코드의 벨로우즈 강성 특성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 3377(2023) 이 기사 인용

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에어스프링의 벨로우즈 구조는 복잡한 작업환경에 대응하기 위해 지속적으로 보강될 수 있지만 에어스프링의 강성특성에 점점 더 강한 영향을 미치게 됩니다. 그러나 공기 스프링의 벨로우즈 강성에 대한 매개변수화된 솔루션을 위한 효과적인 방법은 없습니다. 본 논문에서는 정밀 전달 매트릭스 방법을 사용하여 예압 조건에서 권선이 형성되는 코드 강화 공기 스프링의 벨로우즈 강성 특성을 분석했습니다. 얇은 쉘 이론은 예압 조건에서 공기 스프링의 벨로우즈 예압을 해결하는 데 사용되었습니다. 프리스트레스는 벨로우즈의 평형 방정식에 도입되었습니다. 복잡한 코드 권선 특성을 갖는 벨로우즈에 대한 기하학적, 물리적 방정식을 기반으로 예압 조건에서 공기 스프링 벨로우즈의 전달 행렬을 구성하기 위해 정밀 적분 방법을 차용했습니다. 공기 스프링의 벨로우즈 상태 벡터는 경계 조건을 통해 해결되었습니다. 벨로우즈 강성 특성에 대한 표현을 개발하기 위해 반복법을 채택하고, 공기 스프링의 강성 특성을 해결하기 위해 공압 강성의 이론적 모델과 결합했습니다. 프로토타입 테스트 결과와의 비교를 통해 이론적 모델의 타당성과 정확성을 검증했습니다. 이를 바탕으로 예압 조건, 기하학적 구조, 재료 특성이 공기 스프링의 강성 특성에 미치는 영향을 조사했습니다. 연구 결과는 권선 형성을 갖춘 코드 강화 공기 스프링의 구조 설계 및 재료 선택에 대한 중요한 지침을 제공할 것입니다.

공기 스프링은 장비의 진동과 충격을 격리하기 위해 압축 공기의 강성과 감쇠 특성에 의존합니다. 방진 장치로서 진동 및 소음 감소를 위해 차량 및 선박에 널리 적용되었습니다1,2,3,4,5. 차량에 비해 선박은 공기 스프링 설치 공간이 제한되어 있으며 더 큰 지지력이 필요합니다. 따라서 선박의 진동 차단을 위한 공기 스프링은 작은 크기와 큰 하중을 특징으로 해야 합니다. 용기 내 공기 스프링의 작동 공기압은 일반 응용 분야의 공기 스프링보다 더 높은 경우가 많습니다. 높은 내부 압력이나 기타 열악한 환경에서 에어 스프링의 신뢰성을 보장하기 위해 벨로우즈의 코드 뼈대 층은 더 높은 강도의 코드로 만들어져야 하며 일반 에어 스프링보다 더 많은 코드 층을 포함해야 합니다.

공기 스프링의 수직 강성은 수직 변형 중에 공기 스프링에 포함된 압축 공기에 의해 생성된 반력에 따라 결정된다고 일반적으로 알려져 있습니다. 벨로우즈는 공기 스프링의 수직 강성 특성에 약간의 영향을 미칩니다. 공기 스프링의 강성 특성에 대한 단순화된 분석 모델에서는 벨로우즈의 효과가 무시되었습니다6,7. 공기 스프링은 신뢰성에 대한 요구가 증가하고 있으므로 벨로우즈 구조를 지속적으로 강화하여 공기 스프링의 강성 특성에 더 큰 영향을 미쳐야 합니다. 따라서 벨로우즈 강성은 더 이상 무시되어서는 안 되며, 공압 강성을 능가한 후에는 강성 특성의 주요 구성 요소가 될 수도 있습니다.

공기 스프링의 벨로우즈는 고무 매트릭스 코드 강화 복합재로 만들어집니다. 이방성 때문에 기계 모델을 구성하는 것은 매우 복잡합니다. 이러한 이유로 연구에서는 공기 스프링 매개변수화를 위한 기계 모델의 공압 강성에 주로 중점을 두었습니다8,9,10,11. 공기 스프링 벨로우즈의 기계적 모델은 등가 모델이나 유한 요소 모델을 사용하여 분석되는 경우가 많습니다. 공기 스프링의 벨로우즈에 대해 구축된 효과적인 매개변수화된 모델은 아직 없습니다. 예를 들어 Erin과 Wilson은 선형 스프링, 댐퍼 및 이력 댐퍼의 병렬 연결을 통해 벨로우즈의 비선형 특성을 시뮬레이션하여 공기 스프링의 강성 특성을 분석했습니다12. Chenet al. 구조적 매개변수 예측 모델과 고무 벨로우즈 모델로 구성된 공기 스프링 강성 모델을 제시합니다. 고무 벨로우즈 모델은 분수 Kelvin-Voigt 모델과 부드러운 마찰 모델로 구성된 비선형 등가 모델입니다. Zhu et al. 내부 공압 열역학의 기여와 벨로우즈 고무의 고무 마찰 및 점탄성 효과를 고려한 후 범용 공기 스프링 강성 모델을 구축했습니다. Berg가 개발한 매끄러운 마찰 모델을 유지하면서 통계를 통해 변위 가진의 표준 편차를 얻은 다음 마찰 모델의 매개변수를 결정했습니다. Shi et al.17은 공기 스프링 유한 요소 모델을 구축하고 공기 스프링의 강성 특성에 대한 기하학적 매개변수의 영향을 탐색하기 위해 민감도 분석 방법을 채택했습니다. Wong et al.18은 ABAQUS 소프트웨어를 활용하여 철근 단면 벨로우즈의 비선형 특성을 설명하고 공기 스프링에 대한 유한 요소 모델을 구성했습니다. 이를 바탕으로 코드 감기 각도, 유효 반경 및 초기 내부 압력이 공기 스프링의 기계적 성능에 어떤 영향을 미치는지 분석했습니다.