[논문]유연성을 가진 기계 시스템의 동역학 해석

박태원; 서종휘; 정원선; 채장수; 서현석

유연성을 가진 기계 시스템의 동역학 해석
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박태원 (아주대학교 기계공학과) , 서종휘 (아주대학교 기계공학과 대학원) , 정원선 (아주대학교 기계공학과 대학원) , 채장수 (한국항공우주산업㈜본체 개발팀) , 서현석 (한국항공우주산업㈜본체 개발팀)

The component mode synthesis method allows the elastic deformation of each component in the flexible multibody system by a sum of modes and modal coordinates. This paper focuses on the selection of boundary conditions and deformation modes for redundantly constrained flexible components in mechanical system dynamics. The result of a flexible body dynamic analysis with only normal modes is used to identify proper boundary conditions of a static modes and a desired set of static modes which will be used in the final model. A simple four bar mechanism is used to explain the procedure and a space satellite with solar panels is analyzed using the proposed method.

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문제 정의

기계 시스템에서 과잉 구속된 유연체 구성품의 탄성효과를 고려하기 위한 모드의 선정과 조합에 대한 절차를 제시하였다. 이 방법을 인공위성의 태양열전지판 전개거동 해석에 적용하여 그 타당성을 확인하였다.
있다[4]. 이에 본 논문에서는, 강체 동역학 해석으로부터 얻어지는 조인트 반력정보를 이용하여 정적모드 고려하기 위한 적절한 경계조건을 설정하는 방법과 이에 대한 정규모드와의 합성을 통해 최소의 모드만으로도 기계시스템의 탄성변형을 효과적으로 고려할 수 있는 방법을 제시하였으며 이를 유연성이 큰 태양전지판의 전개거동 해석에 적용하여 그 타당성을 확인하였다.

제안 방법

Fig.7과 같은 인공위성 시스템에 대하여 제시된 방법을 이용해 유연체 해석을 수행하였다.
힘 요소는 고속회전을 고려하기 위하여 회전조인트 R]을 1초에 20번 회전하도록 구동력을 주었다. 그리 고 탄성효과를 고려하기 위하여 커넥팅로드를 유연체로 구성하였다. 단면은 0.
대한 절차를 제시하였다. 이 방법을 인공위성의 태양열전지판 전개거동 해석에 적용하여 그 타당성을 확인하였다.

대상 데이터

강체 모델의 종 자유도는 18개이고, 사용된 구속은 20개이다. 그러므로 이 시스템의 강체 모델은 과잉구속 상태이다.
그리 고 탄성효과를 고려하기 위하여 커넥팅로드를 유연체로 구성하였다. 단면은 0.01x0.02 m2, 길이는 1所이며 3차원 빔 요소(3D Beam Element) 100개를 사용하였고, 노드의 수는 101개이다. 재료는 일반적인 철(Steel)로서 물성치는 Young의 계수 206.
유연성이 큰 인공위성 태양전지판의 유한요소 모델은 Fig.8과 같이 4개 판넬 모두 같은 기하학적 형상과 소재를 사용하여 모델링 되었다.
02 m2, 길이는 1所이며 3차원 빔 요소(3D Beam Element) 100개를 사용하였고, 노드의 수는 101개이다. 재료는 일반적인 철(Steel)로서 물성치는 Young의 계수 206.8X 109 N/m2, 포와송 비 0.3, 밀도 7820 kg/m3 이다.

이론/모형

변형모드를 확보하기 위한 범용 유한요소해석 프로그램으로는 NASTRAN 70.5를 사용하였다.
유한요소의 종류 (Element Type) 는 Thin Shell Linear Quadrilateral# 사용하였으며, 기하학적 형상과 재료의 물성치는 설계 도면을 참조하여 적절한 수치를 적용하였다. 변형모드를 확보하기 위한 범용 유한요소해석 프로그램으로는 NASTRAN 70.

후속연구

따라서 이 단계에서는 유연체에 대한 정규모드만을 이용함으로써 경계조건 설정에 모든 연결 조인트를 사용할 수 있다. 이때 만약 저주파의 정규모드 몇 개만 사용한다면, 적은 수의 요소로 이루어진 유한요소모델이 사용 가능할 것이다. 그러나 고주파의 정규모드가 포함되어야 한다면, 사용되는 정규모드의 수는 더 증가하게 된다.

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