방진구 기술동향과 전투차량 그리고 선박 진동 감쇠

1.2.2 방진구 기술동향 방진구는 감시 장비가 회전‧고정익 무인항공기, 전투차량, 선박 등 다양한 플랫 폼에 설치‧운영됨에 있어 장착 플랫폼 동체에서 전달되는 진동을 감쇠시키기 위 한 목적으로 사용된다. 영상정보 수집을 위한 EOTS 플랫폼은 무인항공기의 운 항 중 발생하는 주기적인 진동, 그리고 관성력, 공기 마찰 및 점성에 의한 공력, 프로펠러 회전에 따른 다양한 진동 외란이 일어날 수 있는 환경에 노출되어 있 다. 이러한 진동 외란은 EOTS 플랫폼에 영향을 주어 선명한 영상을 얻는 데 장 애로 작용할 뿐만 아니라 심한 경우 성능 저하나 공진으로 인한 파괴 등의 문제 를 유발할 수 있다. 따라서 문제를 방지하고 진동을 감쇠시키고자 방진구에 대한 연구가 필요하다. 방진구는 무인항공기의 동체에서의 전달되는 진동을 방진기 등 을 활용하여 감쇠시키는데, 고무의 특성을 활용하여 외부에서 오는 진동 또는 충 격을 완충 시켜 감시 장비를 보호하기 위해 활용되고 있다. 방진구는 정하중 지 지와 진동 감쇠의 특성을 동시에 가지고 있으며, 고주파 비공진 주파수에서 뛰어 난 진동절연성능을 가진다. 방진구 설계간 고무를 활용하는 이유는 고무 재질의 특성상 점성에 의한 내부 저항이 높아서 공진 영역에서도 진동의 진폭이 높지 않으면서 진동에 대한 응답시간이 짧아 안정성을 높여주기 때문이다[16-17]. 방진구 기술은 고무가 갖는 특성으로 인해 하중과 주파수에 의해서 강성이 변 하는 매우 난해한 거동을 보인다[18]. 고무를 사용한 플랫폼의 거동에 대한 해석 모델을 확립하는 것은 상당히 어려운 일이며 많은 실험적 연구가 필수적이다. 그림 4. EOTS 플랫폼의 방진구 적용 개념도 [Fig.4 Conceptual Diagram of EOTS Platform with Isolator] - 7 - 제 2 장 이론적 배경 2.1 기반 가진 무인항공기(드론)의 프로펠러는 회전할 때, 공력으로 인하여 가진력을 받는다. EOTS 플랫폼에 전달되는 원하지 않는 진동을 줄이는 효과적인 방법은 진동원 (Vibration Source)을 멈추거나 개조하는 것이다. 만약 그렇게 할 수 없다면, 문 제가 되는 진동원으로부터 전달되는 진동을 절연시키거나 진동원으로부터 플랫 폼을 절연시키는 진동 저감 장치를 설계하여야 한다. 진동원과 진동으로부터 플 랫폼을 보호하기 위해서는 고무와 같은 감쇠가 큰 재료를 사용하여 강성과 감쇠 를 변경시킴으로써 진동을 절연할 필요가 있다[19]. 그림 5는 기반 가진 모델을 나타냈으며 질량 m에 관계된 힘들의 합과 기반 가 진 문제에 있어 기반는 조화적으로 움직인다고 가정하였을 때 응답의 최대 진폭 과 입력 변위 진폭의 비를 나타낸다. 이 비를 변위전달률(Displacement Transmissibility)이라고 하며, 기저로부터 운동이 질량으로 얼마나 전달되었는가 를 나타내는 지표로써 사용된다[20]. 그림 5. 