Effect of fastening torque and method on the vibration energy flow through bolted structural joints

Abstract

기계 구조에서 진동의 에너지 흐름을 측정하는 것은 에너지가 전달되는 경로를 찾고 고장을 진단해서 디자인의 질을 향상시킨다는 측면에서 중요하다. 모든 기계와 토목 구조는 빔과 판 그리고 쉘 등으로 이루어져 있으며 이들은 볼트와 리벳 또는 용접 등을 통하여 연결이 되어있다. 이 중에서 볼트는 널리 사용되는 조임 기구이므로 볼트를 통한 진동 에너지의 흐름에 대해 연구하는 것은 중요하다. 따라서 본 연구에서는 진동이 가해지는 상황에서의 볼트와 너트의 물리적 특성에 대하여 다룰 것이다. 특히 볼트와 너트를 조일 때의 토크와 조이는 방법과 같은 독립변수의 영향에 대하여 주요하게 다뤄질 것이다. 분석을 위한 기본적인 도구로는 구조의 인텐시티 측정 방법이 사용될 것이며 이는 에너지 흐름 개념을 이용하여 볼트의 특성을 알아내는데 사용될 것이다. 이 방법은 가속도계 어레이로부터 측정된 데이터를 이용하여 진동 변수들을 구한 후 유한 차분 근사를 사용하는 것이다. 어레이의 중간 부분에서의 에너지 흐름을 예측하기 위해서 네 개의 가속도계 어레이가 인텐시티 프로브로 사용이 된다. 볼트가 연결된 부분에서의 에너지 전달에 영향을 주는 여러 가지 요인들 중에서 조일 때의 토크와 와셔와 관계가 있는 조이는 방법을 주요 요인으로 선정하였다. 가해준 토크는 에너지 흐름 전달에 영향을 주는 가장 중요한 요소 중 하나이다. 에너지 손실은 조일 때의 토크가 커지면서 탄성 영역에서 점점 줄어든다. 와셔와 관계가 있는 조이는 방법을 사용하였을 때의 영향에 대하여 연구한 결과 와셔를 많이 사용할수록 에너지 손실과 손실률이 커짐을 알 수 있었다. 두 개의 이웃한 판 사이에서 마찰력에 의한 에너지 손실은 가해준 힘의 3제곱에 비례함이 증명되었다. 외부 힘의 70%가 빔에 의해 전달되고 와셔의 개수에 따라 힘이 증가하므로 두 빔 사이의 마찰이 증가하고 이는 결국에 손실률의 증가를 가져온다.