Vibration often causes structural problems in operating systems. Repetitive motion of vibration accumulates fatigue in structures so that a life of the system is shortened or the initially optimized performance can be degraded due to the change in its dynamic characteristics. In particular, vibration problems in aerospace engineering directly bring about the crash of aircrafts giving no time for repairs. Vibration of space structures persists long once it occurs because air damping does not exist in space. Performance of optical systems such as a telescope or an interferometer can be degraded for this vibration. Therefore, a study for vibration control has been accompanied with the development in aerospace engineering and has been still focused as a significant issue.
In this thesis, a shunted piezoelectric is selected as a vibration controller. A shunted piezoelectric is a small and light device to suppress vibration using piezoelectric couplings. It has been widely researched since early 1990s because of its advantages in a lighter weight and a smaller size than other dampers such as viscoelastic materials or tuned-mass dampers. A series resonant shunted piezoelectric is mainly researched in this thesis among the basic three types of passive shunted piezoelectrics: a resistive shunted piezoelectric (RES), a series resonant shunted piezoelectric (S-RSP), and a parallel resonant shunted piezoelectric (P-RSP). The dynamic characteristics of S-RSP are analyzed and experimentally verified using a piezoelectric cantilevered beam. S-RSP can improve its damping ratio about 20 ~ 24 times, which is very high performance as a damper. However, the damping performance of RSPs is verified to be sensitively degraded when the material properties or electric element values are changed. The performance degradation under temperature variation is analyzed and experimentally proved. In order to overcome this changeable damping performance of passive shunted piezoelectrics, semi-active shunted piezoelectrics are researched. A shunted piezoelectric with a synchronized-switching method can improve a damping ratio about 5 ~ 7 times, which is the lower performance than a passive S-RSP. However, the damping ratio of a synchronized-switching shunted piezoelectric is verified to become greater than a passive S-RSP when temperature rises about 40°C.
시스템을 운용하는 데에 있어 진동 현상은 종종 구조적인 문제를 발생시킨다. 반복적인 움직임에 의해 구조적인 피로를 누적시키며 이에 따라 시스템의 수명을 단축시킬 뿐만 아니라 구조물의 동특성 변화를 초래하면서 초기에 최적화된 시스템의 성능을 저하시킬 수 있다. 특히 항공우주분야에서는 진동에 의한 문제가 발생하면 이에 대한 수리가 이루어지기 전에 기체의 추락으로 바로 이어질 수 있다. 또한 우주구조물은 공기 감쇠 효과를 기대할 수 없으므로 한 번 발생한 진동이 오래도록 지속되며, 이러한 진동은 망원경이나 간섭 관측기와 같은 광학 시스템의 성능 저하를 일으킨다. 따라서 진동 제어에 대한 연구는 항공우주 개발에 있어서 큰 이슈로 자리잡아 왔다.
본 학위논문에서는 진동 감쇠기로써 압전 분기 감쇠기의 성능을 분석하고 그 강건성을 중점적으로 연구하였다. 압전 분기 감쇠기는 압전재료의 전기-기계 결합 성질을 이용하여 구조물의 진동 에너지를 소진하는 장치이다. 먼저 수동 압전 분기 감쇠기인 저항형, 직렬 공진형, 그리고 병렬 공진형에 대한 동적 특성과 감쇠 성능을 분석하였으며, 공진형 압전 분기 감쇠기가 저항형에 비해 약 10배 가량 높은 감쇠 성능을 낼 수 있음을 실험적으로 검증하였다. 하지만 재료의 물성치와 분기 회로의 소자 값을 매개변수로 선정하여 이에 대해 민감도를 분석한 결과, 공진형은 저항형에 비해 약 20배 높은 민감도를 보였다. 매개변수에 대한 민감도 값을 이용하여 온도 변화에 대한 감쇠 성능의 저하를 분석하였고, 직렬 공진형 압전 분기 감쇠기의 경우 실험을 통해 그 감쇠 성능이 약 1%/°C의 민감도를 가짐을 확인하였다. 수동 압전 분기 감쇠기의 높은 민감도 문제를 극복하기 위해 반능동 압전 분기 감쇠기를 연구하였으며, 반능동 제어 방식 중 동기 스위칭 제어를 이용하여 압전 외팔보의 감쇠비를 약 5 ~ 7배 향상시킬 수 있었다. 이는 수동 공진형 압전 분기 감쇠기에 비해 낮은 성능이나, 약 40° 이상의 온도 상승이 있을 때 동기 스위칭 방식을 도입한 반능동 압전 분기 감쇠기의 감쇠비가 더 좋아지는 것을 확인하였다. 따라서 본 연구를 통해 반능동 압전 분기 감쇠기는 수동 압전 분기 감쇠기에 비해 더 높은 강건성을 가지고 있으며 온도 변화가 극심한 우주 환경과 같은 경우 반능동 압전 분기 감쇠기가 더 적절할 수 있음을 알 수 있다.
