This research focuses on developing the Smart material with Grease adopted as a base oil to overcome a particle deposition caused by the MR fluid consisting of a silicon, which maximizing the characteristics and advantage of the MR fluid. By adopting the SMG fluid to a shear damper, this paper aimed...
This research focuses on developing the Smart material with Grease adopted as a base oil to overcome a particle deposition caused by the MR fluid consisting of a silicon, which maximizing the characteristics and advantage of the MR fluid. By adopting the SMG fluid to a shear damper, this paper aimed to evaluate the control performance of it according to the variation of intensity of electric current(0 A, 0.5 A, 1.0 A, 1.5 A, 2.0 A, 2.5 A) and frequency(0.5 Hz, 1 Hz, 2 Hz). Subsequently, the usability of the SMG damper was analyzed by comparing the dynamic model of it to that of the other types of dampers(Power(Involution) Model, Bingham Model). As a result, DR, the performance indicator of semi-active damper, shows approximately 5 in a condition of 2 Hz. Also while confirming the excellent performance like the Power and the Bingham model, it raises the possibility to exploit it as the semi-active damper.
This research focuses on developing the Smart material with Grease adopted as a base oil to overcome a particle deposition caused by the MR fluid consisting of a silicon, which maximizing the characteristics and advantage of the MR fluid. By adopting the SMG fluid to a shear damper, this paper aimed to evaluate the control performance of it according to the variation of intensity of electric current(0 A, 0.5 A, 1.0 A, 1.5 A, 2.0 A, 2.5 A) and frequency(0.5 Hz, 1 Hz, 2 Hz). Subsequently, the usability of the SMG damper was analyzed by comparing the dynamic model of it to that of the other types of dampers(Power(Involution) Model, Bingham Model). As a result, DR, the performance indicator of semi-active damper, shows approximately 5 in a condition of 2 Hz. Also while confirming the excellent performance like the Power and the Bingham model, it raises the possibility to exploit it as the semi-active damper.
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문제 정의
그리스는 기본적으로 내부 고형분은 입체적(3차원)-섬유 구조체를 형성하고 있으며, 이때 베이스 오일(Base oil)은 이들 구조 사이에 유지되기 때문에 그리스는 고체 또는 반-고체형태를 갖는다. SMG 유체는 그리스의 이러한 특징을 이용하여 유체 내부의 재료 분리 및 침전을 방지하면서도 기존의 MR 유체의 특성을 비교적 그대로 보존하기 위해 개발되었다. SMG 유체 내부에서 그리스와 MR 유체간의 혼합비율에 따른 자성 입자의 침강 현상을 확인하기 위하여 다음 Fig.
5 A 이상의 전류 공급에서는 크지 않은 제어력의 증가 폭을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구에서 제작된 SMG 댐퍼는 0 A에서 1.5 A 범위 내에서 준능동 댐퍼로써의 활용 가능성을 확인하였다.
그럼에도 불구하고 준능동성을 갖는 MR 유체의 장점을 유지하면서 Carbon- powder의 침전문제를 근본적으로 해결할 수 있는 충분한 능동적인 제어력의 확보가 필요한 상태이고 이 제어기기의 실 구조물 적용을 목적으로 장기적인 방안이 제시를 위한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 MR Grease를 수정 보완하여 SMG(Smart Material with Grease) 유체를 개발하고 이를 이용한 준능동 댐퍼를 개발하여 새로이 개발된 전단형 타입의 SMG 댐퍼에 능동적인 제어력 확보를 위한 동하중 실험 및 동적 모델링을 통해 댐퍼의 성능을 검증하였다. 또한, 이 댐퍼를 실제 건설구조물의 재난 예방에 능동적이고도 효율적인 제어장치로 사용하기 위한 제어방법을 제시하고자 한다.
따라서 본 연구에서는 MR Grease를 수정 보완하여 SMG(Smart Material with Grease) 유체를 개발하고 이를 이용한 준능동 댐퍼를 개발하여 새로이 개발된 전단형 타입의 SMG 댐퍼에 능동적인 제어력 확보를 위한 동하중 실험 및 동적 모델링을 통해 댐퍼의 성능을 검증하였다. 또한, 이 댐퍼를 실제 건설구조물의 재난 예방에 능동적이고도 효율적인 제어장치로 사용하기 위한 제어방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 MR 댐퍼의 장점을 극대화하면서도 기존 실리콘 기반으로 이루어진 MR 유체의 단점을 효과적으로 극복할 수 있도록 그리스 (Grease)를 베이스 오일로 채택하여 SMG 유체를 개발하였다. 또한, 개발된 SMG 유체를 이용한 준능동 댐퍼의 동하중 실험 및 동적 모델링을 통해 준능동 댐퍼의 성능을 검증하였다.
