본 논문에서는 결합부의 강성도를 나타내기 위해 그동안 사용되어 오던 기존의 스프링 모델을 사용하는 대신 등가빔 조인트 모델을 차체의 유한요소모델에 적용하여 보았으며 차체의 기본 진동 모드 해석을 통해 그 타당성을 검증하여 보았다. 특히 본 연구를 통해 차체 설계시 특정 결합부 강성도를 효율적으로 결정할 수 있는 방법의 개발이 가능해졌으며 그 방법의 개발을 위해 현재 계속 연구가 진행되고 있음을 밝힌다.
수중터널은 내륙 간 연결을 위해 지반에 접속되어야 한다. 지반 접속부에 연결된 지중터널과 수중터널이 보이는 변위 불균형은 응력 집중을 야기할 수 있으며, 이를 해결하기 위한 방법으로 탄성 조인트를 활용할 경우에는 정적 하중 조건에서 지반 접속부의 응력 집중은 해소시킬 수 있음이 선행 연구에서 확인되었다. 그러나, 지속적으로 거동하는 수중터널의 구속조건을 고려했을 때 지반 접속부의 동적 거동과 안정성에 탄성 조인트의 활용이 미치는 영향이 검토되어야 한다. 본 연구에서는 동적 하중 조건의 수중터널 및 지반 접속부를 수치해석적 방법을 통해 모사하였으며, 동일 상황을 모사한 축소 모형시험을 통해 수치해석 모델을 검증하였다. 다양한 물성의 탄성 조인트가 설치될 경우에 대한 수치해석적 모사를 통해 탄성 조인트 강성에 따른 수중터널의 고유진동수 변화와 공진 거동을 분석하였다. 그 결과, 조인트의 강성과 고유진동수가 멱함수 관계를 가짐이 확인되었다. 낮은 강성의 조인트로 지반 접속부가 설계될 경우, 수중터널의 고유진동수는 감소하여 낮은 진동수의 동하중이 가해지는 해양 환경에서 공진의 위험이 증가할 뿐만 아니라 공진 발생 시 최대 속도가 크게 증가하였다. 그러므로, 수중터널 지반 접속부의 응력 집중 해소와 공진 방지를 동시에 고려하여 지반 접속부를 설계해야 할 것으로 판단된다.
다양한 조임 조건에서 기계적 조인트의 컨택 특성 파라미터를 유도하기 위하여 컨택 공진을 기반으로 하는 실험적 방법을 개발하였다. 기계적 조인트의 전단 컨택 강성과 감쇠의 파라미터는 접촉 표면간의 표면 처리, 윤활 유무, 그리고 조임력과 전단력의 의한 영향과 같은 여러 가지 물리적 조인터 파라미터와 연계하여 고찰하였다. 제안된 실험적 방법을 사용하여 전단 컨택 강성 값은 조임력과 전단력이 커짐에 따라 증가하는 것을 발견하였다. 또한 컨택 감쇠 비 값은 대부분 조임력과 상관없이 일정 값을 나타내지만 전단력이 커짐에 따라 감소하였다. 추가로, 전단 강성 값과 컨택 감쇠 비는 매끄러운 표면에서보다 거친 표면에서 더 크게 나타남을 알 수 있었다.
This paper presents theoretical analyses for unstable vibrations caused by the couple of bending and torsion in a rotating shaft driven through a universal joint. A driving shaft is assumed to be rigid and to rotate with a constant angular velocity. The driven shaft system consists of a flexible shaft with a circular section and a symmetrical rotor attached at a point between the shaft ends. Equations of motion derived hold with an accuracy of the second order of shaft deformations, and are analyzed by the asymptotic method. The vibrations become unstable when the driving shaft rotates with the angular velocity to be approximately equal to half of the sum of the natural frequencies for whirling and torsional vibrations.
An experimental method based on contact resonance is developed to extract the contact parameters of mechanical joints under various clamped conditions. Mechanical joint parameters of shear contact stiffness and damping were extracted for different physical joint parameters such as surface finish of the mating surfaces, the presence of lubrication, the effect of the clamping pressure, and shear load. It was found that the shear contact stiffness values decreased with increasing clamping load and increased with increasing shear loading. Contact damping ratio values were almost constant with clamping load, but decreased with increasing shear load. Moreover, rough surfaces exhibited the highest shear stiffness and contact damping compared to smooth surfaces.
Torsional oscillations of a system incorporating a Hooke's joint are investigated by adopting a nonlinear 2-degree-of-freedom model. Linear and Van der Pol transformations are applied to obtain the equations of motion to which the method of averaging can be readily applied. Various subharmonic and combination resonances are identified with the conditions of their occurrences. Applying the method of averaging leads to the reduced amplitude- and phase-equations of motion, of which constant and periodic solutions are obtained numerically. The periodic solution which emerges from Hopf bifurcation point experiences period doubling bifurcation leading to infinite solution rather than chaotic solution.
Torsional oscillations of a system incorporating a Hooke's joint are investigated by studying a simple similar nonlinear 2-degree-of-freedom model, which has linear and quadratic nonlinear parametric excitations. The simple system is identified to have the possibilities of primary, sub harmonic and combination resonances. The case of simultaneous primary and combination resonances is selected for perturbation analysis to have the reduced amplitude-equations of motion. The same procedure is applied to the system incorporating a Hooke's joint.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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