으로 발생하는 병진운동에 대한 변위를 회전운동(10)으로 변환시키고자 크랭크축(crank shaft) 모델(11)을 구성하였다. 디스크형 블레이드 시스템과 크랭크 축 및 기어박스에 대한 모델을 Fig.
대상 데이터
질량-스프링-댐퍼 시스템의 전체 높이는 10 m, 블레이드 모델의 초기조건으로는 초기위치 5 m, 초기속도 0 m/s으로 제한하였다. 시스템에 작용하는 외력은 ANSYS Fluent를 사용하여 풍속 조건이 11 m/s일 때, 본 연구에서 제시하는 모델의 수직방향 y축, 수평 방향 x축으로 작용(8)하는 양력 5.853 N, 항력 1.883 N에 대한 데이터를 얻어내었다. 각 축에 작용하는 외력을 블레이드 모델의 질량 중심 방향으로 적용하여 2자유도 진동에 대한 해석을 진행하였다.
크랭크 로드(crank rod)를 포함한 크랭크 축의 밀도는 1 kg/m3로 동일하게 설정해주었다. 크랭크 로드의 길이는 4.7 m로 선정하였고, 디스크형 블레이드와 크랭크 축 사이에 연결 되어 크랭크 축의 회전운동을 가능하게 만들어준다. 향후 진행할 연구로 디스크형 블레이드에 대한 출력에너지를 얻기 위해 본 연구에서는 먼저 진동해석을 통해 설계변수에 따른 각 모델의 응답을 확인하고, 회전운동으로 변환 될 때 크랭크 축으로부터 발생하는 토크와 각속도 및 기어박스로부터 발생하는 각속도를 확인하고자 한다.
데이터처리
2(b)에 나타내었다. 구성한 진동모델의 응답을 검증하기 위해 MATLAB과 비교를 진행하였다. 이때 선정한 파라미터는 질량 10 kg, 스프링 상수 50 N/m, 댐퍼 상수는 2 N·s/m이다.
이론/모형
모델리카 언어를 이용하여 시뮬레이션 하기 위해서 Open Source Modelica Consortium에서 제공하는 오픈모델리카(OpenModelica) 툴을 사용하여 연구를 진행하였다.
4에 나타내었다. 블레이드 모델의 파라미터는 형상 설계변수에 따라 구조해석 결과를 바탕으로 ABAQUS 6.12에서 확인을 하였고, Table 1과 같이 나타내었고, 모델리카 내의 Body Shape블록에 적용하였다.
)를 설계변수로 지정하였다. 설계변수를 구하기 위해 실험계획법(design of experiment)(9)인 중심합성계획법(central composite design)을 사용하여 실험계획을 구하여 Table 2에 나타내었다. 실험횟수는 9회이고, 설계범위는 다음과 같이 제한하였다.
9와 같으며 본 연구에서는 기어박스와 연결되는 발전기 및 제어 시스템에 대한 모델은 고려하지 않았다. 크랭크 축의 규격은 Fig. 10과 같이 선정하였고, 이를 모델리카 3D애니메이션(Modelica 3D animation)을 이용하여 나타내었다. 크랭크 로드(crank rod)를 포함한 크랭크 축의 밀도는 1 kg/m3로 동일하게 설정해주었다.
성능/효과
본 연구를 바탕으로 모델리카는 수식기반, 비인과적 시뮬레이션 툴이어서, 모델의 수정 절차의 고려가 필요 없다는 것을 확인할 수 있었다. 다시 말해 따로 수식을 정의할 필요 없이 모델링 하고자 하는 해당 블록의 용도와 블록간의 관계만을 정확하게 알고 있다면 수정 및 변경이 용이하고 따라서 시스템 모델의 작성에 매우 유리하다는 것을 확인할 수 있다. 모델리카의 한계점으로는 현재 오픈 소스로 지원하고 있는 오픈모델리카 툴내에서 지원하는 시스템 라이브러리들에 대해 아직까지 호환 되지 않는 라이브러리들에 대한 지원이 필요하다고 판단된다.
설계변수에 따른 디스크형 블레이드의 진동해석을 진행하였고, 외력에 따른 응답을 확인하였다. 본 논문에서 설계한 변수 중 스프링 상수가 댐퍼 상수보다 진동 응답에 더 민감한 변수로 발생하였고, 특히 Case 5의 초기 응답이 가장 크게 나타나는 것을 확인하였다. 이러한 출력값을 바탕으로 왕복운동 하는 질량-스프링-댐퍼 시스템을 크랭크 축을 이용하여 회전운동으로 변환하는 모델을 구성하였고, 각 조건에 따른 토크와 각속도를 확인하였다.
