박태원 한명재 2020-02 29691 https://aurora.ajou.ac.kr/handle/2018.oak/21118 학위논문(박사)--아주대학교 공학대학원 :기계공학과,2020. 2 차량 소음은 자동차 연구개발 과정에서 지속적으로 해결해야하는 가장 어려운 문제 중 하나이다. 이러한 차량 소음은 전달 경로에 따라 공기기인 소음(Air-borne noise)과 구조기인 소음(Structure-borne noise)으로 분류된다. 공기기인 소음은 공기를 통해 진동이 전달되어 차량 내부 및 외부에서 발생하는 소음으로 고속 주행 시 주로 발생한다. 구조기인 소음은 차량의 서스펜션 및 샤시와 같은 차체 구조를 통해 진동이 전달되는 저주파수 대역 소음으로 주행 중에 운전자가 느끼는 대부분의 소음 영역이다. 이러한 구조기인 소음은 최근 차량 경량화 및 전기 자동차의 등장과 함께 더욱 중요시되고 있다. 특히 주행 중 거친 노면이나 요철을 통과할 때 발생하는 구조기인 소음은 차량 고급화에 따라 필수적으로 해결해야 하는 주요 Noise, Vibration and Harshness(NVH) 문제로 간주된다. 따라서 불필요한 시간 및 자원 낭비를 최소화하기 위해 초기 설계 단계에서 Computer Aided Engineering(CAE)를 이용한 수치 해석적 방법은 구조기인 소음의 예측과 평가를 위해 필수적으로 요구되고 있다. 기존 연구에서는 구조기인 소음의 해석적 방법이 주로 제시되었다. 대표적인 구조-음향 연성(Structural-acoustic coupling) 문제는 유한요소법을 활용하여 모달 파라미터(Modal parameter) 및 경계 패널의 고유 모드에 대한 내부 공동의 음압을 계산하여 해결하였다. 자동차와 같은 복잡한 구조에 대해서는 패널 기여도를 계산하여 각 부품에 대한 구조기인 소음의 요인을 평가하였다. 무한 공간에서의 음향 방사 문제는 좀머펠트 방사 조건(Sommerfeld radiation condition)을 만족하는 경계요소법을 활용하였다. 하지만 이전의 연구들은 단순한 형상의 단품 구조 모델에 국한하여 정상상태 응답을 주로 해석하였다. 작동 환경을 고려한 실제 스케일 모델의 해석은 컴퓨터 계산 및 메모리 용량의 한계가 존재하였으며, 다양한 비선형 문제에 대한 수치 해석적 기법이 부족했기 때문이다. 최근에서야 구조 경계면의 속도 벡터를 음향 입력으로 적용하는 음향 전달 벡터 기법이 제안되어 다양한 하중 조건에 대한 관심 주파수 대역의 응답을 효율적으로 계산 할 수 있게 되었다. 하지만 외부 충격을 받는 유연 다물체 동역학 시스템에 대한 구조-음향 연성 문제의 과도상태 응답 해석은 전무하다. 이번 연구에서는 외부 장애물 통과에 의한 차량의 전달계 진동-충격과 실내외 구조기인 소음의 예측 및 평가를 위해 해석 및 실험적 방법을 제안하였다. 먼저 차량의 기본적인 동특성 평가 단위인 쿼터카(Quarter car)모델은 기구학적 연결 조건을 고려하여 유한요소 기반의 유연 다물체 동역학 시스템으로 모델링하였다. 노면 장애물로 간주되는 클리트 바(Cleat bar)와의 고속 접촉 현상을 구현하기 위하여 초탄성(Hyper-elastic) 고무 재질을 갖는 등가 타이어 모델을 개발하였다. 실제 준정적(Quasi-static) 하중 조건에 대한 수직 강성과 구조 대변형을 비교하여 개발된 타이어의 신뢰성을 검증하였다. 쿼터카 및 실차의 드럼 다이나모(Drum dynamo) 실험 조건을 모사한 구조 동역학 해석 모델을 개발하였다. 클리트 충격 해석을 수행하여 진동하는 쿼터카 구조 경계면의 속도 및 가속도 결과를 계산하였다. 다양한 주파수 성분이 혼재된 매우 짧은 클리트 충격 신호를 웨이브렛 변환(Wavelet transform)을 적용하여 시간-주파수 도메인에서 효과적으로 분별하였다. 클리트 충격에 의한 차량 실내외의 과도상태 음향 방사를 예측하기 위하여 동역학 결과를 음향 모델의 입력 조건으로 적용하는 과도 음향 전달 벡터 기법을 제안하였다. 진동하는 구조 모델의 하중 벡터가 음향 모델의 음압 변화에 영향을 줄 수 있도록 구조-음향 연성 조건을 고려하였다. 진동 가속도와 음압 결과의 상호 스펙트럼 밀도 함수(Cross-spectral density function)를 활용한 코히런스 함수(Coherence function)로부터 구조기인 소음의 상관성을 검증하였다. 마지막으로 해석으로 예측한 구조기인 소음의 음향 결과를 반무향실(Hemi-anechoic chamber) 실차 실험을 통해 비교하여 검증하였다. 제 1 장 서 론 1 1.1 연구 배경 및 목적 1 1.2 국내외 연구 동향 4 1.3 연구 목표 및 내용 8 제 2 장 유연 다물체 동역학 시스템의 구조-음향 연성 해석 기법 10 2.1 유연 다물체 동역학 시스템의 운동방정식 10 2.2 헬름홀츠 음파방정식 14 2.3 구조-음향 연성 조건 16 2.4 유한요소 헬름홀츠 방정식의 수치 해법 17 2.5 경계요소 헬름홀츠 방정식의 수치 해법 20 2.6 유연 다물체 동역학 시스템의 음향 방사 해석 절차 22 제 3 장 유한요소 다물체 동역학 해석 모델 개발 23 3.1 초탄성 고무 재질을 갖는 타이어 및 알루미늄 휠 모델링 23 3.2 유한요소 다물체 동역학 쿼터카 모델링 36 제 4 장 클리트 충격에 의한 쿼터카의 구조 동역학 해석 46 4.1 드럼 다이나모 클리트 충격 실험 설계 46 4.2 클리트 충격 해석의 경계 조건 48 4.3 타이어의 구조 대변형 및 접촉 압력 분포 50 4.4 클리트 충격에 의한 쿼터카의 동특성 응답 54 4.5 웨이브렛 변환을 이용한 충격 신호 분석 64 제 5 장 구조-음향 연성 조건이 고려된 차량 실내외 음향 방사 해석 76 5.1 실차 반무향실 클리트 충격 실험 설계 76 5.2 스펙트럼 밀도 함수를 이용한 구조기인 소음의 상관성 분석 79 5.3 과도 음향 전달 벡터를 이용한 음향 방사의 계산 85 5.4 차량 실내외 음향 방사 해석 결과 89 제 6 장 결론 96 REFERENCES 99 ABSTRACT 108 kor The Graduate School, Ajou University 아주대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다. 클리트 충격에 대한 유연 다물체 차량의 동역학 및 음향 해석 Thesis 아주대학교 공학대학원 공학대학원 기계공학과 2020. 