본 연구에서는 SMG 전단형 댐퍼를 개발하기 위하여 기존 MR 댐퍼를 제작하였던 Lord 사에서 제공한 기술자료를 참조해 수치 해석적 방법으로 전단형 댐퍼를 개발하였다. 전단형 댐퍼를 설계함에 있어 수치 해석적 방법을 이용할 경우, 기본가정 사항으로부터 결정될 수 있는 설계요소는 크게 전체 제어력 및 전자석 코일의 권선(Turns)수 등으로 구분되며, SMG 전단형 댐퍼의 전체 감쇠력은 다음 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
가설 설정
8(b)는 Bingham 모델을 적용하여 얻어진 데이터를 동적하중 실험결과와 비교한 그래프이다. Bingham 모델은 선형 거동이 고려된 모델로써 MR 유체의 항복 이후의 특성이 일정하게 나타난다고 가정한다. 따라서 비선형적 특성을 보이는 MR 유체의 항복 이후의 동적 거동특성 모사에서 다소 오차가 발생 할 수 있지만, 본 연구에서는 MR 유체의 항복점 이전까지를 고려하였으므로 동적모델결과 동적 하중실험결과와 비교하였을 때 근소한 오차를 갖는 선형성 거동을 보였다.
제안 방법
SMG 유체는 그리스의 이러한 특징을 이용하여 유체 내부의 재료 분리 및 침전을 방지하면서도 기존의 MR 유체의 특성을 비교적 그대로 보존하기 위해 개발되었다. SMG 유체 내부에서 그리스와 MR 유체간의 혼합비율에 따른 자성 입자의 침강 현상을 확인하기 위하여 다음 Fig. 1와 같이 순수 MR 유체와 MR 유체에 그리스 20%를 혼합한 SMG 유체를 담아, 상온에서 100일 후의 모습을 살펴본 결과이다.
SMG 유체를 이용한 댐퍼의 제어성능을 평가하고자 두 가지 기본조건을 제시하고 충족 여부를 확인함으로써 제어성능을 평가하였다. 첫 번째는 가진 속도를 달리하여 발생하는 제어력을 확인하였다.
SMG 유체를 이용한 댐퍼의 제어성능을 평가하고자 속도와 공급전류의 세기에 따른 제어성능을 평가하였다. 그 결과 준능동 댐퍼의 성능지표인 DR이 최대 속도 조건인 2 Hz 에서 약 5인 것을 확인하였다.
첫 번째는 가진 속도를 달리하여 발생하는 제어력을 확인하였다. 두 번째는 댐퍼에 공급되는 전류의 세기에 따른 최대 제어력의 차이를 관찰하였다. 실험에서 획득한 데이터를 Fig.
본 연구에서는 MR 댐퍼의 장점을 극대화하면서도 기존 실리콘 기반으로 이루어진 MR 유체의 단점을 효과적으로 극복할 수 있도록 그리스 (Grease)를 베이스 오일로 채택하여 SMG 유체를 개발하였다. 또한, 개발된 SMG 유체를 이용한 준능동 댐퍼의 동하중 실험 및 동적 모델링을 통해 준능동 댐퍼의 성능을 검증하였다. 특히 변위를 고정한 상태에서 다양한 주파수(0.
49 mm/s)의 조건으로 외부마찰판을 가진하였다. 또한, 전류의 공급량에 따른 제어력을 확인하기 위하여 0~3 Ampere의 출력범위를 갖는 Kikusui 사의 PMC18-3A의 전류공급 장치를 사용하여 0~2.5 Amp까지 0.5 Amp씩 증가하며 실험을 진행하였다. 가진기의 진동을 발생시키기 위한 가진입력 신호는 dSPACE를 이용하였 으며, 발생하는 변위 및 하중 계측은 DRA-30A로 획득하여 활용하였다.
