[논문]철도차량용 패널 감쇠처리재의 감쇠계수 평가

강길현

doi:10.5762/kais.2019.20.4.489

철도차량용 패널 감쇠처리재의 감쇠계수 평가
An Evaluation of Loss Factor of Damping Treatment Materials for Panels of Railway Vehicles 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.4, 2019년, pp.489 - 496

강길현 ((주)SR 기술본부)

초록
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본 논문은 철도차량 및 자동차용 패널의 진동 및 소음억제용으로 사용되는 감쇠 처리재의 감쇠특성 평가에 관한 연구이다. 감쇠재의 모드별 매개변수들을 구하기 위해 다른 종류의 PVC를 알루미늄과 철계 빔위에 도포한 시편을 제작하여 가진시험을 수행하였다. 시편은 10 Hz부터 1,000 Hz까지의 주파수 대역을 조화력으로 가진하여 가속도계로 전달 모빌리티값을 측정하였다. 감쇠계수는 몇 가지 이론인 반력법, 최소 탄젠트오차법 및 최소 각오차법 조합법과 위상변화법을 모드 원호곡선 맞춤과 최소자승오차법을 사용하여 작성한 통합 프로그램을 이용하여 평가하였다. 감쇠값이 비교적 낮고 측정값이 선형인 경우는 어느 방법을 사용해도 되나, 감쇠값이 높거나 측정값에 비선형특성이 있는 경우에는 최소 각오차법이 감쇠계수 측정오차를 줄일 수 있다. 도포 감쇠재의 동적특성 평가로부터 구한 재료의 물성값은 차체나 철도차량 하부 기기함과 같이 복잡한 구조물의 소음해석을 위한 유한요소법에 사용할 수 있다. 빔 시험에서 수행한 모드별 감쇠계수의 특성 평가 결과 2차 이상 모드의 주파수 대역에서 감쇠 효과가 크기 때문에 구조소음억제에 유용할 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper is a study on the evaluation of loss factor of damping treatment materials to reduce the noise and vibration for panels of railway vehicles and automobiles. In order to determine the modal parameters of damping materials, beam excitation tests were carried out using different type PVC coated aluminum and steel base beam specimens. The specimens were excited from 10 Hz to 1000 Hz frequency range using sinusoidal force, and transfer mobility data were measured by using an accelerometer. The loss factors were determined by using integrated program, based on theories of Half Power Method, Minimum Tangent Error Method, Minimum Angle Error Method and Phase Change Method, which enable to evaluate the parameters using modal circle fit and least squares error method. In the case of lower loss factor and data of linear characteristics, any method could be applied for evaluation of parameters, however the case of higher loss factor or data including non-linear characteristics, the minimum angle error method could reduce the loss factor evaluation. The obtained dynamic properties of the coating material could be used for application of Finite Element Method analyzing the noise control effects of complex structures such as carbody or under-floor boxes of rolling stock. The damping material will be very useful to control the structural noise, because the obtained modal loss factors of each mode show very good effect on over $2^{nd}$ mode frequency range.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Damping material coated beam specimens
표 Table 1. Test specimens for the coated beam test
그림 Fig. 2. Coated beam tests: (a) boundary excitation,(b) environmental chamber tests
그림 Fig. 3. Frequency response plot by transfer mobility of beam tests: aluminium base specimen
그림 Fig. 4. Curve fit HPM(Al 1.0 mm, mode 3, 1 Hz resolution)
그림 Fig. 5. Close modes(damping treated AL 1.6mm based beam, mode 3, 0.25 Hz resolution), (a) frequency response plot (b) 3D Nyquist plot
그림 Fig. 6. Modal circle fit for close modes(damping treated AL beam, mode 3, 0.25 Hz resolution)
표 Table 2. Input frequency bandwidth dependency of modal parameters of combination of MTEM & MAEM (Fig. 5. coated AL beam, mode 3, 0.25 Hz resolution)
그림 Fig. 7. Flowchart of loss factor evaluation(HPM,Combination of MTEM & MAEM & PCM)
표 Table 2. Dynamic parameter determination: coating material properties
그림 Fig. 8. Loss factor comparisons to evaluate the coating mass effect of material
그림 Fig. 9. Loss factor comparisons to evaluate the coating thickness effect of material
그림 Fig. 10. Loss factor comparisons to evaluate the base metal effect and frequency dependency of material

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이러한 개별방법 또한 각각의 장단점과 한계가 있다. 본 연구는 이러한 기존 감쇠계수 평가방법의 현장 적용 시 개별방법 고유의 한계를 이해하고 실수를 방지할 수 있는 통합프로그램 개발하여 최소오차의 감쇠계수 결정툴을 제시하고, 실제 빔시험을 수행하여 패널 감쇠계수를 평가하여 도포재 적용 시의 최적 중량비와 두께 결정 등에 유효한 기준을 제시하고자 한다.

