유한 길이 구조물과 무한 길이 도파관 구조물의 임피던스 연성을 이용한 진동 해석

유정수,이재홍,홍진숙,신구균,Ryue, Jungsoo,Lee, Jaehong,Hong, Chinsuk,Shin, Ku-Kyun 한국음향학회 2015 韓國音響學會誌 Vol.34 No.5

In case that an infinite length waveguide structure is connected with a finite length structure, it is required to combine a wave approach for the waveguide structure and a modal approach for the finite length structure to investigate the dynamic response of the connected target structure. In this study, the wavenumber finite element (WFE) analysis is adopted for the infinite length waveguide substructure and a finite element (FE) method is applied for the finite length substructure and then their results are coupled in terms of the impedance or mobility at the connected points between the substructures. As a structural model, an infinite length cylindrical shell with a rectangular plate inside is regarded. These two substructures are connected at the four corner points of the plate, rigidly or resiliently. From this investigation, it was confirmed that the wave approach (WFE method) and modal approach (FE method) can be combined by the impedance coupling. 무한 길이를 가진 도파관 구조물에 유한 길이를 가진 구조물이 결합되어 있는 경우, 결합된 구조물의 응답을 수치해석으로 구하기 위해서는 파동 방법과 모드 방법을 함께 적용하여 해석하는 것이 필요하다. 본 논문에서는 무한 길이 도파관구조물에 대해서는 파수유한요소법을, 유한 길이 구조물에 대해서는 유한요소법을 적용하여 결합 지점에서의 각 하부 구조물 임피던스 또는 모빌리티를 구하고 이를 연성하여 전체 구조물의 응답을 해석하는 방법에 대하여 다루었다. 해석 대상 구조물로는 내부에 사각 평판 구조물이 네 꼭지점에서 결합되어 있는 무한 길이 원통형 실린더를 선정하였으며, 네 결합지점이 강결합 또는 탄성마운트로 결합된 경우에 대하여 살펴보았다. 본 연구를 통해 임피던스 연성을 통한 파동 방법(파수유한요소법)과 모드 방법(유한요소법)의 결합이 적용 가능함을 확인하였다.

Propagation of Structural Waves along Waveguides with Non-Uniformities Using Wavenumber Domain Finite Elements

유정수,Ryue, Jungsoo The Acoustical Society of Korea 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.3

파이프, 평판과 같이 단면의 형상이 길이 방향으로 일정한 도파관 구조물을 따라 전파되는 진동의 반사 및 투과 특성은 여러 공학 분야에서 응용되는 중요한 주제이다. 도파관에 조인트 또는 균열 등의 국부적 불연속이 있는 경우, 스펙트럴 요소(spectral element)와 유한 요소(finite elment)를 결합한 SE/FE 방법이 주로 사용되고 있다. 그러나 이 방법은 보 이론에 기반한 스펙트럴 요소가 사용되므로 저주파수 대역 해석에 국한되는 단점이 있다. 고주파수 대역 해석에는 스펙트럴 수퍼 요소(spectral super element)와 유한 요소를 결합한 SSE/FE 방법이 제안되었으나 유한요소와 스펙트럼 요소의 연성으로 인해 많은 연산 시간이 요구된다. 이러한 문제점을 개선하고자, 본 연구에서는 국부적 불연속 구간의 단면이 일정한 경우에 대해 국부적 불연속 구간을 스펙트럴 수퍼 요소로 대체한 SSE/SSE 연성 해석을 시도하였다. 적용 모델로는 국부적 결함을 가진 레일의 파동 반사 및 투과, 그리고 주기적 보강재를 가진 평판의 진동전파에 대해 적용하였다. 결함을 가진 레일의 해석 예를 통해, 본 논문에서 사용한 SSE/SSE 방법과 기존의 SSE/FE 방법의 성능을 비교하였다. 보강재를 가진 평판의 예를 통해서는 반복 구조를 가진 도파관의 파동 전파 특성 해석에 SSE/SSE 방법이 유용함을 확인하였다. Wave reflection and transmission characteristics in waveguides are an important issue in many engineering applications. A combined spectral element and finite element (SE/FE) method is used to investigate the effects of local non-uniformities but limited at relatively low frequencies because the SE is formulated by using a beam theory. For higher frequency applications, a method named a combined spectral super element and finite element (SSE/FE) method was presented recently, replacing spectral elements with spectral super elements. This SSE/FE approach requires a long computing time due to the coupling of SSE and FE matrices. If a local non-uniformity has a uniform cross-section along its short length, the FE part could be further replaced by SSE, which improves performance of the combined SSE/FE method in terms of the modeling effort and computing time. In this paper SSEs are combined to investigate the characteristics of waves propagating along waveguides possessing geometric non-uniformities. Two models are regarded: a rail with a local defect and a periodically ribbed plate. In the case of the rail example, firstly, the results predicted by a combined SSE/FE method are compared with those from the combined SSEs in order to justify that the combined SSEs work properly. Then the SSEs are applied to a ribbed plate which has periodically repeated non-uniformities along its length. For the ribbed plate, the propagation characteristics are investigated in terms of the propagation constant.