SMG 유체를 이용한 댐퍼의 제어성능을 평가하고자 두 가지 기본조건을 제시하고 충족 여부를 확인함으로써 제어성능을 평가하였다. 첫 번째는 가진 속도를 달리하여 발생하는 제어력을 확인하였다. 두 번째는 댐퍼에 공급되는 전류의 세기에 따른 최대 제어력의 차이를 관찰하였다.
또한, 개발된 SMG 유체를 이용한 준능동 댐퍼의 동하중 실험 및 동적 모델링을 통해 준능동 댐퍼의 성능을 검증하였다. 특히 변위를 고정한 상태에서 다양한 주파수(0.5 Hz, 1 Hz, 2 Hz)를 적용하여 전류의 세기를 달리하는 실험을 통하여 속도에 따른 제어력의 변화 추이를 확인하였다. 상기와 같은 목적으로 연구를 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
특히 기존 MR 댐퍼의 경우, 그 우수한 성능과 여러 활용 가능성에도 불구하고 MR 댐퍼에 주입된 실리콘 기반의 MR 유체가 장기간 정적상태를 유지하였을 때 실리콘에 섞여 있는 카보닐 아이언(Carbonyl iron) 입자들이 침전되거나 재료 분리가 일어나고 그 결과 유사시 혹은 미소 변위 발생 시 사전에 MR 유체의 충분한 Mixing이 진행되지 않아 즉각적인 제어력을 발휘하는 데 문제가 있음이 지적되었다[11]. SMG 유체는 이러한 MR 유체의 입자침전으로 인한 단점을 극복하기 위하여 기존의 MR 유체에 그리스를 첨가하여 제작되었다.
2와 같다. 이러한 실험적, 수치적 특징을 바탕으로 SMG 유체를 외력의 강도에 따른 제어력의 변화가 가능한 준능동형 전단형 댐퍼에 사용될 유체로 선정하였다.
제작된 전자석에 권선된 코일의 권선 수는 630회 이며, 권선된 코일의 두께(지름)는 0.75 mm, gap 사이즈는 1 mm로 하였으며, 최대 제어력 60 N을 목표로 제작하였다. 제작된 댐퍼는 Fig.
데이터처리
동적특성 평가를 위한 모델 실험은 Power(Involution) 모델과 Bingham 모델을 적용하여 해석(Analytical) 모델과 실험결과의 성능을 비교/평가하였다. 동적모델링은 1 Hz의 경우를 대표적 성능으로 선정하였다.
이들 변수를 동적모델에 적용하여 산출된 결과와 동적하중 실험을 통해 얻어진 결과를 Fig. 8와 같이 힘-속도 관계곡선으로 표현하여 각 동적모델별 경향을 파악하였다.
이론/모형
5 Amp씩 증가하며 실험을 진행하였다. 가진기의 진동을 발생시키기 위한 가진입력 신호는 dSPACE를 이용하였 으며, 발생하는 변위 및 하중 계측은 DRA-30A로 획득하여 활용하였다.
이들 두 모델들은 모두 그 관계식이 간단하면서도 MR 감쇠기의 거동특성을 수치적으로 모사할 수 있다는 장점이 있다(Heo, 2009). 그러므로 본 동적특성 평가에 Power 모델과 Bingham 모델을 적용하여 동적특성을 평가 하였다.
(2014)는 비슷한 방법으로 MR 유체에 Grease를 첨가하여 전단방식과 압착방식이 혼합된 댐퍼를 개발하여 시험하였다. 특히 FEMM (Finite Element Method Magnetic) 방식을 이용하여 충분한 성능을 검증 하는 시도를 하였다. 그럼에도 불구하고 준능동성을 갖는 MR 유체의 장점을 유지하면서 Carbon- powder의 침전문제를 근본적으로 해결할 수 있는 충분한 능동적인 제어력의 확보가 필요한 상태이고 이 제어기기의 실 구조물 적용을 목적으로 장기적인 방안이 제시를 위한 연구가 필요하다.
성능/효과
MR 유체의 단점을 효과적으로 극복하기 위하여 개발된 SMG 유체는 MR 유체에 20% 이상의 그리스를 혼합한 경우 재료 분리 및 침전이 발생하지 않는 것을 확인하였으며, 개발된 SMG 유체가 오일 내 자성 입자의 분산안정성과 관련하여 종래의 MR 유체보다 우수한 것을 확인하였다. 또한 개발한 SMG 유체의 성능분석 결과 자력세기에 따라 일정한 간격으로 제어력의 증감을 보임으로써 준능동 제어장치에 활용되는 스마트 재료로써의 사용가능성을 확인하였다.
