Variable-thickness QZS Structure for Multi-purpose Low-frequency Vibration Isolation

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확장요약문

저주파 진동은 공학 시스템의 성능과 안정성을 저하시키는 주요 요인이며, 다양한 가진 진폭과 하중 조건에서 안정적인 진동 절연 성능을 확보하는 것이 중요하다. 준영강성(Quasi-zero stiffness: QZS) 구조는 높은 하중 지지 성능과 낮은 동적 강성을 동시에 구현할 수 있으나, 기존 구조는 낮은 강성을 유지하는 변위 및 하중 범위가 제한적이다. 이에 본 연구에서는 돔(Dome) 형태의 단일 구조의 가변 두께 설계를 통해 광범위한 가진 진폭과 다중 하중 조건에 대응하는 다목적 저주파 진동 절연용 QZS 구조를 제안한다.

제안된 가변 두께 코사인 곡면 돔은 연속적인 두께 분포를 조절하여 일체형 구조에서 QZS 특성을 확장한다. 특히, 가진 진폭 변화에 대응하기 위한 광대역 QZS(Wide QZS: WQZS)와 서로 다른 하중 조건에 대응하기 위한 다중 QZS(Multi-QZS: MQZS)를 구현하여 적용 목적에 따른 진동 절연 성능을 확보한다. 두께 분포는 5 개의 제어점으로 매개변수화 하였으며, 유한요소해석과 강화 학습인 근접 정책 최적화 (Proximal policy optimization: PPO)을 결합하여 WQZS 및 MQZS 의 최적설계 구조를 도출하였다.

최적설계된 구조는 TPU 95A HF 와 NR40 소재로 제작하였으며, 정적 압축시험과 진동 절연시험을 통해 QZS 특성 및 가진 진폭과 하중 변화에 따른 절연 성능을 검증하였다. TPU 소재의 WQZS 모델은 기존 단일 두께 대비 QZS 변위 구간이 약 44% 확장되었으며, MQZS 모델은 4.0 kg 의 탑재 하중에서 기존 구조 대비 46% 낮은 절연 시작 주파수를 보였다. NR40 소재의 WQZS 와 MQZS 모델은 약 20 Hz 이내 저주파 구간에서 약 90% 가속도 진폭 저감 성능을 보였다. 본 가변 두께 단일 구조의 다목적 최적화 기법은 다양한 운용 조건을 갖는 환경에서 다목적 저주파 진동 절연 시스템으로의 범용적인 활용 가능성을 제시한다.