해상풍력터빈의 고유진동수 예측을 위한 지반에 인입된 파일의 연속체 지반 모델 기반 수평 거동 해석

유정수,백경민,이종화,Ryue, Jungsoo,Baik, Kyungmin,Lee, Jong-Hwa 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.6

풍력터빈의 대형화와 경량화에 따라 풍력터빈에 작용하는 동하중에 의한 진동 응답이 크게 발생할 수 있다. 특히 공진에서는 큰 진동 응답이 발생하므로 설계 시 정확한 고유진동수의 예측이 요구된다. 이를 위해 풍력터빈 지지구조와 지반에 대한 연성해석이 요구되는데, 일반적으로 유한요소에 기반한 수치적인 방법이 주로 이용된다. 그러나 유한요소 해석은 파일-지반 모델링 및 연산에 많은 노력과 시간을 요구하므로 초기 설계 단계에서는 활용에 많은 제약이 따른다. 반면, 지반을 선형화한 이론 해석은 모델이 단순하고 연산 시간이 매우 짧으므로, 해석의 신뢰성이 확보된다면 지반-지지구조의 거동 특성을 초기에 예측하는데 유용한 도구가 될 수 있다. 본 논문에서는 이론 해석을 이용해 지반에 인입된 파일에 대한 파일-지반 연성해석을 수행하였다. 해석 시 지반의 변형은 탄성 범위 이내에 있다고 단순화하여 파일은 보로, 지반은 연속체로 모델링하였다. 본 연속체 모델을 이용해 파일 상단에 수평 하중 또는 모멘트가 작용할 때 발생하는 파일의 횡변형을 구하고, 파일의 세장비에 따른 영향계수를 도출하였다. 그리고 이를 유한요소해석을 기반으로 한 문헌의 결과와 비교함으로써 해석 결과의 신뢰도를 평가하였다. 이를 통해 연속체 모델의 해석은 세장비가 큰 파일에 대해서는 유효한 반면 약 3 이하의 낮은 세장비를 가지는 파일에서는 신뢰성이 떨어짐을 확인하였다. As wind turbines become larger and lighter, they are likely to respond sensitively by dynamic loads applied on them. Since the responses at resonances are particularly interested, it is required to be able to predict natural frequencies of wind turbines reliably at early design stage. To achieve this, the foundation-soil analysis is needed to be carried out and a finite element approach is adopted in general. However, the finite element approach would not be appropriate in early design stage because it demands heavy efforts in pile-soil modelling and computing facilities. On the contrary, theoretical approaches adopting linear approximations for soils are relatively simple and easy to handle. Therefore, they would be a useful tool in predicting a pile-soil interaction, particularly in early design stage. In this study an analysis for a pile inserted in soil is performed. The pile and soil are modelled as a beam and continuum medium, respectively, within an elastic range. In this analysis, influence factors at the pile head for lateral loads are predicted by means of this continuum approach for various length-diameter ratios of the pile. The influence factors predicted are validated with those reported in literature, proposed from a finite element analysis.