또한 SMG 댐퍼의 효과적인 동적모델링을 위해 적용된 Power 모델과 Bingham 모델, 모두 해석모델과 실험결과 사이에 우수한 일치도를 보임으로써 준능동 댐퍼의 대표적인 거동특성을 확인하였다. SMG 유체의 비선형 거동을 확인할 때 사용되는 Power 모델은 MR 감쇠기를 모델링하기에 적합 하였으며, 선형거동 특성을 보이는 Bingham 모델 역시 MR 감쇠기의 성능평가실험에서 나타낸 동적 거동특성과 근사치에 가까운 결과를 보임으로써 우수한 결과를 확인하였다.
SMG 유체를 이용한 댐퍼의 제어성능을 평가하고자 속도와 공급전류의 세기에 따른 제어성능을 평가하였다. 그 결과 준능동 댐퍼의 성능지표인 DR이 최대 속도 조건인 2 Hz 에서 약 5인 것을 확인하였다. 또한 전류의 세기에 따른 제어력의 증가하는 것을 확인한 결과 1.
이는 전단형 댐퍼의 특징인 속도 증가에 따른 초기 점성력 증가로 인한 것으로 0A 조건에서 속도가 증가하면서 제어력도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 단, 2 Hz에서의 DR의 수치가 약 5인 것을 보면 개발된 SMG 유체를 준능동 진동제 어장치에 활용되는 재료로써 사용 가능성을 확인하였다. 또한 전류의 세기에 따른 제어력의 증가하는 것을 확인한 결과 1.
2%의 미소한 오차율을 보였다. 따라서 본 연구에서 적용한 두 가지 동적모델은 그 해석 결과와 성능평가를 위한 동적 하중실험 결과와 우수한 일치도를 보임으로써, 본 SMG 준능동 댐퍼의 동적거동특성이 잘 반영된 모델임을 평가하였다.
5 A 이상의 전류 공급에서는 크지 않은 제어력의 증가 폭을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구에서 제작된 댐퍼를 사용할 경우 0 A에서 1.5 A 범위 내에서 댐퍼를 활용하는 것이 적정할 것으로 판단된다.
Bingham 모델은 선형 거동이 고려된 모델로써 MR 유체의 항복 이후의 특성이 일정하게 나타난다고 가정한다. 따라서 비선형적 특성을 보이는 MR 유체의 항복 이후의 동적 거동특성 모사에서 다소 오차가 발생 할 수 있지만, 본 연구에서는 MR 유체의 항복점 이전까지를 고려하였으므로 동적모델결과 동적 하중실험결과와 비교하였을 때 근소한 오차를 갖는 선형성 거동을 보였다. 이와 같은 결과를 정량적으로 평가하고자 동적 하중실험 결과와 동적 모델해석 결과의 오차율을 계산하였고, 이를 Table 4와 Table 5에 각각 나타내었다.
또한 SMG 댐퍼의 효과적인 동적모델링을 위해 적용된 Power 모델과 Bingham 모델, 모두 해석모델과 실험결과 사이에 우수한 일치도를 보임으로써 준능동 댐퍼의 대표적인 거동특성을 확인하였다. SMG 유체의 비선형 거동을 확인할 때 사용되는 Power 모델은 MR 감쇠기를 모델링하기에 적합 하였으며, 선형거동 특성을 보이는 Bingham 모델 역시 MR 감쇠기의 성능평가실험에서 나타낸 동적 거동특성과 근사치에 가까운 결과를 보임으로써 우수한 결과를 확인하였다.
MR 유체의 단점을 효과적으로 극복하기 위하여 개발된 SMG 유체는 MR 유체에 20% 이상의 그리스를 혼합한 경우 재료 분리 및 침전이 발생하지 않는 것을 확인하였으며, 개발된 SMG 유체가 오일 내 자성 입자의 분산안정성과 관련하여 종래의 MR 유체보다 우수한 것을 확인하였다. 또한 개발한 SMG 유체의 성능분석 결과 자력세기에 따라 일정한 간격으로 제어력의 증감을 보임으로써 준능동 제어장치에 활용되는 스마트 재료로써의 사용가능성을 확인하였다.