향후 본 결과를 바탕으로 하여 에너지를 출력으로 하는 모델을 구성하고, 설계한 파라미터에 따른 디스크형 블레이드의 출력을 얻는 것을 수행할 계획이다. 본 연구를 바탕으로 모델리카는 수식기반, 비인과적 시뮬레이션 툴이어서, 모델의 수정 절차의 고려가 필요 없다는 것을 확인할 수 있었다. 다시 말해 따로 수식을 정의할 필요 없이 모델링 하고자 하는 해당 블록의 용도와 블록간의 관계만을 정확하게 알고 있다면 수정 및 변경이 용이하고 따라서 시스템 모델의 작성에 매우 유리하다는 것을 확인할 수 있다.
반대로 스프링 상수가 가장 최대가 되는 Case 6에서 양력과 항력에 대한 반응이 가장 작게 일어나는 것을 확인할 수 있다. 본 연구에서 적용한 실험계획법에 대해서 댐퍼 상수(x2)보다 스프링 상수가 진동 응답에 더 민감한 변수인 것으로 판단 된다. 시스템이 정상상태일 때의 평균적인 변위 응답은 Fig.
3에 나타내었다. 비인과적 프로그래밍 방식을 따르는 모델리카와 인과적 프로그래밍 방식을 따르는 MATLAB의 비교를 통해 두 프로그램간의 해석 값이 일치 하다는 것을 확인할 수 있다. 따라서다물리 복합 시스템의 해석을 효과적으로 할 수 있는 모델리카를 이용하여 진동 해석에 필요한 파라미터 설계를 한 후 시뮬레이션을 통해 얻은 출력 값을 바탕으로 향후 진행할 연구에 에너지 변환 시스템을 구성하고자 한다.
또한 항력에 의한 진동 응답은 매우 작은 것에 비해 양력에 의한 반응이 더 크다는 것을 확인할 수 있다. 이러한 결과를 바탕으로 Fig. 6과 Fig. 7을 비교해보면, Case 5의 스프링 상수가 가장 최소가 됨에 따라 초기위치 5 m에서부터 최대 변위로 움직여 약 2.8 m의 위치에서 평균적인 변위를 갖는 것을 확인할 수 있다.
후속연구
비인과적 프로그래밍 방식을 따르는 모델리카와 인과적 프로그래밍 방식을 따르는 MATLAB의 비교를 통해 두 프로그램간의 해석 값이 일치 하다는 것을 확인할 수 있다. 따라서다물리 복합 시스템의 해석을 효과적으로 할 수 있는 모델리카를 이용하여 진동 해석에 필요한 파라미터 설계를 한 후 시뮬레이션을 통해 얻은 출력 값을 바탕으로 향후 진행할 연구에 에너지 변환 시스템을 구성하고자 한다.
본 연구에서는 모델리카에 대한 간단한 개념을 소개하고 모델리카를 이용하여 시스템의 위, 아래의 수직방향으로 움직이는 2자유도(degree of freedom, DOF) 시스템의 진동모델을 구성한 후, 실험계획법인 중심합성계획법을 통해 스프링과 댐퍼에 해당하는 파라미터를 설계하여 모델의 응답을 확인하고자 한다. 이러한 결과값을 바탕으로 추후 연구 진행 예정인 디스크형 풍력발전 시스템 모델 제시하고자 한다. 디스크형 풍력발전 시스템은 풍력에 의해 디스크 블레이드가 상, 하 방향으로 움직이면서 발전을 하는 시스템이다.
이러한 출력값을 바탕으로 왕복운동 하는 질량-스프링-댐퍼 시스템을 크랭크 축을 이용하여 회전운동으로 변환하는 모델을 구성하였고, 각 조건에 따른 토크와 각속도를 확인하였다. 향후 본 결과를 바탕으로 하여 에너지를 출력으로 하는 모델을 구성하고, 설계한 파라미터에 따른 디스크형 블레이드의 출력을 얻는 것을 수행할 계획이다. 본 연구를 바탕으로 모델리카는 수식기반, 비인과적 시뮬레이션 툴이어서, 모델의 수정 절차의 고려가 필요 없다는 것을 확인할 수 있었다.