배열 마이크로폰을 이용한 레일 방사 소음 측정에 관한 이론 해석

유정수,장승호,권휴상,Ryue, Jungsoo,Jang, Seungho,Kwon, Hyu-Sang 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.4

In this paper, rail vibration and its sound radiation are investigated, then the rail noise measurement by using microphone array is explored theoretically. A concrete slab track for domestic high speed trains is modeled as a Timoshenko beam on elastic support, regarding the moving of the excitation force on the rail. From the radiation characteristics of rail noise generated by a line source, the effect of moving load on sound radiation is obtained. Also it is found that the beam angle of the microphone array is a prominent factor to measure the rail noise level reliably because the rail noise propagates as a plane wave. In this investigation, a proper beam angle for the rail noise measurement by microphone array is suggested. 본 논문에서는 철도 전동 소음의 주요 소음원인 레일 소음의 방사 특성을 이론적으로 해석하고 배열 마이크로폰을 이용한 레일 소음 측정 시 발생하는 현상들에 관해 이론적으로 고찰하였다. 철도 궤도는 국내 고속철도 콘크리트 도상 궤도를 대상으로 하였으며, 레일에 고속의 이동 하중이 작용하는 경우에 대한 진동 및 소음 방사 특성을 해석하였다. 본 연구를 통해 이동 하중이 작용할 때 발생하는 레일의 소음 방사 특성을 파악하였으며, 배열 마이크로폰을 이용한 레일 소음 측정시 빔 각도가 배열 마이크로폰 출력 음압에 중요하게 작용함을 확인하였다. 따라서 배열 마이크로폰을 이용해 레일 소음을 규명하기 위해서는 레일의 방사 특성을 반영한 배열 마이크로폰 빔 각도 설정이 필요함을 이해하였다.

해상풍력터빈의 고유진동수 예측을 위한 지반에 인입된 파일의 탄성지지보 모델 기반 수평 거동 해석

유정수,백경민,김태룡,Ryue, Jungsoo,Baik, Kyungmin,Kim, Tae-Ryong 한국음향학회 2016 韓國音響學會誌 Vol.35 No.4

지반에 인입된 파일에 대한 거동 해석은 지반의 비선형 거동 특성으로 인해 일반적으로 유한요소에 기반한 수치적인 방법을 주로 이용한다. 그러나 수치 해석은 파일-지반 모델링 및 연산에 많은 노력과 시간을 요구하므로 파일의 제원과 지반 물성치가 확정되지 않은 초기 설계 단계에서는 활용에 많은 한계를 갖는다. 반면, 지반을 선형화한 이론해석의 경우 수치 해석에 비해 모델이 단순하고 연산 시간이 매우 짧으므로, 해석의 신뢰성이 확보된다면 지반-지지구조의 거동 특성을 초기에 예측하는데 유용할 것이다. 본 연구에서 대상으로 하는 풍력발전기의 경우, 초기 설계 단계에서 풍력터빈의 고유진동수 예측을 위한 동적 거동 해석이 요구되며, 이 때 지반에 인입된 풍력터빈의 지지구조는 탄성경계조건으로 단순화하여 동적 거동 해석에 반영할 수 있다. 이를 위해, 본 논문에서는 풍력터빈 지지구조의 선단부 탄성 계수를 도출하고자 지반에 인입된 파일에 대한 파일-지반 연성해석을 수행하였다. 해석 시 지반의 변형은 탄성범위 이내에 있다고 단순화하여 지반에 인입된 파일을 탄성지지된 보로 모델링하였다. 탄성지지보 모델을 이용해 파일 선단에 수평 하중 또는 모멘트가 작용할 때 발생하는 파일의 횡변형을 구하고, 이로부터 영향계수를 도출하였다. 풍력터빈의 지지구조에 대한 해석 예로써, 모노파일과 석션파일에 대해 파일 선단의 영향계수를 구하고, 이를 문헌의 결과와 비교함으로써 해석 결과의 신뢰도를 검증하였다. 또한 이 두 파일의 깊이에 따른 변형 및 선단부의 스프링 상수를 비교하여 지지구조의 강성 측면에서 모노파일과 석션파일의 특성을 살펴보았다. In the prediction of response of a pile in soil, numerical approaches such as a finite element method are generally applied due to complicate nonlinear behaviors of soils. However, the numerical methods based on the finite elements require heavy efforts in pile and soil modelling and also take long computing time. So their usage is limited especially in the early design stage in which principal dimensions and properties are not specified and tend to vary. On the contrary, theoretical approaches adopting linear approximations for soils are relatively simple and easy to model and take short computing time. Therefore, if they are validated to be reliable, they would be applicable in predicting responses of a pile in soil, particularly in early design stage. In case of wind turbines regarded in this study, it is required to assess their natural frequencies in early stages, and in this simulation the supporting pile inserted in soil could be replaced with a simplified elastic boundary condition at the bottom end of the wind turbine tower. To do this, analysis for a pile in soil is performed in this study to extract the spring constants at the top end of the pile. The pile in soil can be modelled as a beam on elastic spring by assuming that the soils deform within an elastic range. In this study, it is attempted to predict pile deformations and influence factors for lateral loads by means of the beam-on-spring model. As two example supporting structures for wind turbines, mono pile and suction pile models with different diameters are examined by evaluating their influence factors and validated by comparing them with those reported in literature. In addition, the deflection profiles along the depth and spring constants at the top end of the piles are compared to assess their supporting features.

