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문제 정의
- 이러한 어려움들을 극복하고 시험대상체들의 수중폭파에 대한 내충격성을 검증하기 위하여 다양한 충격 시험장비들을 이용하여 국내외 시험기관에서 지상충격시험을 수행하고 있다[3-8]. 본 논문에서는 네덜란드 응용과학연구소 (TNO)에서 운용중인 수직형 충격시험장비와 동일한 개념으로 국제기술협력을 통하여 개발된 수직형 충격 시험장비에 대해서 소개하고, 실제 운용시험을 수행하며 얻어진 결과를 소개 및 분석하였다.
가설 설정
- 수중폭파에 의한 내충격설계 규격에 요구된 목표신호 중 구현하고자 하는 신호를 선정하고 해당 신호를 구현하기 위해서 수직형 충격시험장비의 동적거동분석을 통하여 시험조건을 도출하였다. 해당 수직형 충격시험장비의 동적거동은 가속스프링의 압축 시 스프링에 저장된 탄성에너지는 파단볼트가 파단 된 후 1차 충격을 발생시키는 이동부분의 운동에너지로 모두 변환 된다는 가정 하에 분석되었다. 수직형 충격시험장비로 목표신호를 구현하기 위해서 설정할 수 있는 시험조건변수는 가속/감속 스프링의 강성과 파단볼트가 파단되기 전 가속스프링이 압축될 수 있는 압축거리이다.
제안 방법
- 앞에서도 언급하였지만 참고한 충격시험규격을 기준으로 하여 수행되는 충격시험의 경우 충격시험규격 상에 제시된 기준신호와 가장 유사하되 그 이상의 충격을 시험대상체에 가하여 내충격성을 검증한다. Fig. 8의 결과를 보면 알 수 있듯이 검은색 점선으로 표시된 기준 신호보다 고주파영역에서 조금 낮은 신호가 구현되어 가속/감속 스프링의 강성은 그대로 유지하고, 가속 스프링의 압축거리만 조금 늘려서 시험을 수행하고 그 결과를 비교하였다. 그에 대한 결과는 Fig.
- 네덜란드 응용과학연구소 TNO와의 기술협력으로 제작된 수직형 충격시험장비에 대한 소개와 해당 장비를 이용한 충격시험 및 그 결과를 소개하고 분석하였다. 충격시험 규격에 제시된 충격신호를 구현하기 위해서 장비의 동적거동분석을 통해 가속/감속 스프링의 강성 조건 및 압축거리 등의 시험 조건을 도출하였고 도출된 조건으로 장비를 설정하여 시험을 수행하였다.
- 시험장비의 동적거동분석을 통해서 도출된 가속 /감속 스프링의 강성 및 압축거리는 스프링에 저장된 탄성에너지가 충격을 발생시키는 운동부분의 운동에너지로 모두 변환된다는 가정 하에 도출되었으나, 실제 시스템에서의 에너지 손실은 불가피한 부분이다. 따라서 해당 사항을 반영하여, 실제 장비 조건에서는 이론적으로 도출된 강성조건보다 약 15 % 높게 설정 하고 150 kg의 더미질량(Dummy mass)를 시험테이블 (Test table)에 체결하여 시험을 준비하였다. 계측에 사용된 가속도계는 TE connectivity 사의 EGCS-B2-1000-L2M가 사용되었으며, 자료획득장비(Data Acquisition System : DAQ)의 샘플링 주파수(Sampling frequency)는 20 KHz이다.
- 본 연구에서는 의사속도 충격응답선도를 결과분석에 이용하였으며, 의사속도 충격응답선도는 1자유도 계의 최대 상대변위에 고유진동수(wn)를 곱한 값을 고유진동수에 대응시키면 얻을 수 있다. 의사속도라고 표현하는 이유는 1자유도 진동계의 감쇠의 유무에 관계없이 최대 상대변위에 고유진동수를 곱하면 속도차원을 갖기 때문에 의사속도라고 부른다.