기반 가진에 대한 자유 물체도 [Fig.5 Free Body Diagram for Base Excitation] - 8 - 운용 환경에서 무인항공기에서 EOTS 플랫폼으로 전달되는 진동을 기반 가진 의 형태로 운동하게 되는데, 운동방정식으로 유도하면 식 2.1과 같이 정리된다. (기반 가진 운동 는 사인함수 또는 sin 라고 가정) (2.1) 초기조건을 0으로 하고 라플라스(Laplace) 변환하면, (2.2) 기반 가진 운동에 대한 전달함수를 정리하면, (2.3) 정상상태 출력 의 진폭은이다. 입력 진폭은 이다. 이 경우 변위 전달율(Displacement Transmissibility) 은 변위 진폭의 비이고 식 2.4와 같이 정리된다. (여기서, 이다.) (2.4) - 9 - 그림 6. 다양한 감쇠비와 주파수비에 대한 전달율비 그래프 [Fig.6 Transmissibility Graph for Damping Ratio and Frequency Ratio] 이때 는 주파수 비로 면 그림 4와 같이 기기의 진동의 크기는 외란의 크기보다 작게 되어 진동이 절연된다. 면 진폭 X가 커지는 특성을 볼 수 있다. 공진 근처에서 전달율은 방진기(진동 저감 장치)의 값에 의해 결정적으로 영향을 받으며, 절연 영역에서는 의 값이 작을수록 전달율이 작게 되며 절연이 더 잘된다. 또한, 고정된 진동수에서는 주파수비 값이 증가함에 따라 전달율 이 감소하는데, 이것은 질량을 증가시키거나 방진기의 강성을 감소시키는 것에 해당된다. - 10 - 2.2 방진고무 이론 일반적으로 가진 주파수의 범위와 관계없이 진동을 줄일 수 있는 가장 효과적 인 방법은 감쇠를 증가시켜 에너지 손실을 증가시키는 방법이다. 감쇠를 증가시 키는 가장 쉬운 방법은 점탄성 재료를 시스템에 부착하는 방법인데, 대표적인 점 탄성 재료로는 고무, 우레탄, 나일론, 폴리머 등이 있다. 이중 고무는 신장성과 탄성 복원 능력이 뛰어나며 형상을 자유롭게 결정할 수 있어 소형화 및 경량화 가 가능하다. 또한, 배합을 조절하여 감쇠를 조절할 수 있는 장점으로 인해 여러 산업 분야에 방진, 내진, 제진, 충격 흡수 및 완충재로서 다양하게 사용되고 있 다. 고무 재료는 하중과 변형이 비선형적인 관계를 보이며 대 변형 범위에서 탄 성 거동을 나타내는 점탄성 특성을 가진다[21-22]. 이는 변위와 진동주기에 따른 비선형적인 특성과 고무 내부의 점성으로 인한 감쇠 효과가 보이는 등 매우 복 잡한 거동을 띈다. 따라서 고무 재료의 효과적인 설계를 위해선 고무 재료의 특 성을 깊이 있게 이해하는 것이 중요하다. 고무 재료의 기계적 특성은 금속과 달리 온도 및 주파수, 사용 환경 등에 의해 영향을 크게 받고, 형상 변화에 따라 강성이 변할 수 있으므로 고무 재료를 사용 한 플랫폼의 동적 거동을 예상할 경우, 세심한 주의가 필요하다. 고무는 낮은 주 파수(Low Frequency)에서 조화 가진(Harmonic Excitation)시 점성에 의한 효과 는 나타나지 않거나 거의 없다고 할 수 있으며, 탄성과 마찰력으로 인한 변위 진 폭 의존성(Amplitude Dependent)을 보인다. 또한, 중간 주파수(Medium Frequency)로 조화 가진 시 점성효과로 인하여 주파수가 높아짐에 따라서 강성 (Stiffness)이 높아지는 주파수 의존성(Frequency Dependent)을 보인다. 따라서 점탄성 재료를 사용하여 진동 시스템을 설계하는 경우에는 가진 주파수는 물론 온도 범위까지 고려하여야 한다.