다물체동역학의 역사와 전망

유완석(Wan Suk Yoo),김태윤(Tae Yun Kim),정사무엘(Samuel Jung) 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.7

17세기 뉴턴과 오일러에 의해 질점과 강체에 대한 운동방정식이 제안된 당시에는 3차원 운동방정식의 풀이가 쉽지 않아 실제적인 응용에는 한계가 있었다. 1970년대 들어와 컴퓨터가 공학에 응용되기 시작하여 동역학은 하나가 아닌 여러 개의 강체가 이루어진 시스템의 동역학인 다물체동역학으로 발전되기 시작했다. 본 연구에서는 지난 50년간의 다물체동역학의 발전 역사를 정리하면서, 앞으로의 발전방향에 대해서도 고찰하였다. The equations of motion of a rigid body were derived in the 17<SUP>th</SUP> century by Euler. The application was, however, confined to a simple problem due to the complexity of the equations of motion. Just after a computer was adopted for the engineering fields, application of dynamics was widened from one rigid body to a system of rigid bodies, i.e., multibody dynamics. In this paper, the history of multibody dynamics was reviewed, and the future of it is also carefully overviewed.

다물체 동역학을 이용한 파력발전기의 동적거동 분석

장진석(Jin Seok Jang),손정현(Jeong Hyun Sohn) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.12

본 논문에서는 파도의 에너지를 전기에너지로 변환하는 파력발전시스템에 대해 다루며, 발전기 및 12개의 암을 가진 가동물체형 파력발전기를 기구학적 구속조건을 이용하여 다물체 동역학 모델링하였다. 새롭게 제안하는 파력발전기의 기어 메커니즘과 구속방정식 및 전달되는 힘요소에 대해 동역학적으로 모델링하였다. 파력은 시간영역에서 모리슨 방정식을 이용하여 수치적으로 계산하여 모델에 적용하였다. 시스템 거동해석을 위해 상용 다물체동역학 해석프로그램인 MSC/ADAMS를 이용하였다. 파력발전시스템의 파도에 대한 안정성을 검토하고 동적 거동 특성을 분석하였다. 하중에 따라 거동 특성을 분석한 결과 Yaw 운동은 상대적으로 적게 나타났으며 파고 1 m 이상일 경우 충분한 운동에너지가 발생함을 알 수 있다. This paper discusses an energy system that can convert wave energy into electrical energy. This wave energy generation system is movable and has 12 arms and one generator. A multibody dynamic model for this system is established by using kinematic constraints. A gear mechanism, several kinematic constraints, and force elements are included in the model. Wave forces are obtained numerically from the time domain formulation based on the Morison equation. The MSC/ADAMS program is employed to carry out dynamic analysis of the wave energy generation system. The dynamic behavior responses of this system are analyzed for design verification. According to the results of the dynamic analysis, the yaw motion is relatively stable and kinetic energy sufficient to generate electrical energy is obtained when the wave height exceeds 1m.

2 차원 제트 엔진 가변 노즐 형상에 대한 열-유동-유연 다물체 연동 해석

은원종,김재원,신상준,권오준,Olivier A. Bauchau 한국항공우주학회 2015 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2015 No.4

다양한 구성품으로 이루어진 추진기관의 노즐 구조물에서는 고온 고속상태의 복잡한 유동현상과 비선형 거동이 발생한다. 이러한 현상을 정확하게 예측하기 위해서는 유동해석과 다물체 구조해석의 연계해석이 필요하다. 본 논문에서는 노즐의 다양한 구성품들은 다물체 구조물로 모델링하였고, 2차원 노즐의 내부에서 정상 유동 해석을 통하여 노즐 구성품에 작용하는 열 및 압력하중을 계산하였다. 유동 해석의 압력하중 결과를 유연 다물체 동역학 해석 프로그램인 DYMORE에 적용하여 정상상태 유동-다물체 동역학 연동 해석을 수행하였다. 특허 형상의 2차원 노즐에 대하여, 단방향 및 양방향 연동해석을 수행하여 기계적 변형률을 계산하고. MSC.NASTRAN의 열해석을 통한 열 변형률 결과를 합산하여 전체 변형률에 대한 결과를 확인하였다. In order to analyze complex behavior of an engine nozzle, coupled analysis will be generally required between fluid and multibody dynamics. In this paper, various components in the nozzle were modeled as flexible multibody components. Then temperature and pressure on the nozzle wall were predicted by the steady-state CFD flow analysis for the two-dimensional nozzle. Nonlinear multibody dynamic analysis was performed by using DYMORE. For the coupled analysis, the two-dimensional patent nozzle configurations were selected. And, then the one-way and both-way coupled analysis was performed. Heat conduction and thermal analysis were also conducted by MSC.NASTRAN. Finally, total strain results were obtained as a summation of the mechanical and thermal strain components.