- 충격시험장비의 동적거동 분석을 통하여 도출한 시험 조건을 검증하기 위해서 주파수 영역상의 기준 (Reference) 신호와 실제 시험을 통해서 얻어진 충격신호를 비교하였으며, 이와 더불어 Matlab을 이용한 시뮬레이션 결과와 실제시험 결과를 비교하였다. 본 연구의 마지막 단계로 동일한 강성조건으로 가속 스프링의 압축거리(Stroke)만 변화시켜 충격시험을 수행하여 구현되는 충격신호를 비교 하였다.
- 앞서 소개된 수직형 충격시험장비를 이용하여 실제 이중충격파형 충격시험을 수행하였다. 수중폭파에 의한 내충격설계 규격에 요구된 목표신호 중 구현하고자 하는 신호를 선정하고 해당 신호를 구현하기 위해서 수직형 충격시험장비의 동적거동분석을 통하여 시험조건을 도출하였다. 해당 수직형 충격시험장비의 동적거동은 가속스프링의 압축 시 스프링에 저장된 탄성에너지는 파단볼트가 파단 된 후 1차 충격을 발생시키는 이동부분의 운동에너지로 모두 변환 된다는 가정 하에 분석되었다.
- 붉은색 선은 실제 시험결과를 그리고 초록색 선은 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 시뮬레이션은 Matlab을 통해서 수행되었으며, 충격시험 규격상의 1, 2차 파형의 가속도 크기 및 지속시간을 참고하여 시간영역에서의 이상적인 2차 충격파형을 생성시키고, 그것을 이용하여 주파수 영역상에 충격응답선도로 변환 하였다. 결과를 비교해보면 앞서 시험 결과에서 언급한 감속스프링의 거동으로 인한 저주파 영역에서의 피크 현상과 약 200 Hz 이상의 영역에서 시뮬레이션 결과보다 조금 높은 신호가 구현되었음을 알 수 있다.
- 앞서 소개된 수직형 충격시험장비를 이용하여 실제 이중충격파형 충격시험을 수행하였다. 수중폭파에 의한 내충격설계 규격에 요구된 목표신호 중 구현하고자 하는 신호를 선정하고 해당 신호를 구현하기 위해서 수직형 충격시험장비의 동적거동분석을 통하여 시험조건을 도출하였다.
- 6 MN/m이다. 원하는 강성을 구현하기 위해서 해당 디스크 스프링을 그에 맞게 적절히 적층하여 가속/감속 스프링의 강성을 설정한다. 파단볼트는 가속스프링이 압축되며 원하는 충격에너지를 발생시킬 수 있는 탄성에너지가 저장될 때까지 상부의 이동부분이 움직이지 않도록 하여 충격이 발생하지 않게 잡아주는 역할을 한다.
- 네덜란드 응용과학연구소 TNO와의 기술협력으로 제작된 수직형 충격시험장비에 대한 소개와 해당 장비를 이용한 충격시험 및 그 결과를 소개하고 분석하였다. 충격시험 규격에 제시된 충격신호를 구현하기 위해서 장비의 동적거동분석을 통해 가속/감속 스프링의 강성 조건 및 압축거리 등의 시험 조건을 도출하였고 도출된 조건으로 장비를 설정하여 시험을 수행하였다. 그 결과, 목표로 했던 충격신호에 근접한 신호를 구현할 수 있음을 확인하였고, 이는 시뮬레이션 결과와도 유사함을 확인할 수 있었으나, 저주파영역과 고주파 영역에서 약간의 차이는 발생됨을 알 수 있었다.
대상 데이터
- 따라서 해당 사항을 반영하여, 실제 장비 조건에서는 이론적으로 도출된 강성조건보다 약 15 % 높게 설정 하고 150 kg의 더미질량(Dummy mass)를 시험테이블 (Test table)에 체결하여 시험을 준비하였다. 계측에 사용된 가속도계는 TE connectivity 사의 EGCS-B2-1000-L2M가 사용되었으며, 자료획득장비(Data Acquisition System : DAQ)의 샘플링 주파수(Sampling frequency)는 20 KHz이다. Fig.