7 m로 선정하였고, 디스크형 블레이드와 크랭크 축 사이에 연결 되어 크랭크 축의 회전운동을 가능하게 만들어준다. 향후 진행할 연구로 디스크형 블레이드에 대한 출력에너지를 얻기 위해 본 연구에서는 먼저 진동해석을 통해 설계변수에 따른 각 모델의 응답을 확인하고, 회전운동으로 변환 될 때 크랭크 축으로부터 발생하는 토크와 각속도 및 기어박스로부터 발생하는 각속도를 확인하고자 한다. Case 5의 디스크 블레이드가 외력을 받아 상하운동을 할 때 크랭크 축에 의해 발생하는 토크와 각속도를 Fig.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
모델리카의 장점은?
모델리카는 복잡하고 큰 불균일 물리계를 시뮬레이션 하기 위해 개발된 객체 지향(object oriented) 시뮬레이션 언어이다. 모델리카는 한 모델에서 사용된 컴포넌트(components)들을 재사용 가능하며, 수학적 언어로 표현된 시스템을모델링하기 쉽고, 모델에 대한 다면적 분석이 가능하다는 장점을 가지고 있다. 모델리카 언어의 가장 큰 특징은 비인과적 프로그래밍(acausal programming) 방식을 따르는 것이다.
모델리카가 물리적 계를 포함하는 모형을 설계할 수 있는 이유는?
ㆍ모델리카는 다양한 물리적 계를 포함하는 모형을 제작할 수 있다. 이는 모델리카의 기본 컴포넌트들이 전기, 역학, 열, 유체 그리고 조절장치 등과 같이 다양한 물리적 객체에 해당하고 이들이 서로 연결될 수 있기 때문에 가능하다.
모델리카는 무엇인가?
(1) 모델리카를 소개하는 논문(2) 중 다음과 같은 특징이 기술되어 있다. 모델리카는 복잡하고 큰 불균일 물리계를 시뮬레이션 하기 위해 개발된 객체 지향(object oriented) 시뮬레이션 언어이다. 모델리카는 한 모델에서 사용된 컴포넌트(components)들을 재사용 가능하며, 수학적 언어로 표현된 시스템을모델링하기 쉽고, 모델에 대한 다면적 분석이 가능하다는 장점을 가지고 있다.
참고문헌 (11)
Michael, T. M., 2001, "Introduction to Physical Modeling with Modelica," Kluwer Academic Publishers, Norwell, Massachusetts, Vol. 1, pp. 3-15.
Lee, C. G., Ji, M. G., Choi, T. L., Han, Y. S. and Hyun, B. H., 2014, "Discrete Event Simulation Using Modelica Language," Proceeding of the Korea Society for Simulation, pp. 27-30.
Jeong, J. W. and Park, C. S., 2010, "Use of an Acausal Simulation Tool, Modelica for a Building Envelope," Proceeding of the Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems Annual Meeting, pp. 215-218.
Kim, Y. J., 2016, "Uncertainty and Bayesian Decision Making of a Double Glazing System using Modelica Model and Monte Carlo Sampling Method," Proceeding of the Korean Institute of Architectural Sustainable Environment and Building Systems Annual Meeting, pp. 257-265.
Singiresu S. R., 2005, "Mechanical Vibration," Vol. 4, No. 2, Pearson Education Korea, Seoul, pp. 336-349.
Kim, Y. J., Yoo, Y. M., Lee, S. Y., Yoon, J. H. and Lee, J. S., 2016, "Strength Analysis of Disk-shaped Wind Turbine Structure with Change of Blade Shape and Fluid Load Distribution," Proceeding of the Korean Society of Mechanical Engineers, pp. 3277-3279.
Otter, M., Elmqvist, H. and Mattsson, S. E., 2003, "The New Modelica Multibody Library," Proceeding of the 3rd International Modelica Conference, pp. 311-330.
Marzouk, O. A., 2010, "Characteristics of the Flow- Induced Vibration and Forces With 1- and 2-DOF Vibrations and Limiting Solid-to-Fluid Density Ratios," Journal of Vibration and Acoustics, Vol. 132, No. 4.
Lee, S. B., Jang, Y. J., Yim, H. J., Nah D. B., 2009, "Optimum Design of SUV Suspension Parameters Considering Rollover Stability," Jorunal of the Korean Society of Machine Tool Engineers, Vol. 18, No. 4, pp. 410-416.
Donida, F., Ferreti, G., Savaresi, S. M., Schiavo, F., and Tanelli, M., 2006, "Motorcycle Dynamics Library in Modelica," Proceeding of the 5th International Modelica Conference, pp. 157-166.
Otter, M., Elmqvist, H. and Mattsson, S. E., 1999, "Modelica Hybrid Modeling and Efficient Simulation," Proceedings of the 38th IEEE Conference, Vol. 4, pp. 3502-3507.
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