2 Doctoral I804:41038-000000029691 http://dcoll.ajou.ac.kr:9080/dcollection/common/orgView/000000029691 Predicting vehicle noise problems is still one of the most difficult requirements in the automotive development process. The vehicle noise is classified into air-borne noise and structure-borne noise, according to a vibration path. In particular, the structure-borne noise is generated in the low frequency band because it is transmitted through the vibration of the vehicle structure, such as the suspension and chassis of the vehicle. In addition, structure-borne noise is a vehicle NVH problem that is more important when passing through rough roads or obstacles, mainly because external impacts are transmitted to the vehicle body through tires and suspensions in a vehicle driving. Therefore, numerical methods are essential for predicting and evaluating structure-borne noise in order to avoid unnecessary resource and time waste during the initial vehicle design step. Many researchers have proposed a number of analytical prediction methods for evaluating structural noise. Vehicle structure-borne noise is generated when structural boundary surfaces vibrated by external excitation cause a change in sound pressure in the vehicle interior and exterior acoustic media. The structural-acoustic coupling condition is that the loading condition due to structural vibration affects the acoustic model. In an earlier study, the coupled structure-acoustic problem defined as a closed system was solved by calculating the acoustic pressure of the internal cavity for the normal mode of the boundary panel. As a method for dealing with complex coupled systems, modal parameters are obtained using the finite element method(FEM). In addition, the panel contribution was evaluated as a solution to the structural noise problem of the vehicle. Recently, the acoustic transfer vector(ATV) technique, which applies the normal velocity of vibrating structure boundaries as a source of acoustic excitation, has been proposed, making it easy to calculate the frequency response in the frequency band of interest for various loading conditions. Transient acoustic problems in multibody systems for nonlinear excitation such as very short instantaneous impacts have made it almost impossible to impose boundary conditions for frequency response analysis. The steady-state solution of the Helmholtz equation for harmonic excitation is not suitable for analyzing impact signals. In addition, the vehicle analysis model was mainly performed on a very simplified fixed constraint model, and there was a lack of experimental verification considering the actual boundary conditions. In this study, we present an analytical and experimental method of multibody vehicle dynamics model for evaluating the vibro-impact and acoustic characteristics of a road obstacle through cleats. The quarter car, composed of a hyper-elastic rubber tire, a 17-inch lightweight wheel, a high-strength knuckle, a control arm, a rotating hub and a spring-damper, was modeled as a flexible multibody dynamic system. The vertical stiffness and contact pressure distribution were verified from the tire model with the developed hyper-elastic rubber material. Cleat impact experiments using a drum dynamo were performed to compare the vibration accelerations of the analysis model. A transient acoustic transfer vector(TATV) made it possible to apply time domain dynamic analysis results as input conditions for acoustic analysis without frequency transform. Sound pressure levels were measured at the vehicle interior and exterior microphone positions in a hemi-anechoic chamber. The calculated sound pressure level had a small error from the experimental results. In addition, the sound intensity was calculated to determine the path of acoustic energy transfer. Therefore, the analytical and experimental method presented in this study will be a new method to solve the impact vibration and noise problems of complex mechanical systems.