초록 ▼

압전 재료는 주파수 대역이 넓고 응답 특성이 빨라 우주항공, 자동차, 공작 기계 등의 다양한 분야에 적용할 수 있는 지능 재료로 주목을 받아오고 있다. 본 연구에서는 항공기 날개나 동체와 같은 쉘 형상에 적용된 압전 감지기/작동기의 동적 거동을 정확하게 예측할 수 있는 압전 쉘 요소를 개발한다.
쉘 형상 구조물에 적용된 압전 감지기/작동기의 동적 거동을 정확하게 예측할 수있는 압전 쉘 요소를 개발하고, 이 요소를 이용하여 전용 유한요소해석 프로그램을 작성한다. 프로그램의 신뢰도를 확신할 수 있도록 동적 특성 해석 및 측정 기법

압전 재료는 주파수 대역이 넓고 응답 특성이 빨라 우주항공, 자동차, 공작 기계 등의 다양한 분야에 적용할 수 있는 지능 재료로 주목을 받아오고 있다. 본 연구에서는 항공기 날개나 동체와 같은 쉘 형상에 적용된 압전 감지기/작동기의 동적 거동을 정확하게 예측할 수 있는 압전 쉘 요소를 개발한다.
쉘 형상 구조물에 적용된 압전 감지기/작동기의 동적 거동을 정확하게 예측할 수있는 압전 쉘 요소를 개발하고, 이 요소를 이용하여 전용 유한요소해석 프로그램을 작성한다. 프로그램의 신뢰도를 확신할 수 있도록 동적 특성 해석 및 측정 기법을 개발하여 검증을 수행한다. 개발과 검증이 완료된 해석 소프트웨어를 이용하여 압전 작동기 및 주 구조물을 한다. 쉘형 압전 감지기/작동기의 진동 제어성능에 대한 실험 사례가 거의 없으므로, 제어 성능을 명확히 나타내는 시스템을 설계하여 실험한다. 해석 결과와 실험 결과를 비교하여 본 연구에서 개발된 프로그램의 효용성과 정확성을 확인한다.
압전 감지기/작동기가 부착된 쉘형 구조물의 동적 거동을 예측할 수 있는 유한요소 해석 프로그램을 개발하였다. 압전 쉘 구조물의 정적 변형 계산, 고유 진동수 및 고유 모드 계산, Newmark-β법을 이용한 직접 시간 적분 계산을 수행할 수 있도록 하였다.
개발된 프로그램을 활용하여 쉘 구조물의 진동 제어에 관련한 해석을 수행하였다.
압전 감지기와 작동기로 PZT(lead zirconate titanate)와 PVDF(polyvinylidene flouride)를 사용하는 경우를 각각 고려하여 해석하였는데, 각 경우를 실제 구조물로 제작하고자하는 경우 각각의 장단점이 있음을 확인하였다. PVDF는 곡률을 가진 쉘 구조물에 부착하는 것이 용이하지만 제어력이 작다. 반면에 PZT는 제어력은 크지만, 특정 곡률을 갖는 형상을 제작하기 위하여 주문 제작을 하여야 하므로 시간과 비용이 매우 많이 든다. 이를 고려하여 PVDF를 부착하되 구조물의 길이를 크게 하여 같은 작동력으로 큰 제어 효과를 볼 수 있도록 하거나 작동전압이 큰 전압 증폭기를 활용하는 방안을 제시하였다.
쉘 구조물의 가장 간단한 형태인 실린더형 쉘 구조물을 제작하여 진동 제어 실험을 수행하였다. PVDF의 경우, 작동력이 충분히 발생되지 않아 고출력 전압 증폭기를 이용하여 실험을 수행하였다. 되먹임 이득의 증가에 따라 제어 효과가 커지는 것을 확인할 수 있었지만, 너무 높은 전압으로 인하여 감지기/작동기의 전극 간에 방전이 일어나는 등의 현상이 발생하여 실험상의 어려움이 많았다. 향후 유한요소 해석 프로그램의 결과와 비교할 정도의 안정적이고 정량적인 실험 결과를 구할 계획이다.

Abstract ▼

The piezoelectric material is very attractive as a smart elements for aerospace, automotive and machinery applications. In this research, we will develope a piezoelectric shell element which can predict the dynamic responses of the intelligent shell structure with piezoelectric sensor/actuator’s.

The piezoelectric material is very attractive as a smart elements for aerospace, automotive and machinery applications. In this research, we will develope a piezoelectric shell element which can predict the dynamic responses of the intelligent shell structure with piezoelectric sensor/actuator’s.
A piezoelectric shell element is developed to predict the dynamic responses of the intelligent shell structure with piezoelectric sensor/actuator’s. A finite element code based on the developed element, will analyze the response of the host structure and piezoelectric sensor/actuators. The example problem wi1l show the exactness and efficiency of the element and program developed in this research.
We developed and verified a finite element analysis program to perform a static analysis, an eigenvalue analysis and a direct time integration of a piezoelectric shell structure.
The program predicts the performance of piezoelectric sensor/actuator in vibration control of a laminated shell structure. PZT(lead zirconate titanate) or PVDF(polyvinylidene flouride) has it's own advantage or disadvantage when used as a sensor or actuator. PVDF is easy to be attached on the surface of a shell structure but makes weak control forces. On the contrary, PZT makes control forces large enough to control the structure, but it is not easy to make a PZT element with curvature. To use PVDF as an actuator, the structure should be designed as flexible as possible and the voltage amplifier could make high control voltage.
The experiment of vibration control for a shell structure with piezoelectric sensor/actuator shows that the control effect increases as the control gain increases. However, the high voltage induces many problems like the discharge between electrodes of sensor and actuator. The next schedule is to get a stable experimental data that can verify the results of finite element analysis program.

목차 Contents

• Ⅰ. 연구계획 요약문...3
• 1. 국문요약문...3
• Ⅱ. 연구결과 요약문...4
• 1. 국문요약문...4
• 2. 영문요약문...5
• Ⅲ. 연구내용...6
• 1. 서론...6
• 2. 유한요소 정식화...6
• 3. 프로그램 검증...9
• 4. 쉘형 구조물의 진동제어 해석...10
• 5. 쉘형 구조물의 진동제어 실험...12
• 6. 결론...17
• 7. 인용문헌...17