용접부 유무에 따른 구조 강성 변화 및 진동 특성 영향 분석

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1. Introduction

일반적으로 구조물의 진동 해석에서는 재료 물성치, 경계조건 및 결합조건을 기반으로 유한요소 해석 모델을 구축하지만, 용접 접합은 국부적인 형상, 질량 및 구조 특성의 변화를 유발하여 고유진동 특성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 용접이 적용된 구조물의 진동 특성을 보다 정확하게 예측하기 위해서는 용접 접합에 따른 구조적 영향을 해석 모델에서 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 동일한 크기를 갖는 비용접 일체형 판과 두 판재를 용접하여 제작한 용접 접합 판의 진동 특성을 비교하고, 용접 접합부의 영향을 유한요소 해석 모델에 반영하여 시험–해석 간 상관성을 검토하였다.

2. Methods and Results

동일한 크기와 재료 조건을 갖는 비용접 일체형 판과 두 판재를 용접하여 제작한 용접 접합 판을 대상으로 임팩트 해머 시험을 수행하였다. 각 시편의 주파수 응답을 분석한 결과, 용접 접합 유무에 따라 주요 고유진동수가 변화하는 것으로 나타났으며, 이를 통해 용접 접합이 판 구조의 동특성에 영향을 미침을 확인하였다. 기본 해석 모델의 타당성을 검토하기 위해 비용접 일체형 판과 동일한 형상의 유한요소 해석 모델을 구축하고, 기존 판재의 물성치를 적용하여 고유진동 해석을 수행하였다. 비용접 일체형 판의 시험 결과와 해석 결과를 비교한 결과 주요 고유진동 특성이 유사한 경향을 보여 기본 해석 모델의 적용 가능성을 확인하였다. 이후 이를 바탕으로 용접 접합부의 영향을 반영한 조건의 해석 모델을 구성하였다. 각 조건에서 계산된 주요 고유진동 특성을 용접 접합 판의 시험 결과와 비교한 결과, 기존 판재의 물성치를 일괄 적용한 경우보다 용접 접합부의 영향을 반영한 일부 조건에서 시험 결과에 보다 근접하는 경향이 나타났다. 이를 바탕으로 해석 모델에서 시험 결과와 상대적으로 잘 부합하는 용접 접합부의 동특성 반영 방법을 확인하였다.

3. Conclusions

동일한 크기와 재료 조건을 갖는 비용접 일체형 판과 용접 접합 판의 진동 특성을 비교한 결과, 용접 접합 유무에 따라 주요 고유진동 특성이 변화하는 것을 확인하였다. 또한 기존 판재의 물성치를 일괄 적용한 모델과 비교하여 용접 접합부의 영향을 반영한 일부 해석 조건에서 시험 결과에 보다 근접하는 경향이 나타났다. 따라서 용접이 적용된 구조물의 진동 해석에서는 용접 접합부의 영향을 해석 모델에 적절히 고려할 필요가 있으며, 본 연구 결과는 향후 압축기와 같은 용접 적용 구조물의 유한요소 진동 해석 모델 구축을 위한 기초 자료로 활용될 수 있다.