진동을 고려한 보빈 홀더의 전산모사 모델의 개발 :Development of bobbin holder FE modeling consider vibration

김종윤

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김종윤 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 김성걸

발행연도: 2022

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이용수9

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

진동을 고려한 보빈 홀더의 전산모사 모델의 개발

김종윤 , 강지완 , 김성걸 한국생산제조학회지 2022.08 학술저널

진동을 고려한 보빈 홀더의 전산모사 모델의 개발

김종윤 2022.01 학위논문

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최근 권취기의 작동 회전수가 증가함에 따라 기계 진동적 특성이 이슈가 되고 있다. 보빈 홀더의 경우 운전 작동속도까지 13초 정도의 짧은 시간 내에 5,600 rpm에 도달하는 특징을 가지고 있기 때문에, 모든 주파수 영역에서 계의 고유진동수들을 고려하기에는 어려움이 있다. 따라서 운전 속도 근처에서 보빈 홀더의 고유진동수의 존재 유무를 파악하고, 만약 있다면 공진을 회피하는 설계가 주요한 관점이다.
본 연구에서는 쉘(Shell) 뿐만 아니라 링(Ring)과 슬리브(Sleeve)까지 고려한 보빈 홀더의 전산모사모델을 구축하는 것이 목표이다. 이를 위해 유한요소해석 프로그램인 ANSYS를 이용하여 보빈 홀더의 모드 해석을 수행하였다. 먼저, 유한요소해석을 위해 사전 기초 연구로 보빈 홀더에 사용되는 3종류 베어링에 대해 힘-변위 측정실험을 통해 베어링의 등가 강성을 도출한다. 이를 전산모사모델에 적용하여 쉘만 고려한 단순 구조의 보빈 홀더의 FE 모델링을 구성한 후, 모드 해석을 통해 계의 고유진동수를 확인하였다. 쉘만 고려한 단순 유한요소 모델에 대해 3종류 5개 베어링의 개별적인 등가강성 변화에 따른 모드 해석을 수행하여 계의 주요 고유 진동수에 가장 크게 영향을 주는 베어링이 NSK 사의 앵귤러 접촉 볼 베어링(Angular Contact Ball Bearing) 6011 모델임을 확인하였다. 또한 열박음부 길이와 쉘의 geometry, 내경 등을 설계 변수로 5가지 설계안을 적용하여 고유진동수 변화 추이를 확인하였다. 마지막으로, 실을 고정하는 역할을 하는 링과 슬리브를 쉘만 고려한 단순 모델에 적용함으로써 실질적인 보빈홀더의 정밀 모델로 정의하고, 척(Chuck)을 유무에 따른 경계 조건의 변화에 대해 모드 해석을 진행하였다. 구축된 보빈홀더의 전사모사모델에 대해 임팩트 해머 및 가속도계를 사용한 모달실험을 통해 비교 분석을 하였으며, 척이 없는 전산모사 모델의 결과가 모달실험의 결과와 유사하였다. 보다 정밀한 전산모사모델의 확보를 위해 계의 고유진동수에 가장 영향이 큰 6011 베어링의 등가강성 변화에 대한 최적화 해석을 통해 주요 고유진동수의 실험값과 0.7 % 이내의 신뢰성이 있는 유한요소모델을 제시하였다. 또한 검증된 척이 없는 전산모사 모델의 토대로 5가지 설계안 모델의 모드 해석 결과에 대해 어떤 고유진동수도 운전 속도에 근접하지 않음을 확인하였다. 실험해석과의 비교 및 최적화 해석을 통해 검증된 보빈 홀더의 전산모사 모델을 토대로 척이 있는 경계 조건을 고려하여 모드 해석을 수행하였다.
본 연구를 통해 보빈 홀더의 설계에 앞서 진행되는 선행 연구로써 작동속도에서 공진현상을 회피하는 설계 방향을 제시하고, 기계 진동 측면에서 다양한 이슈에 대처할 수 있는 방안이 된다고 사려된다.