단, 2 Hz에서의 DR의 수치가 약 5인 것을 보면 개발된 SMG 유체를 준능동 진동제 어장치에 활용되는 재료로써 사용 가능성을 확인하였다. 또한 전류의 세기에 따른 제어력의 증가하는 것을 확인한 결과 1.5 A 이상의 전류 공급에서는 크지 않은 제어력의 증가 폭을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구에서 제작된 댐퍼를 사용할 경우 0 A에서 1.
DR의수치를 보면 속도가 증가할수록 감소하는 것을 확인할 수 있다. 이는 전단형 댐퍼의 특징인 속도 증가에 따른 초기 점성력 증가로 인한 것으로 0A 조건에서 속도가 증가하면서 제어력도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 단, 2 Hz에서의 DR의 수치가 약 5인 것을 보면 개발된 SMG 유체를 준능동 진동제 어장치에 활용되는 재료로써 사용 가능성을 확인하였다.
후속연구
특히 FEMM (Finite Element Method Magnetic) 방식을 이용하여 충분한 성능을 검증 하는 시도를 하였다. 그럼에도 불구하고 준능동성을 갖는 MR 유체의 장점을 유지하면서 Carbon- powder의 침전문제를 근본적으로 해결할 수 있는 충분한 능동적인 제어력의 확보가 필요한 상태이고 이 제어기기의 실 구조물 적용을 목적으로 장기적인 방안이 제시를 위한 연구가 필요하다. 따라서 본 연구에서는 MR Grease를 수정 보완하여 SMG(Smart Material with Grease) 유체를 개발하고 이를 이용한 준능동 댐퍼를 개발하여 새로이 개발된 전단형 타입의 SMG 댐퍼에 능동적인 제어력 확보를 위한 동하중 실험 및 동적 모델링을 통해 댐퍼의 성능을 검증하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SMG 유체를 준능동형 전단형 댐퍼에 사용한 이유는 무엇인가?
다음으로 앞서 배합비가 선정된 SMG 유체의 재료적 성능평가의 결과이다. 성능평가 결과 자성의 강도가 증가할수록 SMG 유체의 항복강도가 상승하는 것을 확인하였으며, 이를 항복응력-자성강도 이력곡선으로 볼 경우 Fig. 2와 같다.
MRF 유체의 장점은 무엇인가?
그중에 하나가 준능동형 제어시스템(Semi Active Vibration Control System)으로 외부로부터 공급되는 낮은 전력만으로도 능동제어의 적응성 및 수동제어의 신뢰성을 동시에 만족시킬 수 있는 특징의 제어장치이다[2, 3]. MRF 유체(Magneto Rheological Fluid)는 유체(실리콘, 물등) 내에 미세한 크기의 자성 입자(1~20마이크로미터의 탄소강 미립자)를 혼입함으로써 자기력의 반응이 없을 경우에는 일반 유체처럼 점성거동을 하다가 자기력의 영향을 받으면 극히 짧은 시간 내에 입자들의 자기방향으로 정렬됨에 따라 전단응력을 유발시켜 진동을 제어하도록 설계되었다. 이와 같은 장점으로 준능동형 MR 제어시스템이 각광을 받고 있으며, 미국, 일본, 중국, 유럽 등 건설구조물의 효과적인 제어를 유도하기 위한 많은 연구가 수행되어왔다[4-8].
준능동형 제어시스템이란 무엇인가?
Weber은기존의 TMD(Tuned Mass Damper)보다 60%까지 우수한 성능을 가진 MR-SVA(Semi-active Vibration Absorber with real-time controlled Magnetorheological Damper)를 발표하는 등 다양한 제어장치의 개발이 연구되고 있다. 그중에 하나가 준능동형 제어시스템(Semi Active Vibration Control System)으로 외부로부터 공급되는 낮은 전력만으로도 능동제어의 적응성 및 수동제어의 신뢰성을 동시에 만족시킬 수 있는 특징의 제어장치이다[2, 3]. MRF 유체(Magneto Rheological Fluid)는 유체(실리콘, 물등) 내에 미세한 크기의 자성 입자(1~20마이크로미터의 탄소강 미립자)를 혼입함으로써 자기력의 반응이 없을 경우에는 일반 유체처럼 점성거동을 하다가 자기력의 영향을 받으면 극히 짧은 시간 내에 입자들의 자기방향으로 정렬됨에 따라 전단응력을 유발시켜 진동을 제어하도록 설계되었다.
참고문헌 (12)
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