마찰-충돌 전환 댐퍼의 비선형 이력 모델링 및 로터 실험을 통한 진동 응답 분석

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확장요약문

회전 기계의 현수 시스템에 쓰이는 마찰 댐퍼는 진동 에너지를 마찰로 소산시키며, 마찰 접촉은 스프링과 쿨롱 슬라이더를 직렬로 연결한 Jenkins 요소로 흔히 표현된다. 그러나 설계 의도 혹은 조립 공차에 따라 유격을 갖는 마찰 댐퍼의 경우, 유격을 넘는 순간 결합 요소와의 충돌과 마찰이 차례로 일어나는 마찰–충돌 전환 거동을 보인다. 본 연구에서는 이러한 마찰–충돌 전환이 마찰 댐퍼의 응답울 어떻게 변화시키는지 규명하기 위해, 두 댐퍼를 대상으로 단품 가진 실험과 불평형 로터 실험을 각각 수행하고 마찰 댐퍼의 비선형 이력 모델을 수립하였다. 먼저 두 댐퍼의 단품 실험(Fig. 1)에서 행정에 따른 사이클당 소산 에너지를 분석하여, 유격형 댐퍼가 잔류 마찰, 소산이 작은 충돌 결합, 결합 요소의 마찰 미끄럼의 세 영역을 거치며 감쇠가 단계적으로 증가함을 확인하였다. 이를 바탕으로 물리적 유격과 에너지 법칙에 기반한 이력 모델을 제안하였으며 Jenkins 모델, 등가 점성 모델, 표준 Bouc–Wen 모델과 함께 주파수 제외 블라인드 검증으로 비교하였다. 그 결과 제안 모델은 앞서 설명한 3개의 비교 모델보다 단품 이력 곡선과 로터 응답의 조화 성분을 더 낮은 오차로 재현하였다. 이어서 불평형 로터 장치에 연속형, 유격형 댐퍼를 각각 장착하여 별개의 로터 실험(Fig. 2)을 수행하고, 횡방향–비틀림 연성 로터 모델에 앞서 설명한 4개의 댐퍼 모델을 각각 적용하여 계산한 시간영역 해석 결과와 비교하였다. 최종적으로 1차~4차의 고조파에서 제안된 댐퍼 수식 모델을 적용한 로터 응답이 가장 작은 오차로 실험 결과를 추정함을 확인하였다.