제안 방법

(2) PVC D 재질에 대하여 600 ~ 640 Hz 영역 내에서 최소 각오차법을 이용하여 임의의 선정 주파수 구간별 감쇠계수를 평가하였다. 입력 주파수 범위가 큰 경우가 감쇠계수 0.
가진 형태는 빔을 직접 가진기로 가진하는 방식으로 Fig. 2(a)와 같이 빔의 경계면을 가진하는 경계가진시험을 수행하였다. 또한, 감쇠계수 측정용 데이터를 얻기 위해서 2차적으로 공진주파수 모드별 일정 주파수 대역을 0.
2(a)와 같이 빔의 경계면을 가진하는 경계가진시험을 수행하였다. 또한, 감쇠계수 측정용 데이터를 얻기 위해서 2차적으로 공진주파수 모드별 일정 주파수 대역을 0.1 Hz나 0.25 Hz의 고해상도로 시험하였으며 이 시험은 일정한 특성을 얻고자 환경시험 챔버내(Fig. 2(b))에서 수행하였다.
모드별 주파수응답 측정값이 감쇠계수 값이 커서 반력값을 구할 수 없을 때는 반력법의 대체로 최소 탄젠트 오차법, 최소 각오차법 및 위상변화법의 적용이 가능하며, 측정값의 모드 원호맞춤을 도시하여 비선형성을 판정하고 입력데이터 구간을 판단하여 최소 탄젠트오차법이나 위상변화법을 사용할 수 있도록 하였으며, 인접모드 발생 시 모드 원호맞춤을 통하여 최소오차의 감쇠계수를 결정을 지원할 수 있다. 또한, 비선형 측정값이 포함된 경우는 비선형 값에 적합한 최소 각오차법을 사용하되 최소 탄젠트오차법으로 구한 감쇠계수를 최소 각오차법의 초기 입력값으로 하여 쉽게 사용할 수 있게 조합프로그램을 개발하여 어느 경우에도 감쇠계수를 결정할 수 있도록 하였다.
34 pC/N)와 Beran 402 주파수응답 분석기(frequency response analyzer: 100 mHz to 20 kHz 주파수 해상도 1/10,000에서 1 % 왜곡) 및 범용 컴퓨터와 데이터 수집 프로그램과 MATLAB 소프트웨어를 사용하였다. 모드별 매개변수를 측정하기 위해 서로 다른 재료와 두께의 빔을 1차적으로 10 Hz에서부터 1,000 Hz까지 조화 가 진력(sinusoidal force)을 전달하여 공진주파수를 측정하였으며, 모달 모빌리티(modal mobility)데이터를 얻기 위해 가속도계를 사용하였다. 가진 형태는 빔을 직접 가진기로 가진하는 방식으로 Fig.
본 연구에서는 곡선맞춤 반력법(curve fit HPM)을 사용하여 공진주파수와 좌우 일정 주파수 대역 데이터를 곡선 맞춤함으로써 얻어진 반력값에 따라 감쇠계수를 평가하였다. Fig.
이를 위해서 다른 소재로 감쇠처리된 빔을 10 ~ 1,000 Hz의 광대역 주파수로 가진하고, 공진 모드별 응답값으로부터 빔의 감쇠계수를 구하여 감쇠재의 성능을 비교 평가하고자 한다. 또한, Oberst식[3]을 사용하여 도포재 자체의 감쇠계수를 구하여 대형구조물의 감쇠처리의 시행착오를 줄일 수 있는 유한요소해석 입력데이터로 사용할 수 있도록 하였다.
측정 노이스를 최소화하기 위해 측정주파수 50 kHz까지 필터 차단 상태에서 -1 ~ +2 % 오차를 보증하는 Kistler 5011B 전하 증폭기(charge amplifier: 출력전압 ±10 V, -3.34 pC/N)와 Beran 402 주파수응답 분석기(frequency response analyzer: 100 mHz to 20 kHz 주파수 해상도 1/10,000에서 1 % 왜곡) 및 범용 컴퓨터와 데이터 수집 프로그램과 MATLAB 소프트웨어를 사용하였다.

대상 데이터

빔시험에 사용된 가진기는 Ling Altec 407 전자기형 가진기, 포스센서는 Kistler사 model 9173B(측정 -3~12 kN, -3.5 pC/N), 가속도계는 Endevco사 초소형 가속도 계 2222C(micro-miniature accelerometer: 중량 0.5 gram, 1.578 pC/g, 535 pF)를 사용하였다. 측정 노이스를 최소화하기 위해 측정주파수 50 kHz까지 필터 차단 상태에서 -1 ~ +2 % 오차를 보증하는 Kistler 5011B 전하 증폭기(charge amplifier: 출력전압 ±10 V, -3.
시험편의 크기는 20 mm(W) × 200 mm(L)이며, 사용된 판재는 0.8 mm 및 1.2 mm 탄소강(490C)과 1.0 mm 및 1.6 mm 알루미늄합금(6005A-T6)으로 시편의 중량과 코팅 두께 및 재료는 Table 1과 같다.

