KR102152660B1 - 리니어 모터 이용 실시간 거동 모사기능을 가지는 모형시험체의 지지장치를 구비한 풍동시험장치 및 이를 이용한 풍동시험방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 리니어 모터 유닛을 이용하여 송풍 챔버 내의 송풍에 의해 모형시험체에 발생하게 되는 역학적인 거동을 동일하게 모사하여 풍동시험을 수행할 수 있게 되는 "리니어모터 이용 실시간 거동 모사기능의 모형시험체 지지장치를 구비한 풍동시험장치 및 이를 이용한 풍동시험방법"에 관한 것이다. 본 발명의 풍동시험장치는, 하중측정 유닛 및 리니어 모터 유닛을 포함하는 지지장치와, 힘 측정값 수신모듈, 후속스텝변위 연산모듈, 시간지연 보상 연산모듈 및 구동제어모듈을 포함하는 제어장치를 구비하여, 송풍 챔버 내의 송풍에 의해 모형시험체에 발생하게 되는 역학적인 거동을 모사하여 풍동시험을 수행하게 되는 것을 특징으로 한다.

Description

리니어 모터 이용 실시간 거동 모사기능을 가지는 모형시험체의 지지장치를 구비한 풍동시험장치 및 이를 이용한 풍동시험방법{Experimental Apparatus and Method for Real-time Wind-tunnel Hybrid Simulation of Testing Subject}

본 발명은 모형시험체의 풍동시험을 수행하기 위한 풍동시험장치 및 이를 이용한 풍동시험방법에 관한 것으로서, 구체적으로는 교량 상부구조물 등 시험 대상이 되는 구조물을 축소한 모형시험체에 대해 풍동시험을 수행함에 있어서, 리니어 모터 유닛을 이용하여 송풍 챔버 내의 송풍에 의해 모형시험체에 발생하게 되는 역학적인 거동을 동일하게 모사하여 풍동시험을 수행할 수 있게 되는 "리니어 모터 이용 실시간 거동 모사기능을 가지는 모형시험체의 지지장치를 구비한 풍동시험장치 및 이를 이용한 풍동시험방법"에 관한 것이다.

모형시험체에 대한 풍동시험에서는, 시험 대상이 되는 구조물(예를 들면 교량의 상부구조물)의 축소한 모형시험체를 박스 형태의 송풍 챔버 내에 가로질러 배치하고, 다양한 하중 조건을 모형시험체에 부여하여 그에 따른 모형시험체의 거동을 파악하게 된다. 모형시험체의 풍동시험을 위한 장치에 관한 종래 기술의 일예가 대한민국 등록특허 제10-1547849호에 개시되어 있다.

모형시험체의 풍동시험에 대한 종래 기술의 경우, 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성 즉, 풍동시험 대상 구조물의 질량, 감쇠 및 강성을 원하는 풍동시험 조건에 맞추어서 모사하기 위해서는, 그에 부합하는 추, 오일 댐퍼, 스프링 등을 특정하여 설치해야 한다. 그런데 원하는 풍동시험 대상 구조물의 질량, 감쇠 및 강성에 정확히 부합되는 추, 오일 댐퍼, 스프링 등을 선별하는 설치하는 작업 자체가 매우 어렵고 힘들기 때문에 목표로 하는 역학적 특성을 정확하게 구현하지 못할 수도 있다. 더 나아가 선정된 스프링 등을 송풍 챔버의 벽체에 설치하는 작업 역시 시간적으로나 육체적으로 상당히 과중한 것이어서, 풍동시험장치의 구축작업이 매우 비효율적으로 진행되는 문제가 있다.

특히, 종래 기술에서는 목표로 하는 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성(질량, 감쇠 및 강성 등)이 달라지면 그 때마다 그에 부합되는 추, 오일 댐퍼, 스프링 등을 입수하여 교체 설치해야 하며, 그만큼 상기한 어려움에 봉착하게 되는 바, 풍동시험 대상 구조물에 다양한 역학적 특성을 부여하여 풍동시험을 수행하는데는 큰 제약이 존재하게 된다.

또한 종래 기술은 단지 연직거동과 비틀림 거동에 대해서만 풍동시험을 수행할 수 있다는 한계를 가지고 있다.

대한민국 등록특허공보 제10-1547849호(2015. 08. 27. 공고).