추진기관 노즐의 2차원 열-유동-다물체 동역학 연동 해석

은원종,김재원,곽준영,신상준,권오준,Oliver A. Bauchau 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.11

다양한 구성품으로 이루어진 추진기관의 노즐 구조물에서는 고온 고속상태의 복잡한 유동현상과 비선형 거동이 나타난다. 이러한 현상을 정확하게 예측하기 위해서는 유동해석과 다물체 구조해석의 연계해석이 필요하다. 본 논문에서는 노즐의 다양한 구성품들은 다물체 구조물로 모델링하였고, 2 차원 노즐의 내부에서 정상 유동 해석을 통하여 노즐 구성품에 작용하는 열 및 압력하중을 계산하였다. 유동 해석의 압력하중 결과를 유연 다물체 동역학 해석 프로그램인 DYMORE 에 적용하여 정상상태 유체-다물체 동역학 연동 해석을 수행하였다. 이와 같은 일방향 연동해석에서 발생하는 변위는 유한요소 해석 프로그램인 MSC.NASTRAN 해석 결과와 비교하여 검증하였다. In order to predict complex behavior of an engine nozzle, coupling analysis is generally required between fluid and multibody dynamics. In this paper, various components in the nozzle were modeled as flexible multibody components. Then temperature and pressure on the nozzle wall were predicted by the steady-state flow analysis for the two-dimensional nozzle. Steady-state multibody dynamics analysis was then performed by using DYMORE. Deflection induced at the nozzle wall was obtained by the present one-way coupling analysis. Finally the resulting deflections were compared with the static structural analysis results using MSC.NASTRAN.

다물체 동역학 해석방법을 이용한 철도차량의 임계속도 계산

강주석(Juseok Kang) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.11

본 연구에서는 다물체 동역학 모델을 이용한 철도차량의 임계속도 계산 방법을 제시하였다. 휠과 레일의 접촉 구속조건과 접촉력을 휠셋 단위에서 수식화하였다. 이를 대차모델에 합하여 구속조건을 가진 다물체 동역학 운동방정식으로 철도차량의 동적모델을 표현하였다. 철도차량의 다물체 동역학 모델에 대한 비선형 구속조건식과 운동방정식은 QR 분해법을 이용하여 독립좌표만으로 이루어진 선형방정식으로 유도하였다. 유도된 선형방정식으로부터 휠셋 및 이륜 대차에 대한 고유치 해석결과를 통해 임계속도를 구하였다. 임계속도에 영향을 미치는 차량 파라미터의 영향에 대한 결과를 제시하였다. In this analysis, a method is presented to calculate the critical speed of a railway vehicle by using a multibody dynamic model. The contact conditions and contact forces between the wheel and the rail are formularized for the wheelset model. This is combined with the bogie model to obtain a multibody dynamic model of a railway vehicle with constraint conditions. First-order linear dynamic equations with independent coordinates are derived from the constraint equations and dynamic equations of railway vehicles using the QR decomposition method. Critical speeds are calculated for the wheelset and bogie dynamic models through an eigenvalue analysis. The influences of the design parameters on the critical speed are presented.

예부선의 조종성능 해석을 위한 다물체 동역학 모델링

이재훈,이기표,김동진,유영준,이성균 대한조선학회 2011 대한조선학회 학술대회자료집 Vol.2011 No.11

국내외 항만에서 많은 선박, 바지(Barge)들이 예선의 인도를 받아 운항하고 있다. 일반 선박과는 달리, 예선과 예인 줄, 그리고 부선 등이 하나의 물체계를 이루어 운동하므로, 전체 시스템을 고려하여 안정성을 판별하여야 하며, 안정성이 없을 경우 부선의 거동 등으로 해난 사고의 위험이 있다. 본 연구에서는 예선이 일정한 속도를 갖고 진행하는 경우에 대하여 예인줄과 부선의 연성을 고려하여 다물체 동역학을 이용한 모델링을 수행하였다. 이를 바탕으로 시간 영역 수치해석을 수행하였으며, 예인 줄 길이와 예인 속도가 예인 줄과 부선의 거동에 미치는 영향을 파악하였다.