데이터처리

시험 측정값은 실수부와 허수부의 모달 데이터를 사용하고, 감쇠계수는 데이터 특성에 따라 사용법을 비교하여 선택한다.

이론/모형

그러나 이 방법은 공진주파수와 멀어진 데이터가 포함되는 경우에 큰 오차가 발생하는 단점을 갖는다. 따라서 본 연구에서는 식(5)와 같이 오차를 최소화 하는 최소 각오차법을 사용하여 비선형성 데이터의 감쇠 계수를 평가한다.
이를 위해서 다른 소재로 감쇠처리된 빔을 10 ~ 1,000 Hz의 광대역 주파수로 가진하고, 공진 모드별 응답값으로부터 빔의 감쇠계수를 구하여 감쇠재의 성능을 비교 평가하고자 한다. 또한, Oberst식[3]을 사용하여 도포재 자체의 감쇠계수를 구하여 대형구조물의 감쇠처리의 시행착오를 줄일 수 있는 유한요소해석 입력데이터로 사용할 수 있도록 하였다.
유한요소의 입력데이터는 감쇠 해석방법에 따라 감쇠재의 감쇠계수가 필요하므로 도포재의 감쇠계수를 결정해야 하며 이는 Oberst식을 사용하여 구할 수 있다.

성능/효과

(1) 알루미늄합금 빔에 대하여 반력법에 준하여 감쇠계수는 구할 수 있지만, 감쇠처리된 빔의 응답특성은 반력값을 찾을 수 없거나 인접모드 발생시에는 구하기 어렵다. 따라서 반력법은 감쇠처리된 빔의 감쇠계수를 평가하기에 다소 부적합하다.
(4) 알루미늄합금과 탄소강 두 재질의 감쇠된 빔에 대한 감쇠계수는 가진주파수 500 Hz 부근까지 주파수 증가에 따라 완만하게 커졌다. 따라서 감쇠 처리된 두 재질의 감쇠효과는 500 Hz 영역까지 큰 차이가 없음을 알 수 있다.
즉 금속모재와 도포재의 특성으로 공진주파수비 (Frn = ,여기서 fcm: 감쇠처리된 빔의 공진주파수, fmn : 금속 빔의 공진주파수)비가 커지면 특정 모드에서 빔의 유연도(질량비와 공진 주파수비 곱으로 일정)에 영향을 주게 되어 감쇠효과가 떨어질 수 있다는 점이다.

후속연구

또한, 빔시험과 Oberst식으로 얻어진 감쇠재의 감쇠계수는 기계 부품/구조물의 소음억제를 위한 소음해석 유한요소 시뮬레이션의 입력자료로 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차체 패널의 감쇠처리 방안은?	철도차량 차체(carbody)나 기기함의 재질은 철이나 알루미늄합금 재질이므로 주행 중 진동과 소음을 줄이는 노력을 오랫동안 수행해왔다. 차체 패널의 감쇠처리는 대부분 판재에 감쇠재를 도포(coating)하는 방식을 사용하며, 이때 적절한 두께를 선택하여 중량을 최적화한다. 최적화 과정 동안 시행착오를 줄이기 위해서는 일정 주파수 영역에서 유한요소해석 등을 통하여 감쇠재의 효과를 사전에 비교 평가하는 것이 중요하다.
	원호곡선맞춤 최소자승오차법이란?	원호곡선맞춤 최소자승오차법은 벡터도법으로 모드별 응답값을 계산하고 모드 원호맞춤(modal circle fit)을 수행한 후에 최소자승오차법을 사용하는 방법이다. 이의 최소자승오차 합은식(3)과 같다[8].
	최적화 과정 동안 시행착오를 줄이기 위해서는 일정 주파수 영역에서 실시하는 유한요소해석 입력 매개변수는?	최적화 과정 동안 시행착오를 줄이기 위해서는 일정 주파수 영역에서 유한요소해석 등을 통하여 감쇠재의 효과를 사전에 비교 평가하는 것이 중요하다. 감쇠 효과 관련 해석 및 평가에 요구되는 입력 매개변수는 동적 특성값 (dynamic characteristics)으로서, 이는 감쇠계수 (damping factor, loss factor)와 탄성계수이다. 이들 특성값 중 감쇠계수는 일반적으로 반력법(half power method, HPM)으로 구할 수 있지만, 높은 감쇠값 영역에 서 반력법의 적용은 한계가 있다.

참고문헌 (9)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
A. M. Brown, An Experimental and Theoretical Analysis of Vehicle Body Structure Dynamics, Ph.D. Thesis, The University of Birmingham, Birmingham, UK, pp.60-74, 1985.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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