Structural Dynamics Modification (SDM) is a very effective technique to improve structure's dynamic characteristics by adding or removing auxiliary structures, changing material properties and shape of structure. Among those of SDM technique, changing or modifying structure shape to raise its natural frequencies has been mostly relied on engineer's experience and time consuming trial-anderror process.
In order to develop a systematic method to modify structure shape, surface grooving technique is studied. In this work, the shape of base structure is modified to improve its dynamic characteristics such as natural frequencies via surface grooving technique.
Grooving shape is formed by merging the neighboring small embossed elements after analyzing frequency increment sensitivities of all the surrounding embossed elements. In this work, the initial grooving position starts from the element having the highest modal strain energy then it expands into neighboring elements. The range of grooving area for checking its frequency sensitivities is restricted only to their surrounding elements to reduce its computation effort. And for the more computationally effective method, the algorithm was modified. Omitting the elements which have low-valued modal strain energy among neighboring elements, target domain can be reduced and computational efficiency is improved.
This technique applied to the 3-point simply supported L-shaped plate and for comparing with stiffness layout design, simply supported square plate was tested. And this technique successfully applied to the HDD cover finite element model to raise its 1st natural frequency by giving some groove on its surface. The grooved HDD cover design was manufactured using rapid prototyping method and tested to verify the effectiveness of the suggesting surface grooving method.
Using the proposed method, natural frequency was greatly increased not by engineer's experience but by systematic algorithm, also the computational effort can be considerably reduced by changing the sensitivity check area.
구조물 동특성 변경법이란 대상구조물에 부가구조물을 첨가 혹은 삭제하던가 물성치의 변경 혹은 형상의 변경을 유도함으로써 고유진동수, 모드형상, 주파수 응답 함수와 같은 대상구조물의 동특성을 향상시키는 매우 효과적인 방법이다. 이러한 구조물 동특성 변경법 중 구조물의 형상을 변경하여 고유진동수를 증가시키는 방법은 지금까지는 현장 엔지니어의 직관적인 경험에 의존하거나 많은 시간을 요구하는 시행착오법을 통해 수행되어 왔다. 따라서 구조물의 형상을 변경시키는 체계적인 방법을 개발하기 위하여 본, 그루브를 이용한 표면형상변형을 통한 동특성 변경법을 연구하게 되었다. 본 연구에서는 대상구조물에 임의의 형상을 갖는 홈인 그루브를 생성케 함으로써 고유진동수와 같은 동특성을 증가시키는데 중점을 두었다. 임의의 형상을 갖는 홈인 그루브는 주변부 요소의 고유진동수 증가량 분석에 따라 주변에 있는 작은 엠보싱된 요소를 합침으로써 임의의 형상을 갖게 된다. 계산의 효율을 높이기 위해서 그루브의 초기 시작점은 고유진동수의 증가량 계산 영역을 디자인 대상영역 전체가 아닌 모달스트레인 에너지가 높은 영역으로 한정하였고, 연산과정 중에도 이미 엠보싱이 된 요소의 주변부 요소로 고유진동수 증가량 계산 영역을 한정함으로써 계산 효율을 크게 높일 수 있었다. 또한 연산과정에 있어서 주변부 요소 중 낮은 모달 스트레인 에너지 값을 갖는 요소를 삭제함으로써 계산 효율을 더욱 높일 수 있었다. 본 연구는 3점이 단순지지 된 L-자형 평판과 네 변이 단순지지 된 정사각형 평판에 모의실험을 성공적으로 적용할 수 있었으며, 복잡한 실제구조물인 HDD 커버 모델에도 적용을 하여 1차 고유진동수를 크게 증가시킬 수 있었다. 또한 모의 실험을 통해 얻은 계량된 HDD 커버모델을 쾌속조형법을 이용하여 실제 제작하고 모달테스팅함으로써 본 연구를 검증 하였다. 본 연구를 통하여 대상 구조물의 고유진동수를 엔지니어의 직관적인 경험이 아닌 체계적인 방법을 통하여 크게 향상시킬 수 있었으며, 계산 효율 또한 크게 높일 수 있었다.