철도 전동 소음의 관점에서 해석한 국내 철도의 진동 특성 비교

유정수(Jungsoo Ryue),장승호(Seungho Jang) 한국철도학회 2013 한국철도학회논문집 Vol.16 No.2

주기적인 2단 지지구조를 가진 보의 진동해석

유정수(Jungsoo Ryue),김승룡(Seunglyong Kim) 한국소음진동공학회 2018 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.10

수치 해석을 이용한 난류 경계층 내 벽면 변동 압력을 받는 보의 진동 해석

유정수(Ryue, Jungsoo),김은비(Kim, Eunbi) 한국소음진동공학회 2013 한국소음진동공학회 논문집 Vol.23 No.8

Structural vibration induced by excitation forces under turbulent boundary layer is investigated in terms of the numerical analysis in this paper. Since the responses of structures excited by the wall pressure fluctuation(WPF) are described by the power spectral density functions, they are calculated and reviewed theoretically for finite and infinite length beams. For the use of numerical approaches, the WPF needs to be discretized but conventional finite element method is not much effective for that purpose because the WPF lose the spatial correlation characteristics. As an alternative numerical technique for WPF modelling, a wavenumber domain finite element approach, called waveguide finite element method, is examined here for infinite length beams. From the comparison between the numerical and theoretical results, it was confirmed that the WFE method can effectively and easily cope with the excitation from WPF and hence the suitable approach.

지면 임피던스를 고려한 레일 방사 소음의 파수영역 유한요소/경계요소 해석

유정수(Jungsoo Ryue),장승호(Seungho Jang) 한국철도학회 2015 한국철도학회논문집 Vol.18 No.4

철도 전동 소음의 관점에서 해석한 국내 철도의 진동 특성 비교

유정수(Jungsoo Ryue),장승호(Seungho Jang) 한국소음진동공학회 2013 한국소음진동공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.4

The important source of noise from railways is rolling noise caused by wheel and rail vibrations induced by acoustic roughness at the wheel-rail contact. The main contributors for rolling noise are the sleepers, rail and wheels. In order to analyze and predict rolling noise, it is necessary to understand the vibrating behaviors of railway tracks, as well as the wheels. In the present paper, theoretical modelings of the railway track are reviewed in terms of the rolling noise, and they are applied for the three representative types of domestic railway tracks operated: the conventional ballasted track, KTX ballasted track and KTX concrete track. The characteristics of waves propagating along rails were investigated and compared between the tracks. The tracks were modeled as discretely supported Timoshenko beams and compared in terms of the averaged squared amplitude of velocity which is directly related to the sound radiation from the rails.