[논문]동특성 가변형 에어스프링-댐퍼 일체 구조의 이중 충격 발생장치 설계

여성민; 설창원; 강민식

doi:10.9766/kimst.2018.21.3.331

동특성 가변형 에어스프링-댐퍼 일체 구조의 이중 충격 발생장치 설계
Design of Dynamic Characteristics Adjustable Integrated Air Spring-Damper Mechanism for Dual Shock Generation System 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.21 no.3, 2018년, pp.331 - 341

여성민 (가천대학교 기계공학과) , 설창원 (국방과학연구소 제7기술연구본부) , 강민식 (가천대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes an integrated serial spring-damper mechanism as a dual pulse generation system. Compared to the traditional dual pulse generation system, which used multiple springs and a damper to generate a dual pulse critical for impact testing of naval equipments, currently used separated serial spring-damper mechanism is comprised of two components: an air spring, and a damper. The proposed mechanism combines the two components into one integrated system with a unique design that lets simply changing the volume and the pressure of the air tank, and the length of the annular pipe adjust the stiffness and damping constants for testing, eliminating the need to have multiple sets of air springs and dampers. Simulations using MatLab and Simulink were conducted to verify the feasibility of this design. The results show the potential of an integrated serial spring-damper mechanism as a more convenient and flexible mechanism for dual pulse generation system.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 Fig. 4의 직렬 일체형 에어스프링-댐퍼 메커니즘을 제안하고 그 설계 방법을 제시한다.
본 논문에서는 설치공간, 정렬 용이성, 동특성 가변성 측면에서 직렬 분리형 스프링-댐퍼에 비해 장점이 많은 직렬 일체형 메커니즘^[11]을 개선하여 간단한 조정에 의해 충격파형을 변경할 수 있는 메커니즘을 제안하고 설계방법을 제시하며, 동역학 식에 기반한MatLab/Simulink를 이용한 선형 시뮬레이션과, 비선형 유동 해석이 가능한 Simulation-X를 이용한 시뮬레이션을 통해 적용 가능성을 검증한 설계 방법을 제시한다.
이중충격파형 충격시험기는 해상/수중 운반체의 생존성 평가를 위한 시험장비이다. 본 연구에서는 기존 직렬 분리형 이중 충격 발생장치를 개선한 직렬 일체형 이중 충격 발생장치를 다시 개선하여 간단히 유로길이 L 과 압력체적비 P₀/V₀를 변화시켜 원하는 펄스형상을 구현할 수 있는 충격시험기 설계 방법을 제시하였다. 제시한 설계 방법은 Matlab/Simulink와 Simulation-X를 이용한 시뮬레이션을 통해 타당성을 검증하였다.

가설 설정

사용하는 점성유체는 비압축성이며, 반경방향과 원주 방향 유동은 없는 것으로 가정할 수 있으므로, z-축 방향의 유동만 있는 것으로 가정할 수 있다. 즉, v_r =0, v_θ = 0이므로

제안 방법

다음으로 설계의 기본 요구 조건인 펄스폭과 감쇠비에 따른 스프링 상수 K₁, 댐핑계수 C , 레이놀드 수 Re 의 변화를 분석한다. 앞에서 유도한 설계 식을 펄스폭과 감쇠비의 관계로 나타내면 다음과 같다.
위의 결과를 토대로 감쇠비를 가변시킬 수 있는 설계방법을 제시한다.

데이터처리

본 연구에서는 기존 직렬 분리형 이중 충격 발생장치를 개선한 직렬 일체형 이중 충격 발생장치를 다시 개선하여 간단히 유로길이 L 과 압력체적비 P₀/V₀를 변화시켜 원하는 펄스형상을 구현할 수 있는 충격시험기 설계 방법을 제시하였다. 제시한 설계 방법은 Matlab/Simulink와 Simulation-X를 이용한 시뮬레이션을 통해 타당성을 검증하였다.

이론/모형

앞에서 제안한 충격시험기 설계방법의 타당성을 검증하기 위해 MatLab/Simulink와 Simulation-X를 이용해 시뮬레이션을 진행하였다. Simulation-X는 수학적 모델을 바탕으로 한 MatLab/Simulink보다 실제 공기의 압축 팽창 및 점성유체의 유동 자체를 시뮬레이션을 할 수 있기 때문에 실제에 가까운 상태를 해석할 수 있다.

