이번 강의에서는 '제품 진동소음 절감을 위한 최적설계 실무 노하우'에 대해 소개합니다. 해석을 하기 위해서 설계를 변경할 때, 해석 목적의 모델의 경우는 설계를 변경하면 해석이 맞지 않습니다. 모델의 목적이 해석인지, 설계인지 따라서 모델의 정확도는 달라집니다. 단순하게 하중을 줬을 시 변위의 변화, 응력의 작용, 진동의 발생 등을 확인하는 해석 목적의 모델은 정확도가 다소 낮아도 되지만, 실제 설계 목적의 모델은 설계를 변경 했을 때도 해석이 맞아야 하기 때문에 정확도가 높아야 합니다.
모델링 후 검증은 실험으로 검증 하는 것이 좋으며, 실험으로 검증 후에는 테스트를 해야 합니다. 설계를 변경해보고 예상 한대로 된다면 이후에 최적 설계는 툴을 이용해서 원하는 형상을 바꾸거나 재료를 바꾸거나 여러가지 할 수 있습니다. 본인이 사용하는 모델을 상용툴을 이용해 해석 했는데는 맞지 않는다면 해석모델이 정확하지 않은 것이라고 할 수 있습니다.
이러한 내용에 대해 전반적으로 설명 드리고자 하며, 파트1 에서는 간단한 이론 및 해석, 실험에 대한 설명을 드릴 예정이고, 파트2 에서는 해석 모델이 정확하다는 가정 하에 여러가지 설계를 변경해서 형상 최적화, 크기 최적화, 위상 최적화 이론과 몇 가지 기업체들과 했던 프로젝트를 통해 이해를 돕고자 합니다.
<CONTENTS>
Part.1 진동과 소음 소개
• Introduction to Vibration (진동)
• Introduction to Sound (음향)
• Introduction to Psycho-Acoustics and Sound Quality (심리음향과 음질)
• Model Validation & Update (모델 검증 및 수정)
Part.2 최적 설계 소개 및 Applications for Design Optimization
• Introduction
• Design Sensitivity Analysis (설계 민감도)
• Design Optimization - Shape Optimization (형상)
• Design Optimization - Topology Optimization (위상)
• Reliability Based Topology Optimization
• Level Set Based Topology Optimization
• Response Surface Method (반응 표면법)
• Genetic Algorithm (유전자 알고리즘)
• Applications (HDD, Motors, Compressor, Car, Ship)
✔️Introduction to Vibration – Undamped Vibration
먼저 제일 간단한 1자유도에 대해 설명 드리면, 왼쪽 하단 그림처럼 한 방향으로만 움직이는 것을 의미합니다. 이와 반면에 공중에 있는 것은 6자유도를 가집니다. XYZ로 움직이고, XYZ로 회전 할 수 있기 때문에 6자유도로 모든 것을 표현할 수 있는 것입니다.
이 파트에서는 1자유도에 대해 자세히 설명 드리겠습니다. 스프링에 매스를 달아서 잡아당겼다 놓으면, 움직이다가 점차 정지를 합니다. 정지하는 이유는 댐핑이라고 재진하는 것이 있기 때문입니다. 작용하는 댐핑에는 두 가지가 있는데, 하나는 공기에 의한 댐핑이고 또 하나는 물질(스프링)안에 있는 구조 댐핑이라고 하는 댐핑 성분입니다. 이 두 가지 댐핑 때문에 스프링을 잡아 당겼다 놓으면 결국에는 정지 하게 되는 것입니다. 댐핑에 관련된 부분은 추후에 더 자세한 설명을 드리겠습니다.
첫 번째 식을 보면 오른쪽 항에 힘이 없으며, 이를 자유진동이라고합니다. 댐핑은 고려를 하지 않는 시스템으로 대부분은 오른쪽 항에 힘이 존재하지만 이 식에는 없습니다. 대부분의 시스템은 두 가지 솔루션의 합인데 하나는 힘에 의한 진동, 또 하나는 자유진동이고 두 가지를 합치면 토탈 진동이 됩니다.
먼저 진동이 없는 시스템은 
식이 되고 이것을 고유치 문제라고 합니다. 매스(M)가 있고 구조물의 강성(K)이 있고 이 람다(
)를 고유치 라고 합니다.
다음은 두 가지에 대해 설명 드리고자 하는데 그 중 하나는 '고유치' 이며, 고유치는 진동수를 결정합니다. 진동수는 구조물의 강성과 무게에 의해 결정이 됩니다. 뒤 파트에서 자동차의 크기를 가지고 설명 드릴 예정인데, 무게에 의해서 진동이 결정이 됩니다. 무게가 무거울수록 진동수가 느리고, 가벼울수록 빠릅니다. 작은 자동차는 무게가 가볍고 진폭은 작은데 진동수는 빠른 것 입니다. 무게와 강성이 대부분 설계하고 싶은 제품의 고유 진동수를 결정합니다.
다음으로 설명 드릴 힘이 있는 진동(Forced Vibration)은 대부분 위에 표시된 식과 같습니다. 복잡함을 줄이기 위해 댐핑텀은 집어 넣지 않았습니다. 똑같은 시스템임에도 자유 진동에서는 외부 하중이 없고, Forced Vibration에서는 외부 하중이 존재하는데 외부 하중은 주파수의 함수일 수도 있고, 아니면 시간의 함수 일 수도 있습니다.
예시처럼 주파수 함수의 경우에는 계속 sin 함수로 가진을 하기 때문에 구조물이 계속적으로 사인 하중을 받는 것 입니다. 그렇지만 구조물은 같기 때문에 미리 알아냈던 고유진동수와 주파수는 여기서도 변하지 않습니다.
😥 미리 보기는 여기까지!
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