선급 형식승인 진동시험에서 Q-factor 기반 공진 선정 지표의 유효성에 관한 실험적 연구

국문 초록 (Abstract)

선급 형식승인 진동시험에서는 정현파 소인시험으로 공진주파수를 탐색하고, Q-factor를 공진 선정 지표로 사용하여 내구시험을 수행한다. 그러나 실제 선박 구조물과 기자재는 다자유도계로 거동하므로, 단일 Q-factor가 감쇠 특성과 진동 피로 거동을 대표하는 지표로 적절한지에 대한 검증은 부족하다. 본 연구는 단순 시편과 선박용 전장 판넬을 대상으로 Q-factor의 적용 한계를 실험적으로 규명하는 것을 목표로 한다.
이를 위해 ASTM E466-21 형상을 적용한 S45C강 외팔보 시편에 대해 정현파 소인시험과 Harmonic response 해석을 수행하고, 1차 공진주파수에서 정현파 가진에 의한 피로시험을 실시하였다. 응답비를 이용해 시간에 따른 공진주파수 변화를 추적한 결과 모든 시편에서 예측 공진주파수가 피로 파괴가 진행됨에 따라 감소하였으나, 피로수명은 Q-factor 차이보다 단면 두께와 굽힘응력 크기에 의해 지배되는 것으로 나타났다.
또한 실제 전장 판넬에 대해 IACS UR E10 조건의 정현파 및 랜덤 진동시험을 수행한 결과, 위치별 공진주파수와 Q-factor가 크게 달라지고 모드 중첩으로 반치폭이 불명확해져 단일 Q-factor로 감쇠 및 피로 거동을 설명하기 어려웠다. 피로파괴는 높은 Q-factor 위치가 아니라 국부 강성이 낮고 질량이 집중된 부위에서 주로 발생하였다. 따라서 Q-factor는 공진 응답의 예리함을 정성적으로 판단하는 보조 지표로는 유용하지만, 선박용 기자재의 공진 선정 및 진동 피로 수명 평가 지표로 단독 사용하기에는 한계가 있으며, 향후에는 공진주파수 이동, 강성 변화, 응답 스펙트럼 분포 등 복수 지표를 함께 고려하는 평가 방법이 요구된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Type-approval vibration tests for shipboard equipment generally employ sinusoidal sweep tests to identify resonance frequencies and use the Q-factor as a resonance selection index for endurance testing. However, actual ship structures and equipment behave as multi-degree-of-freedom systems, and experimental validation is lacking as to whether a single Q-factor is an adequate indicator to represent damping characteristics and vibration fatigue behavior. This study aims to experimentally clarify the applicability limits of the Q-factor using both simple specimens and a shipboard electrical control panel.
In this study, sinusoidal sweep tests and harmonic response analyses were performed on S45C cantilever specimens with the ASTM E466-21 geometry, followed by sinusoidal fatigue tests at the first natural frequency. Tracking the resonance frequency in time using the response ratio showed that the predicted resonance frequency decreased as fatigue damage progressed in all specimens; nevertheless, fatigue life was governed more strongly by section thickness and bending stress than by differences in Q-factor.
In addition, a sinusoidal sweep test compliant with IACS UR E10 and a separate random vibration endurance test were conducted on an actual electrical control panel. The results revealed that resonance frequencies and Q-factors varied significantly depending on the measurement location, and modal overlap obscured the half-power bandwidth, making it difficult to characterize damping and fatigue behavior with a single Q-factor. Fatigue failures occurred not at locations with the highest Q-factors, but primarily in regions with low local stiffness and concentrated mass.
Therefore, while the Q-factor is useful as an auxiliary qualitative indicator of resonance sharpness, it has clear limitations when used alone for resonance selection and vibration fatigue life assessment of shipboard equipment. Future evaluation methods should incorporate multiple indicators, including resonance frequency shifts, stiffness changes, and response spectrum distributions.

목차 (Table of Contents)

• 1 서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 논문 구성 4
• 2 이론적 배경 6
• 2.1 가진 방식 및 Q-factor 6
• 2.2 랜덤 진동 응답 해석 10
• 2.3 진동 피로파괴 12
• 3 단순 형상 시편의 공진 응답 및 진동 피로시험 15
• 3.1 시편 설계 및 설치 15
• 3.2 주파수 응답 및 Q-factor 확인 17
• 3.3 고정주파수 정현파 가진 피로시험 22
• 4 선박 탑재장비의 공진 응답 및 진동 피로시험 27
• 4.1 시험대상품 선정 및 설치 27
• 4.2 전장 판넬의 주파수 응답 31
• 4.3 랜덤 진동시험을 통한 구조 응답 변화 및 내구특성 평가 33
• 5 결론 42
• 참고문헌 44
• Abstract 46