Recently, as the number of operating rotations of the winder increases, mechanical vibration characteristics have become an issue. In the case of bobbin holders, it is difficult to consider the inherent frequencies of the system in all frequency ranges because they reach 5,600 rpm in a short time of about 13 seconds up to the operating speed of the system. Therefore, the main point of view is to determine the presence or absence of a unique frequency of the bobbin holder near the driving speed and to avoid resonance.
An objective of this research is to construct a computer simulation model of a bobbin holder in consideration of not only a shell but also a ring and sleeve. For this, Modal analysis of bobbin holders was performed using ANSYS. First, for finite element analysis, the equivalent stiffness of the bearing is derived through a force-displacement measurement experiment for three types of bearings used in bobbin holders as a preliminary study. After applying this to the computer simulation model to construct FE modeling of the bobbin holder with a simple structure considering only the shell, the unique frequency of the system was confirmed through modal analysis. For the simple finite element model considering only the shell, a mode analysis was performed according to individual equivalent rigidity changes of three types of five bearings to confirm that the bearing that most affects the main intrinsic frequency of the system was NSK''s Angular Contact Ball Bearing model 6011. In addition, five designs were applied to the length of the hot seam, the geometry of the shell, and the internal diameter of the shell as design variables to confirm the trend of changes in the intrinsic frequency. Lastly, by applying rings and sleeves that fix threads to a simple model considering only the shell, they were defined as a precision model of the actual bobbin holder, and the mode was analyzed for the change of boundary conditions depending on the presence or absence of a chuck. The constructed bobbin holder''s transcription simulation model was compared and analyzed through a modal experiment using an impact hammer and accelerometer, and the results of the computer simulation model without chuck were similar to those of the modal experiment. In order to secure precision simulation model, the experimental value of natural frequencies and the reliable finite model within 0.7% through optimization analysis of the equivalent rigidity change of 6011 bearing, which has the greatest effect on the system''s natural frequencies.In addition, based on the computer simulation model without verified pretenses, it was confirmed that no intrinsic frequency approached the operating speed for the mode analysis results of the five design models. Mode analysis was performed in consideration of the boundary conditions with chuck based on the computer simulation model of the bobbin holder verified through comparison and optimization analysis with experimental analysis.
This research is conducted prior to the design of bobbin holder, and it is considered that it presents a design direction that avoidence resonance at an operating speed and coping with various issues in terms of mechanical vibration.

#Vibration #Mode analysis #FEM #Bobbin holder

요약 ⅰ
표목차 v
그림목차 ⅵ
기호설명 ⅶ
I. 서 론 1
1. 연구 배경 1
2. 연구 목적 3
II. 베어링의 힘-변위 실험 5
1. 베어링 힘-변위 실험 5
1.1 실험 방법 5
1.2 실험 결과 5
III. 쉘만 고려한 단순 모델의 해석 11
1. 단순 모델의 FE 모델링 11
1.1 개요 12
1.2 단순 모델의 FE 모델링 12
2. 단순 모델의 모드 해석 15
2.1 척이 없는 경우 15
2.2 척이 있는 경우 16
3. 베어링 등가강성 변화에 따른 모드 해석 17
3.1 6004 베어링 등가강성 변화에 따른 모드 해석 17
3.2 6206 베어링 등가강성 변화에 따른 모드 해석 17
3.3 6011 베어링 등가강성 변화에 따른 모드 해석 18
4. 5가지 설계안에 따른 모드 해석 19
4.1 설계안 1에 따른 모드 해석 19
4.1 설계안 2에 따른 모드 해석 23
4.1 설계안 3에 따른 모드 해석 23
4.1 설계안 4에 따른 모드 해석 24
4.1 설계안 5에 따른 모드 해석 25
IV. 쉘과 링, 슬리브를 고려한 정밀 모델의 해석 26
1. 정밀 모델의 FE 모델링 26
1.1 정밀 모델의 FE 모델링 26
2. 정밀 모델의 모드 해석 27
2.1 척이 없는 경우 27
2.2 척이 있는 경우 28
3. 정밀 모델의 모달 테스팅 29
3.1 실험 방법 및 결과 29
4. 최적화를 이용한 모드 해석 30
4.1 최적화를 이용한 모드 해석 결과 30
5. 5가지 설계안에 따른 모드 해석 32
5.1 설계안 1에 따른 모드 해석 32
5.2 설계안 2에 따른 모드 해석 33
5.3 설계안 3에 따른 모드 해석 33
5.4 설계안 4에 따른 모드 해석 33
5.5 설계안 5에 따른 모드 해석 34
V. 결론 35
참고문헌 38
영문초록(Abstract) 40

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