엔지니어링 된 구조는 일상 생활의 거의 모든 측면에 존재합니다. 우리가 살고 일하는 집과 건물, 우리가 운전하는 자동차, 항공기, 발전소, 교량 및 댐은 사회에 필수적인 구조물 중 하나입니다.
엔지니어는 효율적이고 안전하게 제공되는 구조물을 설계하고 구축하기 위해 유한 요소 모델 또는 단순히 FEM이라는 컴퓨터 모델을 사용합니다. 이 세부 모델은 높은 수준의 충실도를, 구조의 복잡한 기하학적 특징과 이러한 구조를 포함하는 다양한 재료를 나타낼 수 있습니다.
엔지니어들은 이러한 모델에 의존하여 구조가 제공하는 동적 환경에서 발생하는 중요한 구조적 응답을 예측합니다. 비행기가 활주로에 닿으면 엔지니어들은 날개와 동체의 응력 레벨이 비행기의 구조를 구성하는 재료에 내재 된 허용 수준을 초과하지 않는다는 것을 알아야합니다. 또한 공기 역학적 힘 아래에서 날개의 편향을 예측하는 것이 중요합니다. 바람의 고층 건물의 흔들림 또는 지진으로 인해 건물의 설계 단계에서 예측되고 설명되어야합니다.
본질적으로 방정식 세트 인이 컴퓨터 모델은 매우 커질 수 있습니다. 수백만 방정식을 포함하는 FEM은 이러한 큰 방정식 세트를 위해 특별히 개발 된 계산 알고리즘을 사용하여 일상적으로 해결됩니다. 모델 구축 및 솔루션 프로세스는 일반적으로 유한 요소 분석 또는 FEA라고합니다.
FEM이 중요한 설계 결정을 내리는 데 사용되기 때문에 FEM의 정확성에 대한 질문에 답하는 것이 중요합니다. 여성은 운동과 스트레스의 예측이 현실에 허용되도록 구조를 정확하게 표현합니까? 그렇지 않다면 FEM의 예측과 실제 구조의 반응 사이의 불일치는 무엇입니까?
이러한 질문에 답하기 위해, 새로 만들어진 구조 (예 :건물 또는 다리) 또는 여러 또는 많은 사람들이 궁극적으로 건설 될 항공기와 같은 프로토 타입에 대한 테스트를 수행합니다. 이 테스트는 실제 세계에서 발견되는 실제 흥분을 재현하지 않도록 설계되었지만 구조에 대한 일련의 현상 동적 응답을 이끌어 내기 위해 설계된 구조에 원소 동적 흥분을 적용합니다.
.FEA는 이러한 시그니처 응답을 계산하는 데 사용되며 측정 및 계산 된 응답을 비교합니다. 불일치 정도가 평가되고, 다음 단계의 더 어려운 단계는 여성의 업데이트 된 응답이 측정 된 시그니처 동적 응답을 더 밀접하게 표현하고, 허용 가능한 정도로 더 밀접하게 표현하도록 FEM을 수정하거나 개선하는 방법을 결정하는 것입니다.
.이러한 작업과 관련된 많은 기술적 과제가 있습니다. FEM의 구조를 나타내는 것은 좋은 모델링 관행을 준수해야합니다. 실제 구조의 동작이 FEM이 표현할 수있는 것보다 궁극적으로 더 복잡하다는 사실을 설명하고, FEM이 구축 된 후에도 수정해야 할 필요성을 추가합니다.
.실험적으로, 구조는 정확한 테스트를 용이하게하는 방식으로지지되어야 할 수도 있습니다. 예를 들어, 항공기는 항공기의 매우 부드러운 서스펜션을 제공하여 자유 비행을 모방하는 방식으로 지원됩니다. 이 구조에는 다수의 변환기가 장착되어 있으며 동적 동작 (예 :진동)을 전기 신호로 변환하는 장치입니다. 다른 장치는 원소 동적 여기을 구조에 적용하는 데 사용됩니다. 수많은 계측 및 컴퓨터가 구조에 적용되는 동적 데이터를 수집하는 데 사용됩니다. 여기에는 구조에 적용되는 힘 (여기서)과 흥분으로 인해 발생하는 구조의 반응을 측정하는 것이 포함됩니다.
FEM의 생성 및 구조 테스트는 비용이 많이 드는 노력이며 몇 주 또는 몇 달 이상 지속되는 노력이 필요합니다. 신제품을 시장이나 서비스에 가져 오는 것은 이상적으로 신속하게 이루어집니다. FEM을 개발하고 동적 테스트를 수행하는 데 드는 비용은 종종 높습니다. 그러므로 가능한 한 많은 유용한 데이터를 얻는 것이 큰 이점입니다.
