[논문]MR 댐퍼 해석을 위한 유압회로 모델에 대한 연구

장문석; 변우진; 김수태; 안채헌

doi:10.7839/ksfc.2017.14.1.008

MR 댐퍼 해석을 위한 유압회로 모델에 대한 연구
A Study of the Hydraulic Circuit Model for a Magnetorheological Damper Analysis 원문보기

드라이브ㆍ컨트롤 = Journal of drive and control, v.14 no.1, 2017년, pp.8 - 13

장문석 (Dept. of Mechanical Engineering, Changwon UNIV) , 변우진 (Dept. of Mechanical Engineering, Changwon UNIV) , 김수태 (Dept. of Mechanical Engineering, Changwon UNIV) , 안채헌 (Eigenscope)

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a hydraulic circuit for a Magnetorheological (MR) damper that can be used for semi-active and active controls. Methods are presented for obtaining reliable damping force displacement and velocity data, and hysteresis loop data corresponding to applied current. In order to get reliable data, analysis using electric and electronic software, a series of tests. and comparative evaluations are required. A hydraulic circuit model is proposed that can be applied to analyze a MR damper without any assumptions where the yield stress data according to the applied current are known. Analysis results of the proposed hydraulic circuit are confirmed by experimental results within acceptable tolerance. This hydraulic circuit model can be applied to various MR dampers and systems.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실험평가를 위한 MR 댐퍼 모델을 제시하고 해석을 위한 유압회로 모델을 구성하였다. 유압회로 모델을 이용하여 변위-댐핑력, 속도-댐핑력에 대한 해석결과를 도출하여 실험결과와 비교하였다.

가설 설정

Actuator는 연구물인 MR 댐퍼를 간략화하여 구동시키기 위함이고, Orifice는 댐퍼에 적용된 실제 사이즈를 적용하였다. Hydraulic check valve와 Accumulator는 회로의 안정성을 위하여 추가되었다.
이는 지능유체의 점도가 전기장 인가 여부에 따라 저점도에서 준 고체상태까지 변화하기 때문이다. MR 유체에 전기장 인가시 항복점까지는 고체와 유사한 특성으로 가정하면 빙햄플라스틱 모델로 고려될 수는 있지만, 빙햄플라스틱 특성을 정확하게 추종하지는 않는다. 예를 들어 유체에 전기장 인가시 항복응력이하 영역에서는 자계 세기에 영향을 받는 것으로 알려진 복소 탄성율의 점탄성 재질과 같이 작동한다.
MR 댐퍼 사이즈는 실린더 직경 80mm, 오리피스 설치부 길이 82mm, 축직경 28mm, 마그네틱 필드(오리피스) 간극은 1mm이다. 사용된 MR 유체는 비압축성 유체로 가정하며, 오리피스를 통과시 발생하는 압력은 챔버내부에 전 방향으로 동일하게 작용되며, 디자인 형상에 따른 손실은 없다고 가정하며, 적용 유체 점도는 5,000cP을 적용하였다.

제안 방법

1) MR 댐퍼 해석에 적용 가능한 유압 회로 모델을 제안하였다.
MR 댐퍼를 해석하기 위하여 유압회로 모델링을 수행하고 해석 결과와 실험결과를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
MR 댐퍼의피스톤, 마그네틱 필드, 오리피스 간극과 길이를 고려하여 회로를 구성하였다. MR 유체가 자기장에 의해 발생하는 τ_y에 해당하는 영향을 모사하기 위해 Piloted hydraulic check valve를 이용하여 열리는 압력을 조절하여 성능을 구현하였다. Singnal source는 변위와 속도에 대한 절대값을 인가하며, Convertor는 인가된 절대값을 실제값으로 변환하여 준다.
성능 해석을 위해 실린더에 진폭 15mm, 주기 1Hz의 사인파 형태 변위를 인가하여 변위-댐핑력, 속도-댐핑력 특성을 해석하였다.