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 풍동시험장치에서 모형시험체를 지지할 때 풍동시험 대상 구조물에 대해 목표로 하는 질량, 감쇠 및 강성 등의 역학적 특성을 설정하여 모사하기 위하여, 추(錘), 오일 댐퍼 및 스프링과 같은 기계적인 장치를 이용하지 않고 제어장치에 필요한 정보값을 입력함으로써 원하는 역학적 특성을 용이하게 구현하여 모사할 수 있게 함으로써, 기계적 장치의 선정과 설치에 따른 번거로움과 비효율성을 해소할 수 있는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명에서는 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성이 달라지더라도 용이하고 신속하게 그에 맞는 지지장치를 구축할 수 있도록 함으로써, 다양한 역학적 특성을 가지는 풍동시험 대상 구조물에 대한 풍동시험을 쉽게 수행할 수 있게 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

더 나아가, 본 발명에서는 다양한 거동 형태에 대해서도 풍동시험을 수행할 수 있게 하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 송풍 챔버 내에 위치하는 모형시험체의 횡방향 양단에 결합되도록 송풍 챔버의 벽체 외측에 설치되어 모형시험체를 지지하는 지지장치와, 풍동시험을 위하여 지지장치의 작동을 제어하는 제어장치를 포함하여 구성되는 풍동시험장치로서, 지지장치는, 모형시험체와 결합되는 하중측정 유닛, 및 송풍 챔버의 벽체 외측에 설치되는 한 쌍의 고정프레임에 각각 구비되고 하중측정 유닛과 결합되는 한 쌍의 리니어 모터 유닛을 포함하며; 리니어 모터 유닛은, 위치가 고정되어 있는 고정부재와, 슬라이딩되어 연직방향으로 이동할 수 있는 가동부재를 포함하고 있어서 하중측정 유닛과 모형시험체에 연직변위 및 비틀림 변위를 발생시키며; 하중측정 유닛은 로드셀을 포함하고 있어서 구서 송풍에 의해 모형시험체에 가해지는 종방향의 힘과 연직방향의 힘을 측정하며; 제어장치는, 사전 설정된 시간 간격마다 하중측정 유닛에서 측정된 바람에 의한 힘을 수신하는 힘 측정값 수신모듈, 측정되어 수신한 힘이 모형시험체에 작용함으로 인하여 발생하는 모형시험체의 후속스텝변위를 연산하는 후속스텝변위 연산모듈, 산출된 후속스텝변위로부터 가동부재가 실제로 이동해야 할 시간지연 보상변위를 산출하는 시간지연 보상 연산모듈, 및 시간지연 보상변위만큼 가동부재가 이동하도록 리니어 모터 유닛의 구동을 제어는 구동제어모듈을 포함하여 구성됨으로써; 송풍 챔버 내에서의 송풍에 의한 힘이 작용하였을 때 모형시험체에 발생하게 되는 역학적인 거동을 실제와 동일하게 모사하여 풍동시험을 수행하게 되는 것을 특징으로 하는 풍동시험장치가 제공된다.

또한 본 발명에서는 이러한 풍동시험장치를 이용한 풍동시험방법으로서, 사전 설정된 시간마다 하중측정 유닛에서 측정된 힘을 힘 측정값 수신모듈로 수신하는 풍력측정단계; 측정된 힘이 모형시험체에 작용할 때 모형시험체에 발생하게 되는 후속스텝변위를 후속스텝변위 연산모듈에서 연산하는 후속스텝변위 연산단계; 산출된 후속스텝변위로부터 가동부재가 실제로 이동해야 할 시간지연 보상변위를 시간지연 보상 연산모듈에서 연산하는 시간지연 보상 연산단계; 및 시간지연 보상변위만큼 가동부재가 이동하도록 구동제어모듈에 의해 리니어 모터 유닛의 구동을 제어하는 리니어 모터 유닛의 변위구동단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동시험방법이 제공된다.

본 발명에 따른 풍동시험장치 및 풍동시험방법에서, 송풍 챔버의 외측에서 종방향으로 서로 간격을 두고 이격된 형태로 나란하게 배치된 2개의 연직프레임이 더 포함될 수 있고; 리니어 모터 유닛의 고정부재는 각각 고정프레임에 부착 설치되며; 리니어 모터 유닛에는 가동부재의 실제 연직변위를 실시간 측정할 수 있는 엔코더가 구비되어 있으며; 하중측정 유닛의 로드셀은 2개의 축을 가지는 2축 로드셀로 이루어지며; 종방향으로 길게 연장된 빔 부재로 이루어진 연결재가 구비되어, 연결재의 종방향 양단은 각각 리니어 모터 유닛의 가동부재와 결합되고, 하중측정 유닛은 한 쌍의 리니어 모터 유닛 사이의 종방향 간격 중앙에서 연결재와 결합될 수 있다.

