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RecurDyn에서 제공되는 다양한 힘과 토크에 대해 살펴보도록 하겠습니다

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아래에서 각각 관심있는 항목의 세부 내용을 확인하세요~

스프링과 댐퍼 모델

스프링이란 외부에서 힘을 가하면 변형되었다가 힘이 제거됐을 때 자체 탄성을 이용하여 원래의 상태로 되돌아오는 기계요소를 스프링이라 한다. 이러한 스프링은 모양이나 재료에 따라 코일 스프링, 판 스프링, 태엽 스프링, 고무 스프링, 공기 스프링, 유압 스프링 등 다양하다. 또한, 댐퍼란 진동 에너지를 흡수하는 장치를 말하며 제진기, 흡진기라고도 한다. 아래 그림과 같이 보통 스프링과 댐퍼 이 두 가지를 겸한 장치가 자동차나 철도 차량의 바퀴와 차체 사이의 현가 장치에 설치되어 노면에서부터 올라오는 진동을 흡수하여 차체와 승객에게 전달되는 충격을 완화시키는 역할을 한다.

(1) 병진 스프링 및 댐퍼

그림 9.4 병진 스프링 및 댐퍼 힘 요소

그림 9.4는 바디 i 와 바디 j 사이에 병진 스프링-댐퍼 힘 요소로 연결된 상태를 보여주는 그림이다. 스프링으로 연결된 두 바디가 외력에 의해 움직이게 되면 스프링-댐퍼의 길이가 변화하게 되고, 그 길이 변위에 대해서 스프링-댐퍼의 자체 탄성(강성)과 감쇄력에 의해 스프링의 최초 길이로 돌아가려는 복원력과 외력을 완충 시키는 감쇄력이 발생하게 된다. 이와 같이 발생된 복원력과 감쇄력이 각각 두 바디에 다시 작용되어 스프링에 의한 두 바디의 움직임을 갖게 된다.

병진 스프링-댐퍼의 힘 계산식은 다음과 같이 스프링의 길이 변위와 스프링 강성계수(Stiffness Coefficient)와 감쇄계수(Damping Coefficient)에 의해 계산된다.

계산된 힘 f_s는 작용력과 반작용 법칙에 의해서 다음의 그림과 같이 i바디와 j바디에 각각 스프링 힘이 작용되고, 이 스프링 힘이 일반화 힘 Q_i와 Q_j로 변환되어 운동방정식에 대입된다.

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병진스프링 및 댐퍼 힘의 계산

(2) 병진 스프링의 생성방법

스프링의 생성방법은 아래의 그림에서의 순서와 같이 스프링 아이콘을 클릭한 뒤, 생성 옵션을 고른 후 두 바디를 순서대로 선택하고, 마지막으로 스프링이 생성될 두 포인트를 입력하면 스프링이 생성된다. 입력한 두 포인트에 마커 두개가 자동 생성되고 이 두 마카는 두 바디에 각각 하나씩 속하게 되고, 해석중 이 두 마커의 길이를 측정하여 스프링의 변위를 계산하게 되고 이 변위로부터 스프링 힘을 계산하게 된다. 또한, 생성된 스프링의 물성치(Property) 다이얼로그를 열고 스프링의 강성계수(Stiffness Coefficient)와 감쇄계수(Damping Coefficient)와 필요한 여타 파라미터를 수정하고 다이얼로그를 닫으면 해당 파라미터가 적용된 스프링 동역학 모델링을 해석 수행할 수 있게 된다. 이때, 생성된 스프링의 자유 길이(Free Length)는 스프링 생성시의 두 Marker 사이 값을 기본적으로 자유 길이로 동일하게 정의하는데, 스프링이 만약 압축/인장되어 있는 상태의 모델링을 원한다면 자유 길이를 두 Marker 사이 길이(Distance between Two Markers) 보다 길게 수정하면 압축된 스프링을 모델링 할 수 있으며, 반대로 두 Marker 사이 길이보다 작게 하면 인장된 스프링을 모델링 할 수 있다.