대상 데이터

MR 댐퍼 사이즈는 실린더 직경 80mm, 오리피스 설치부 길이 82mm, 축직경 28mm, 마그네틱 필드(오리피스) 간극은 1mm이다. 사용된 MR 유체는 비압축성 유체로 가정하며, 오리피스를 통과시 발생하는 압력은 챔버내부에 전 방향으로 동일하게 작용되며, 디자인 형상에 따른 손실은 없다고 가정하며, 적용 유체 점도는 5,000cP을 적용하였다.

데이터처리

본 연구에서는 실험평가를 위한 MR 댐퍼 모델을 제시하고 해석을 위한 유압회로 모델을 구성하였다. 유압회로 모델을 이용하여 변위-댐핑력, 속도-댐핑력에 대한 해석결과를 도출하여 실험결과와 비교하였다. 연구결과에서 유체가 가지고 있는 고유특성 때문에 다수의 가정이 들어있는 수학적 모델 적용 없이 실험결과와 유사한 히스테리시스 루프를 구현할 수 있었다.

성능/효과

2) 유압회로 모델을 이용한 해석결과가 변위-댐핑력, 속도-댐핑력에 대한 실험결과를 예측할 수 있는 것을 확인하였고, 특히 히스테리시스 루프를 잘 구현하고 있는 것을 알 수 있었다.
3) MR 댐퍼 해석에 유압회로 모델링을 적용한 해석이 가능하므로, 다양한 입력에 의한 MR 댐퍼 응답 특성에 대한 해석이 가능할 것으로 판단된다.
변위 및 속도에 대한 부하 해석결과가 실험결과를 비교적 잘 예측하고 히스테리시스 현상도 구현하고 있어서, 유압회로를 이용한 MR 댐퍼 해석이 가능하다는 것을 확인하였다.

후속연구

4) 향후 MR 댐퍼를 장착한 다양한 시스템에 대해, 본 연구에서 제안한 유압회로 모델을 활용한 해석을 수행하여 실험결과와 비교할 예정이다.
연구결과에서 유체가 가지고 있는 고유특성 때문에 다수의 가정이 들어있는 수학적 모델 적용 없이 실험결과와 유사한 히스테리시스 루프를 구현할 수 있었다. 연구 결과를 활용하면 어떠한 가정 없이도 실험결과와 유사한 히스테리시스 루프를 포함한 성능을 예측할 수 있어서 다수의 수학적 모델 검토와 실험결과 비교 및 실험을 통해 들어가는 시간과 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MR 유체의 장점은 무엇인가?	MR 유체는 제어성이 높고 액상에서 준고체형태로 상태변화가 빨라 실시간 제어가 가능하며 제어를 위해 소모되는 전력이 작아서 반능동 및 능동제어를 구현하는 하드웨어 요구조건을 잘 만족시키고 있다. 특히 Fig.
	MR 유체 거동을 이해하고 예측하는 것이 복잡한 이유는 무엇인가?	MR 유체 거동을 이해하고 예측하기 위해서는 다양한 수학적 모델을 사용하는데 항복응력과 같은 가변성 있는 기계성질에 의해 복잡하다. 이는 지능유체의 점도가 전기장 인가 여부에 따라 저점도에서 준 고체상태까지 변화하기 때문이다. MR 유체에 전기장 인가시 항복점까지는 고체와 유사한 특성으로 가정하면 빙햄플라스틱 모델로 고려될 수는 있지만, 빙햄플라스틱 특성을 정확하게 추종하지는 않는다.
	MR 댐퍼는 무엇인가?	MR 댐퍼는 기존의 상용오일 대신 자기장 크기에 따라 가변되는 성질을 갖는 MR 유체를 사용하여 기존 오일댐퍼보다 넓은 영역의 진동 감쇠 기능을 연속적으로 가능하도록 성능을 구현하는 가변댐퍼중 하나이다. 수동댐퍼와 밸브를 기반으로 하는 어댑티브 댐퍼와 비교하여 MR 댐퍼는 휠씬 낮거나 높은 영역에서 작동 가능하고 속도와 상관없이 인가전류의 단독함수로서 넓은 영역 내에서 감쇠력 제어가 가능하다.

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