내부 주파수응답함수 기반 공작기계 결합부의 동특성 식별

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확장요약문

공작기계는 다수의 부품과 결합부로 구성되며, 결합부의 강성 및 감쇠 특성은 전체 구조물의 동특성에 큰 영향을 미친다. 따라서 주파수 기반 부분구조 합성(Frequency-Based Substructuring, FBS)을 통한 동특성 예측을 위해서는 결합부 조인트 파라미터의 정확한 식별이 중요하다. 다중 주파수의 주파수응답함수 (Frequency Response Function, FRF)를 이용한 선형 최소제곱법은 여러 주파수의 정보를 통합하여 결합부의 강성과 감쇠를 직접 추정할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 기존의 일부 기법은 결합품의 결합면 (Interface) FRF 측정을 필요로 하며, 실제 공작기계에서는 결합부에 대한 접근이 어려워 측정에 제약이 존재한다.

본 연구에서는 이러한 한계를 개선하기 위해 결합품의 내부(Internal) FRF 만을 이용한 선형 결합부 파라미터 식별 기법을 제안한다. 일반적인 FBS 관계식에서 결합품의 내부 자유도에 해당하는 FRF 를 추출하고, 개별 부품의 결합면 관련 FRF 는 유한요소 모델로부터 확보하였다. 이를 바탕으로 결합부 조인트에 대한 선형 방정식을 유도하고, 다중 주파수 최소제곱법을 적용하여 강성과 감쇠를 추정하였다. 제안 기법은 결합품의 Interface FRF 를 직접 측정하거나 반복적인 비선형 최적화를 수행하지 않고 결합부 파라미터를 식별할 수 있다는 특징이 있다.

제안 기법의 타당성을 확인하기 위해 가상 결합 구조물(Synthetic Assembly)을 이용한 수치 검증을 수행하였으며, 실제 공작기계의 단품 유한요소 모델과 결합품의 실험 FRF 를 이용하여 결합부 조인트 파라미터를 식별하였다. 또한 식별된 파라미터를 FBS 에 적용하고 예측 FRF 를 실험 결과와 비교하여 실제 구조물에 대한 적용 가능성과 한계를 검토하였다.

본 연구에서 제안한 기법은 결합면 FRF 측정에 대한 의존성을 줄일 수 있으며, 향후 다수의 결합부로 구성된 공작기계의 동특성 예측에 활용될 것으로 기대된다.