- 파단볼트는 가속스프링이 압축되며 원하는 충격에너지를 발생시킬 수 있는 탄성에너지가 저장될 때까지 상부의 이동부분이 움직이지 않도록 하여 충격이 발생하지 않게 잡아주는 역할을 한다. 실제 충격시험에서는 3가지 강도의 파단볼트가 사용되며, 구현하고자 하는 충격에너지 레벨을 고려하여 파단볼트를 선정한다.
데이터처리
- 충격시험장비의 동적거동 분석을 통하여 도출한 시험 조건을 검증하기 위해서 주파수 영역상의 기준 (Reference) 신호와 실제 시험을 통해서 얻어진 충격신호를 비교하였으며, 이와 더불어 Matlab을 이용한 시뮬레이션 결과와 실제시험 결과를 비교하였다. 본 연구의 마지막 단계로 동일한 강성조건으로 가속 스프링의 압축거리(Stroke)만 변화시켜 충격시험을 수행하여 구현되는 충격신호를 비교 하였다.
성능/효과
- 시뮬레이션은 Matlab을 통해서 수행되었으며, 충격시험 규격상의 1, 2차 파형의 가속도 크기 및 지속시간을 참고하여 시간영역에서의 이상적인 2차 충격파형을 생성시키고, 그것을 이용하여 주파수 영역상에 충격응답선도로 변환 하였다. 결과를 비교해보면 앞서 시험 결과에서 언급한 감속스프링의 거동으로 인한 저주파 영역에서의 피크 현상과 약 200 Hz 이상의 영역에서 시뮬레이션 결과보다 조금 높은 신호가 구현되었음을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과와 비교하였을 때 200 Hz 이상의 영역에서의 높은 신호가 실제 시험에서 구현된 이유는, 실제 충격시험장비를 이용하여 충격시험을 할 경우 충격이 발생하기 전 유압구동 유닛으로 가속스프링을 압축하는 과정과 충격이 발생했을 때 기계적 시스템인 충격시험장비 고유의 기계적 잡음 (Mechanical noise)가 계측 값에 영향을 끼친 결과로 예측된다.
- 충격시험 규격에 제시된 충격신호를 구현하기 위해서 장비의 동적거동분석을 통해 가속/감속 스프링의 강성 조건 및 압축거리 등의 시험 조건을 도출하였고 도출된 조건으로 장비를 설정하여 시험을 수행하였다. 그 결과, 목표로 했던 충격신호에 근접한 신호를 구현할 수 있음을 확인하였고, 이는 시뮬레이션 결과와도 유사함을 확인할 수 있었으나, 저주파영역과 고주파 영역에서 약간의 차이는 발생됨을 알 수 있었다. 하지만 이는 실제 기계적 시스템이 갖는 고유의 특성을 이상적인 시뮬레이션 과정으로 완벽히 모사할 수 없다는 것을 고려했을 때, 시험적 결과와 해석적 결과가 상당히 일치한다고 판단된다.
- 하지만 이는 실제 기계적 시스템이 갖는 고유의 특성을 이상적인 시뮬레이션 과정으로 완벽히 모사할 수 없다는 것을 고려했을 때, 시험적 결과와 해석적 결과가 상당히 일치한다고 판단된다. 또한 압축거리를 증가시켜 구현된 신호의 특성을 분석하였고, 압축거리가 증가됨에 따라 전체적인 에너지 레벨은 증가하였음을 확인 할 수 있었으나, 고주파 영역에서의 신호조절 효과는 크지 않음을 알 수 있었다. 이를 통해 더욱 정확하고 세밀한 요구신호 구현을 위해서는 압축거리 뿐만 아니라 가속/감속 스프링의 강성도 적절히 조절하여 충격신호를 조절한다면, 보다 정확한 요구신호 구현 및 신뢰성 높은 충격시험을 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
- 021 sec 지속시간의 파형이 생성되었다. 시간영역상의 충격시험결과 그래프상의 1차파와 2차파 발생 이후 발생된 잔류진동은 수직형 충격시험장비의 감속스프링의 거동으로 인하여 나타는 결과이고 이러한 현상으로 인해 주파수 영역상의 충격응답선도 결과 그래프의 저주파 영역에서 피크 (Peak) 현상이 발생된 것으로 판단된다. 실제로 시간영 역상의 잔류진동의 발생주기의 평균은 약 0.