더 나아가, 본 발명에 따른 풍동시험장치 및 풍동시험방법에서, 가동부재에는 송풍 챔버의 벽체를 향하여 돌출된 돌출부가 구비되어 있고; 돌출부에는 회전을 허용할 수 있는 조인트부재가 설치되어 있으며; 연결재는 조인트부재에 결합되어 있어서, 연결재의 단부가 가동부재에 대해 회전이 가능한 구성을 가질 수도 있다.

또한, 본 발명에 따른 풍동시험장치 및 풍동시험방법에서, 하중측정 유닛에는 리니어 모터 유닛의 가동부재가 구동명령에 따라 실제로 이동된 변위를 측정하는 엔코더가 구비되어 있으며; 제어장치에는 엔코더에 의해 측정된 가동부재의 실제 이동 변위 측정값을 수신하는 실제발생변위 측정모듈이 구비되어 있고; 후속스텝변위 연산모듈에서는, 측정하여 수신된 가동부재의 실제 이동 변위 측정값을 이용하여 후속스텝변위를 산출할 수도 있다.

본 발명에서는 리니어 모터 유닛을 구비한 지지장치와 이의 작동을 제어하는 제어장치를 구비한 풍동시험장치를 이용함으로써, 송풍 챔버 내에 가로질러 배치된 모형시험체에 바람에 의한 힘이 작용하였을 때 모형시험체에 발생하게 되는 역학적인 거동을 실제와 동일하게 모사할 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의하면, 풍동시험 대상 구조물의 질량, 감쇠 및 강성에 대한 정확한 값을 제어장치에 입력해놓게 되면, 목표로 하는 역학적 특성을 정확하게 모사하게 되는 형태의 풍동시험장치가 구현되는 바, 풍동시험 대상 구조물에 부합되는 추, 오일 댐퍼, 스프링 등을 별도로 입수하여 설치하는 작업을 생략할 수 있게 되어 풍동시험장치의 구축작업을 매우 신속하고 용이하게, 그리고 효율적으로 수행할 수 있게 되는 유용한 장점이 발휘된다.

특히, 본 발명에서는 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성이 달라지더라도, 제어장치에 달라진 역학적 특성값을 입력하는 매우 간단한 작업만 수행하면 충분한 바, 다양한 역학적 특성을 가지는 풍동시험 대상 구조물을 매우 손쉽고 효율적으로 풍동시험할 수 있게 되는 장점이 있다.

더 나아가 본 발명에서는 다양한 거동 형태를 반영한 형태로 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성(질량, 감쇠 및 강성)을 설정하여 풍동실험을 수행할 수 있는 바, 연직거동과 비틀림 거동 이외에 다양한 형태의 거동에 대해서도 자유롭게 풍동시험을 수행할 수 있게 되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 지지장치가 구비된 풍동시험장치의 실시예에 대한 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 풍동시험장치의 개략적인 평면도이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 1 및 도 2에 도시된 풍동시험장치에서 지지장치를 별도로 분리시켜서 바라보는 방향을 달리하여 보여주는 개략적인 사시도이다.
도 5는 도 3의 원 A부분에 대한 개략적인 확대도이다.
도 6은 하중측정 유닛이 설치된 위치인 도 4의 원 B부분에 대한 개략적인 확대도이다.
도 7 및 도 8은 각각 가동부재의 움직임에 따른 모형시험체의 변위 상태를 보여주는 리니어 모터 유닛의 설치 부분에 대한 개략적인 정면도이다.
도 9는 제어장치의 구성을 보여주는 개략적인 블록도이다.
도 10은 제어장치에 의해 지지장치가 제어되는 과정에 대한 개략적인 흐름도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 1에는 본 발명에 따른 지지장치(1)가 구비된 풍동시험장치(100)의 실시예에 대한 개략적인 사시도가 도시되어 있으며, 도 2에는 도 1에 도시된 풍동시험장치(100)의 개략적인 평면도가 도시되어 있다. 본 명세서에서 풍동시험장치의 송풍 챔버(201) 내에서 바람이 흘러가는 방향을 "종방향"이라고 기재하고, 이에 직교하는 수평방향을 "횡방향"이라고 기재하며, 종방향에 연직하게 직교한 방향을 "연직방향"이라고 기재한다. 도 1에서 화살표 X-X 방향이 종방향이며, 화살표 Y-Y 방향은 횡방향, 그리고 화살표 Z-Z 방향은 연직방향이다.