다물체 동역학 해석을 통한 맥퍼슨 스트럿 서스펜션 사이드 로드 스프링의 승차감 개선 효과 분석

장형배,한창수 대한기계학회 2020 大韓機械學會論文集A Vol.44 No.8

Nonlinear finite element analysis is generally used in analyzing the side load spring applied to MacPherson strut suspension. However, this analysis often takes prolonged time for model setup and solving. In this paper, a method of modeling nonlinear finite element components using absolute nodal coordinate formulation is described and applied in a multibody dynamics model. In addition, a method of developing a jig model for converting an unloaded side load spring to a loaded spring is presented. The results obtained using this method are applied to half-vehicle and fullvehicle models in performing multibody dynamics simulation. Through these analyses, the effectiveness analysis of side load springs, which is difficult or time-consuming to implement through conventional finite element analysis, can be carried out faster and more efficiently. 맥퍼슨 스트럿 서스펜션에 적용되는 사이드 로드 스프링을 해석하기 위해서는 일반적으로 비선형 유한요소 해석이 사용된다. 그러나 비선형 유한요소 해석은 모델링 및 해석에 많은 시간이 소요되는 경우가 많다. 본 논문에서는 절대절점좌표계를 이용하여 비선형 유한 요소를 모델링하고, 이를 다물체 동역학 모델에 적용하여 해석하는 방법을 설명한다. 그리고 하중을 받지 않은 상태로 설계된 사이드 로드 스프링을 차량에 장착된 상태로 전환하기 위한 지그 모델을 구성하는 방법을 제시하고, 이 결과를 반차량 및 전차량 모델에 적용하여 다물체 동역학 해석을 수행한다. 이러한 해석들을 통하여, 기존의 유한요소 해석을 통해서는 구현하기 힘들거나 시간이 많이 걸리는 사이드 로드 스프링의 효과 분석을 보다 쉽고 빠르게 수행할 수 있다.

다물체 동역학 해석을 통한 포의 사격정확도 분석

진재훈(Jae Hoon Jin),정사무엘(Samuel Jung),김태윤(Tae Yoon Kim),김영구(Young Ku Kim),안창기(Chang Gi Ahn),유완석(Wan Suk Yoo) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.2

본 연구에서는 자주박격포의 다물체동역학 모델을 만든 뒤, 포탄의 탄도학을 고려하여 시뮬레이션 하였다. 자주박격포 모델은 박격포 모델 및 차량 모델로 구성하였으며, 상용 다물체 해석 프로그램인 RecurDyn 을 사용하였다. 차량 모델은 6 자유도 강체플랫폼으로 모델링 하였으며, 박격포 발사 직후의 움직임에는 강내탄도학을 적용하였다. 강내탄도학 해석의 결과를 바탕으로, 포신을 떠난 후의 강외탄도 해석을 수행하였다. 몬테카를로 기법을 활용한 반복 해석으로 발사각과 차량 동특성에 의한 변동이 고려된 탄착점의 분산도를 구하여 사격정확도를 제시하였다. For this research, the trajectory of a projectile was simulated via the multibody dynamics analysis of a selfpropelled mortar. The dynamic model was composed of a mortar model and a vehicle model, and was simulated using the RecurDyn program. Interior ballistic was applied to the mortar model, and exterior ballistic was conducted by Matlab using the simulation results of the interior trajectory. Through repetitive Monte-Carlo simulations, the accuracy of the mortar was analyzed by considering variations in the aiming angle and vehicle dynamic response.

부분시스템 합성방법과 함수형 현가장치 모델을 이용한 실시간 차량 동역학 모델

구본진(Bon-Jin Gu),김성수(Sung-Soo Kim),김도현(Do-Hyun Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.10

본 논문에서는 부분 시스템 합성 방법의 실시간 차량 모델의 실시간성을 더욱 향상 시키기 위해서, 함수형 현가장치 모델을 부분시스템 합성방법에 적용하였다. 제안한 방법의 타당성을 검증하기 위하여 다물체 차량 동역학 모델과 비교하여 해의 정확성 및 CPU time 측정을 통하여 실시간 효율성을 검증하였다. In this paper, to enhance the real time performance of the vehicle model, the Functional Suspension Model (FSM) was applied to the subsystem synthesis method. In order to verify the effectiveness of the proposed method, a comparative study was carried out between the subsystem-based multibody model and the subsystem-based FSM. The accuracy of the FSM was validated using continuous bump run simulations. The efficiency of the subsystem-based FSM was also validated by comparing CPU time of the solutions with the multibody dynamics model.

Hexapod robot의 시뮬레이션 기반 동역학 및 제어 설계

권정주(Jeong Joo Kwon),오영교(Young Kyo Oh),김성수(Sung-Soo Kim),원문철(Moon cheol Won),박성호(Sung ho Park) 대한기계학회 2009 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2009 No.5

In order to test a camera stabilizer system mounted on a unmanned vehicle or a mobile robot in the laboratory environment, a hexapod robot that can generate vehicle motion is being developed. Simulation based design procedure has been employed for the development of the hexapod robot system. A virtual model of the hexapod robot has been created using 3D CAD modeler ProE and multibody dynamics program ADAMS. The required motor capacity has been estimated by inverse dynamics analysis of the virtual model to select motors. Motor modeling of the selected motor has been carried out with actual motor test. Transfer function of the motor has been obtained for the virtaul model. Dynamics and control co-simulations using ADAMS and Matlab/Simulink have been carried out to evaluate the control performances. Gain tuning process has been carried out with this virtual model to show the effectiveness of the simulation based design.