- 결과를 비교해보면 앞서 시험 결과에서 언급한 감속스프링의 거동으로 인한 저주파 영역에서의 피크 현상과 약 200 Hz 이상의 영역에서 시뮬레이션 결과보다 조금 높은 신호가 구현되었음을 알 수 있다. 시뮬레이션 결과와 비교하였을 때 200 Hz 이상의 영역에서의 높은 신호가 실제 시험에서 구현된 이유는, 실제 충격시험장비를 이용하여 충격시험을 할 경우 충격이 발생하기 전 유압구동 유닛으로 가속스프링을 압축하는 과정과 충격이 발생했을 때 기계적 시스템인 충격시험장비 고유의 기계적 잡음 (Mechanical noise)가 계측 값에 영향을 끼친 결과로 예측된다. 하지만 이는 고주파 영역에서의 현상이고 시뮬레이션 결과와 비교했을 때 크게 차이가 없으므로 실제 장비를 이용하여 충격시험을 수행하는 과정에는 큰 문제가 되지 않을 것으로 판단된다.
- 8의 충격응답선 도상에서 검은색 점선은 구현하고자 했던 목표신호를 나타내며, 붉은색 선은 시험을 통해 얻어진 충격신호의 충격응답선도를 나타낸다. 저주파 영역에서는 목표했던 신호보다 약간 높은 신호가 구현되었으며, 고주파 영역에서는 목표신호보다 약간 낮은 에너지레벨의 신호가 구현되었다. 하지만 전체적인 에너지 레벨을 고려하였을 때 장비의 동적거동분석을 통해 시험조건을 도출한 과정이 크게 예측치를 벗어나지 않음을 결과를 통해서 확인할 수 있다.
- 이 결과로부터 해당 충격 시험장비의 동일조건 충격시험 재현성이 보장됨을 알 수 있다. 적은 양이지만 압축거리를 늘렸을 경우 압축 거리를 늘리기 전의 시험결과와 비교했을 때, 조금 더 높은 에너지 레벨의 충격신호가 구현되었음을 알 수 있었다. 하지만 저주파 영역과 비교했을 때 고주파 영역에서의 효과는 크지 않음을 알 수 있다.
- 저주파 영역에서는 목표했던 신호보다 약간 높은 신호가 구현되었으며, 고주파 영역에서는 목표신호보다 약간 낮은 에너지레벨의 신호가 구현되었다. 하지만 전체적인 에너지 레벨을 고려하였을 때 장비의 동적거동분석을 통해 시험조건을 도출한 과정이 크게 예측치를 벗어나지 않음을 결과를 통해서 확인할 수 있다. 참고한 충격시험규격을 기준으로 한 일반적인 내충격성 검증시험은 충격응답 선도상의 요구되는 에너지레벨 이상의 신호를 시험대 상체에 가하여 충격발생 후에도 장비의 성능이 정상적으로 유지되는 것을 검증하는 것이 주목적이다.
후속연구
- 하지만 저주파 영역과 비교했을 때 고주파 영역에서의 효과는 크지 않음을 알 수 있다. 이로부터, 전체적인 에너지레벨을 올리기 위해서 압축거리를 늘리는 것이 효과가 있지만 주파수 영역에 따라서 좀 더 세밀한 신호구현을 위해서는 압축거리 뿐만 아니라 가속/감속 스프링의 강성을 적절히 함께 변경하여 시험을 수행해야 함을 알 수 있다.
- 또한 압축거리를 증가시켜 구현된 신호의 특성을 분석하였고, 압축거리가 증가됨에 따라 전체적인 에너지 레벨은 증가하였음을 확인 할 수 있었으나, 고주파 영역에서의 신호조절 효과는 크지 않음을 알 수 있었다. 이를 통해 더욱 정확하고 세밀한 요구신호 구현을 위해서는 압축거리 뿐만 아니라 가속/감속 스프링의 강성도 적절히 조절하여 충격신호를 조절한다면, 보다 정확한 요구신호 구현 및 신뢰성 높은 충격시험을 수행할 수 있을 것으로 예상된다.
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