성능/효과

파랑선으로 나타낸 MatLab/Simulink 시뮬레이션 결과는 요구조건인 충격파의 최대가속도가 500 m/s2, 펄스폭 50 ms, 감쇠비 ζ = 0.707을 만족함을 알 수 있으며, 빨강 선으로 나타낸 Simulation-X를 이용한 결과는 실제의 유동을 고려한 해석으로 약간의 차이는 있지만 앞에서 제안한 설계방법이 타당하다고 결론지을 수 있다.

후속연구

본 연구 결과는 향후 이중충격시험장치 개발에 적용할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	함선 탑재장비의 내충격성 검증을 위한 환경시험 방법은 무엇이 있는가?	따라서 탑재 장비는 이 충격력에도 원활히 작동할 수 있는 생존성을 갖추어야 하며, 장비의 환경시험 항목에 충격 생존성 시험이 필수적이다. 내충격성 검증을 위한 환경시험 방법으로는 실선 수중폭파 시험이나 지상에서 충격시험 장비를 활용한 모사 시험이 적용되고 있으며, 시험의 용이성, 경제성 및 반복성 측면에서 지상충격시험장치가 널리 활용되고 있다[4-9].
	충격시험기 설계방법의 타당성을 검증하기 위한 방법은 무엇이 있는가?	앞에서 제안한 충격시험기 설계방법의 타당성을 검증하기 위해 MatLab/Simulink와 Simulation-X를 이용해 시뮬레이션을 진행하였다. Simulation-X는 수학적 모델을 바탕으로 한 MatLab/Simulink보다 실제 공기의 압축 팽창 및 점성유체의 유동 자체를 시뮬레이션을 할 수 있기 때문에 실제에 가까운 상태를 해석할 수 있다.
	함정 탑재장비의 충격 생존성이 중요한 까닭은 무엇인가?	해상에서 운용되는 함정에는 외부에서 발생된 충격파가 전달될 수 있다. 이 충격파는 함정의 외벽 구조물에 매우 큰 가속도와 짧은 폭을 갖는 충격을 야기할 수 있으며, 이로 인해 함정 탑재 장비에는 큰 충격력이 전달된다[1-3].

참고문헌 (12)

Military Specification, MIL-S-901D, "Shock Tests, H.I(High Impact) Shipboard Machinery Equipment and Systems. Requirements for," 1989.
Military Specification, BV043, "Germany Defence Naval Ship Construction Specification for Shock Safety," 1985.
Hijkoop, G., Korse, T. H., Lemmen, P. P. M., Romeijn, E. and Klkman, P., "On the Development of a High Performance Shock Testing Machine for Navy Underwater Shock," 64th Shock and Vibration Symposium, Vol. PT, pp. 483-492, 1993.
G. Wang, Z. Zhang, D. Chu, and R. Shen, “Analysis and Simulation on the Mechanism of a Novel Dual-Wave Shock Test Machine,” Chinese Journal of Mechanical Engineering, Vol. 21, No. 1, pp. 91-99, 2008.
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상세보기
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Y. J. Kim, T. H. Kim, C. W. Seol, M. S. Yang, C. M. Cho, H. Y. Gu, and H. H. Han, "Structural Design of Dual Pulse Shock Machine," Proceedings of KSAS Annul Conference, Vol. 2013, No. 11, pp. 1083-1083, 2013.
C. W. Shul, T. H. Kim, M. S. Yang, and G. S. Lee, "Development of Large Scale Heavy Weight Shock Testing System," Proceedings of KSME Conference, pp. 377-382, 2014.
T. H. Kim, C. W. Shul, M. S. Yang, and G. S. Lee, "An Analytic Investigation on the Implementation Method for Required Signal of Heavy Weight Shock Test Machine," Proceedings of KSME Annul Conference, pp. 400-405, 2014.
M. S. Kang, C. W. Seol, “A Sequential Design of Dual Pulse Generation System Based on Dynamic Analysis of Pulse Shape,” Jornal of the KIMST, Vol. 20, No. 1, pp. 98-107, 2017.
S. Yeo, Y. Jeon, K. Kim, M. S. Kang, "Design of Integrated Serial Air spring-Damper Mechanism for Dual Shock Generation System," KSPE 2016 Autumn Conference, pp. 130-131, 2016.
John M. Cimbala, Yunus A. Cengel, "Essentials of Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications," McGraw-Hill Education Korea, Inc., pp. 236, 303-306, 359, 2013.

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