앞에서 언급했듯이, 큰 과제 중 하나는 측정 된 반응으로 동적 반응 예측의 불일치가 결정되면 FEM을 개선하는 방법을 결정하는 것입니다. 이 도전을 이해하려면 기타 문자열의 FEM을 만든 간단한 시나리오를 고려하십시오. 뽑을 때 문자열이 생성되는 소리는 문자열 장력, 문자열의 자유 길이 및 문자열의 축 방향 강성의 함수이며, 이는 문자열의 재료와 직경에 의존합니다.
FEA는이 문자열의 고유 주파수를 계산하는 데 사용되는데, 이는 현이 뽑을 때 들리는 기본 톤과 오버톤에 해당합니다. 실제 문자열이 뽑히고 결과적인 색조가 FEA 예측과 다르면 이제 질문은 다음과 같습니다. 문자열의 장력이 잘못 표시됩니까? 재료 모델이 부정확합니까? 직경이 부정확합니까?” 이러한 주파수의 FEA 예측과 함께 측정 된 음파 주파수는 조정이 필요한 이들 매개 변수 중 어느 것을 결정하기 위해 사용해야합니다.
.이제 항공기와 같은 복잡한 구조의 FEM을 고려하십시오. 항공기의 FEM에는 조정이 필요한 더 많은 매개 변수가 있습니다. 항공기의 동적 테스트는 문자열과 유사한 유사한 특징적인 진동 주파수 세트를 생성합니다. 그러나이 주파수 세트는 항공기 FEM을 정의하는 큰 매개 변수 세트와 비교하여 비교적 적습니다.
동적 테스트와 FEA에 의해 생성 된 정보의 양에서의 이러한 차이는 FEM에 불일치의 원천을 현지화하려는 노력을 크게 방해 할 수 있습니다. 우리의 연구는 추가 테스트를 수행하지 않고도 동일한 테스트 데이터에서 많은 수의 추가 빈도를 추출하는 고유 한 방법에 중점을 두어 불균형을 크게 줄이거 나 제거합니다. 문자열 예제로 돌아가는 동적 테스트에는 문자열을 뽑고 문자열의 기본 주파수와 오버톤 주파수를 측정하는 것이 포함됩니다. 실제 제한된 대역폭으로 인해 비교적 적은 수의 이러한 주파수 만 측정 할 수 있습니다.
우리의 연구에서, 우리의 기술은 실제로 문자열의 길이를 물리적으로 변화시키지 않고도 다른 자유 길이에 해당하는 문자열의 고유 주파수를 생성합니다. 항공기의 예와 관련하여 앞에서 언급 한 바와 같이 동적 테스트는 시뮬레이션 된 자유 비행 조건에서 수행됩니다. 이 기술을 사용하여 수집 된 동적 데이터는 다수의 대안적인 "경계 조건"에서 항공기의 고유 주파수를 생성 할 수 있으며, 각각의 경계 조건 세트는 고유 한 주파수 세트를 생성합니다. 이 경계 조건 세트에는 고정 된 하나의 날개 팁, 두 개의 날개 팁이 고정되어 있으며 항공기의 코가 고정 된 상태로 유지됩니다.
이러한 경계 조건은 물리적으로 적용될 필요가 없으며, 비용이 많이 들고 어려우며, 많은 경우에는 불가능할 것임을 다시 강조하는 것이 중요합니다. 그러나이 항공기와 같은 구조물의 고유 주파수는 이러한 대체 경계 조건에 해당하는 항공기에서 가져온 동적 데이터에서 추출 될 수 있습니다.
.마지막으로, 기술 된 연구는 구조적 손상 감지 문제에도 적용 가능하다는 점에 유의해야한다. 이러한 맥락에서, FEM은 손상되지 않은 구조를 위해 구축되며 손상되지 않은 구조의 테스트 데이터를 사용하여 수정됩니다. 구조는 서비스를보고 잠재적으로 손상을 경험하지 못할 수도 있습니다. 구조는 테스트되며 방법은 구조의 손상의 위치와 심각도를 발견하려는 의도로 적용됩니다. 이것은 FEM 업데이트 문제와 대조적으로, FEM의 오류의 심각성과 위치를 밝히는 의도
.이러한 결과는 최근 Sound and Vibration Journal에 발표 된 유한 요소 모델 업데이트 및 손상 감지를위한 인공 경계 조건의 직교 투영 행 선택에 의한 최소 조건 번호라는 기사에 설명되어 있습니다. 이 작품은 해군 대학원, 국방 개발 기관의 Jae-Cheol Shin 및 Matthew D. Bouwense에서 Joshua H. Gordis에 의해 수행되었습니다.
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