병진 스프링 생성방법

A. General Force

(1) Translational Spring Damper

병진 스프링은 가장 보편적으로 사용되는 힘 요소로써 스프링강의 둥근 강철 재료를 코일과 같이 감아서 만든 기계 요소를 말한다. 이와 같은 스프링은 외부에서 힘을 가해 형태를 변형시켰다가 그 힘을 제거했을 때 원래의 상태로 되돌아오는 탄성을 이용하여 에너지를 흡수하거나 저장할 수 있는 기계요소이다. 보통 자동차의 현가장치와 침대 매트리스 스프링 등에 널리 사용된다.

Translational Spring Damper Force

(2) Rotational Spring Damper

회전 스프링은 스프링 강을 나선형으로 감아서 만든 기계 요소이다. 또는 나사선형 스프링이라고도 한다. 감아서 탄성 에너지를 축적하고 풀리려고 하는 힘을 동력으로 이용한다.

Rotational Spring Damper Force

(3) Axial Force

Axial Force는 두 물체의 두 점을 직선으로 잇고 각각의 점에 작용력과 반작용력을 시간에 대한 함수(수식)로 정의할 수 있는 힘 요소이다. 이 때, 힘은 Base Marker에서 Action Marker를 바라보는 방향으로 작용한다.

Axial Force

(4) Rotational Axial Force

Rotational Axial Force는 두 물체 사이에 정의한 회전축에 대하여 작용 토크와 반작용 토크를 시간에 대한 함수(수식)로 정의할 수 있는 힘(토크) 요소이다.

Rotational Axial Force

(5) Translational Force

Translational Force는 정의한 바디에 3개의 병진 방향 X, Y, Z축에 대해서 각각의 힘을 시간에 대한 함수(수식)으로 정의할 수 있는 힘 요소이다. 또한, 힘의 작용 방향에 대한 Reference Frame을 사용자가 수정할 수 있기 때문에, 바디가 움직이는 것을 고려하여 힘을 작용 시킬 수 있다.

Translational Force

(6) Rotational Force

Rotational Force는 정의한 바디에 3개의 회전 축에 대해서 각각의 토크를 시간에 대한 함수(수식)으로 정의할 수 있는 힘(토크) 요소이다.

Rotational Force

(7) Screw Force

Screw Force는 정의한 바디의 6개의 방향 3개의 병진방향과 3개의 회전축에 대해서 시간에 대한 함수(수식)으로 병진 힘과 토크를 정의할 수 있는 힘 요소이다.

Screw Force

(8) Bushing Force

Busing Force는 정의한 위치에 6개의 모든 자유도 방향으로 병진/회전 스프링이 생성된 것과 같은 힘 요소로써, 두 물체를 한 점에 힘으로 붙여놓은 효과를 볼 수 있는 힘 요소이다.

Bushing Force

B. Special Force

(1) Matrix Force

Matrix Force는 정의한 두 바디 사이의 힘 요소에 강성 행렬을 사용자가 직접 정의하여 사용할 수 있는 힘 요소이다. 이러한 특성으로 사용자는 Matrix Force를 원하는 종류의 힘 요소로 사용할 수 있다. 예를 들면, 베어링 모델을 6축에 대한 강성 행렬로 구한 후 Matrix Force의 강성 행렬에 입력하여 베어링의 특성을 갖는 강성 힘 요소로 모델링 하는 등 여러 종류의 힘 요소를 생성해 낼 수 있다.

(2) Beam Force

Beam Force는 두 바디 사이에 Beam의 힘에 관한 수식을 적용하여 마치 두 바디 사이의 거동을 Beam과 같은 거동을 할 수 있게 하는 힘 요소이다. 이를 위해, 사용자는 Young’s modulus, Shear modulus와 Beam 단면에 대한 형상정보와 면적 모멘트에 대한 정보를 입력하여 Beam 대하여 해석을 수행한다.

(3) Plate Force

Plate Force는 네 바디를 마치 박판(Shell)과 같은 거동을 위한 힘의 수식을 적용한 힘 요소이다. 이를 위해, 사용자는 Young’s modulus, Poisson Ration, Thickness등의 정보를 입력해야만 한다.

(4) Tire Force

Tire Force는 자동차의 타이어 동적 거동을 모사하기 위한 타이어 수식이 내장된 힘의 요소이다. 현재 널리 사용되고 있는 Fiala, UA 타이어 수식 모델이 지원되며 사용자가 직접 수식을 정의할 수 있는 User 타이어가 지원된다.