Vibration Analysis of Large Structures by the Component-Mode Synthesis

부분구조진동형 합성방법에 의한 대형구조계의 진동해석

The finite element method(FEM) has been commonly used for structural dynamic analysis. However, the direct global application of FEM to large complex structures such as ships and offshore structures requires considerable computational efforts, and remarkably more in structural dynamic optimization problems. Adoption of the component-mode synthesis method is an efficient means to overcome the above difficulty. Among three classes of the component-mode synthesis method, the free-interface mode method is recognized to have the advantages of better computational efficiency and easier implementation of substructures' experimental results, but the disadvantage of lower accuracy in analytical results. In this paper, an advanced method to improve the accuracy in the application of the free-interface mode method for the vibration analysis of large complex structures is presented. In order to compensate the truncation effect of the higher modes of substructures in the synthesis process, both residual inertia and stiffness effects are taken into account and a frequency shifting technique is introduced in the formulation of the residual compliance of substructures. The introduction of the frequency shrift ins not only excludes cumbersome manipulation of singular matrices for semi-definite substructural systems but gives more accurate results around the specified shifting frequency. Numerical examples of typical structural models including a ship-like two dimensional finite element model show that the analysis results based on the presented method are well competitive in accuracy with those obtained by the direst global FEM analysis for the frequencies which are lower than the highest one employed in the synthesis with remarkably higher computational efficiency and that the presented method is more efficient and accurate than the fixed-interface mode method.

대형구조계의 진동해석에 효율적인 방법으로 알려진 부분구조 진동형 합성방법을 방법론적 관점에서 분류하면 부분구조계간의 연결부 경계조건을 어떻게 가정하는가에 따라 구속모드방법, 불구속 모드방법 및 혼합방법으로 대별할 수 있다. 이 방법들 중에서 불구속 모드방법이 보다 효율적이고 또 특정 부분구조의 실험결과 이용이 용이한 장점이 있으나 정확도가 떨어진다는 단점이 있다. 본 연구에서는 대형 구조계의 진동해석에 효율적이면서 정확도 높은 결과를 얻을 수 있는 불구속 모드방법을 정식화하였다. 불구속 모드방법의 정확도 향상 방안으로서 모드합성시 배제된 고차진동형의 영향을 잉여강성과 더불어 잉여관성 효과도 고려하여 보상하였고, 또 주파수이동기법을 도입하므로써 주관심 주파수 부근에서 더욱 정확도가 높은 결과를 얻을 수 있도록 함과 동시에 부분구조계가 semi-definite system일 경우 특이매트릭스를 처리해야 하는 문제점도 해결하였다. 상기방법의 정확도 및 계산효율성은 선체 2차원 단순화 모델을 포함한 일련의 유한요소모델에 대해 검증되었다. 상기방법에 의한 계산결과는 정확도에 있어서 진동형 합성에 이용된 부분구조계의 최고차 진동수 이하에서는 전체계를 직접 유한요소해석한 경우와 대등하고, 구속모드방법보다 효율적이면서 정확도가 더 높은 결과를 얻을 수 있음이 확인되었다.