도 1 및 도 2에 도시된 것처럼 풍동시험장치(100)는 박스(box)로 이루어진 터널 형태의 송풍 챔버(chamber)(201)를 가지며, 송풍 챔버(201)의 내부 공간에는 교량 상부구조물(Bridge Deck) 등의 실험대상 구조물을 모사하여 축소 제작된 모형시험체(200)가 횡방향으로 가로질러 연장된 형태로 배치되어 있다. 모형시험체(200)가 교량 상부구조물의 축소품인 경우에는 교축방향이 횡방향에 해당한다. 송풍 챔버(201)의 횡방향 양측 벽체(202)의 외측면에는 각각 지지장치(1)가 설치된다. 모형시험체(200)의 횡방향 양단은 각각 지지장치(1)에 결합된다. 즉, 모형시험체(200)의 횡방향 양단이 각각 지지장치(1)에 의해 지지되어 송풍 챔버 내에 위치하게 되는 것이다. 도 1 및 도 2에는 도시되어 있지는 않지만 본 발명의 풍동시험장치(100)에는 지지장치(1)의 작동을 제어하는 제어장치(2)가 구비된다. 풍동시험장치(100)에서는 송풍 챔버의 횡방향 양측에 존재하는 2개의 벽체(202) 각각에 지지장치(1)가 구비되지만 양측의 지지장치(1)는 동일한 구성을 가지며 거울대칭 형태로 구비되는 것이므로 아래에서는 편의상 송풍 챔버의 한쪽 벽체(202)에 구비된 지지장치(1)에 대해서만 설명한다.

도 3 및 도 4에는 도 1 및 도 2에 도시된 풍동시험장치(100)에서 지지장치(1)를 별도로 분리시켜서 각각 바라보는 방향을 달리하여 보여주는 개략적인 사시도가 도시되어 있다. 도 3 및 도 4에서는 편의상 송풍 챔버의 벽체(202)의 도시를 생략하였다. 도 3 및 도 4에 도시된 것처럼 지지장치(1)는, 하중을 측정하는 하중측정 유닛(11), 모형시험체(200)의 단부를 연직방향으로 이동시키는 한 쌍의 리니어 모터 유닛(linear motor unit)(12), 및 고정프레임(13)을 포함하여 구성된다. 고정프레임(13)은 리니어 모터 유닛(12)을 송풍 챔버의 벽체(202) 외측에 설치하기 위한 부재로서, 종방향으로 서로 간격을 두고 이격된 형태로 나란하게 배치된 2개의 연직프레임을 포함하여 구성된다. 고정프레임(13)을 이루는 연직프레임은 송풍 챔버(201)의 벽체(202) 외측에 설치되며, 그에 따라 연직프레임에 구비된 리니어 모터 유닛(12)은 벽체(202) 외부에 위치하게 된다. 도 1 및 도 2의 실시예에서는 벽체(202)의 가장자리 프레임에 고정프레임(13)을 이루는 연직프레임이 결합되어 있다.

2개의 고정프레임(13)의 각각에는 리니어 모터 유닛(12)이 고정 설치되어 있다. 도 5에는 도 3의 원 A부분에 대한 개략적인 확대도가 도시되어 있는데, 리니어 모터 유닛(12)은 고정프레임(13)에 부착되어 위치가 고정되어 있는 고정부재(121)와, 슬라이딩되어 연직방향으로 이동할 수 있도록 고정부재(121)에 결합되는 가동부재(122)를 포함하여 구성되어 있다. 리니어 모터 유닛(12) 자체는 공지된 것이지만, 후술하는 바와 같이 본 발명에서는 특별한 제어에 의해 동작하게 된다. 전기가 공급된 상태에서 제어장치(2)로부터의 구동명령에 따라 가동부재(122)는 고정부재(121)에 결합된 채로 연직방향으로 승하강한다. 리니어 모터 유닛(12)에는 가동부재(122)의 연직방향 이동거리 즉, 가동부재(122)의 실제 연직변위를 실시간 측정할 수 있는 엔코더(도면에 도시를 생략함)가 구비될 수 있다. 리니어 모터 유닛(12)은 하중측정 유닛(11)과 결합되며, 모형시험체(200)의 단부를 연직방향으로 이동시키도록 작동된다.

도 6에는 하중측정 유닛(11)이 설치된 위치인 도 4의 원 B부분에 대한 개략적인 확대도가 도시되어 있다. 하중측정 유닛(11)은 벽체(202) 외측에 위치하며 송풍에 의해 모형시험체(200)에 가해지는 힘을 측정하는 것으로서, 하중측정 유닛(11)은 송풍에 의해 모형시험체(200)에 가해지는 종방향의 힘과 연직방향의 힘을 직접적으로 측정한다. 측정된 종방향의 힘과 연직방향의 힘, 그리고 편심 거리를 이용하면 모멘트 힘을 계산할 수 있게 된다. 따라서 실질적으로 하중측정 유닛(11)을 통해서는 송풍에 의해 모형시험체(200)에 가해지는 종방향의 힘, 연직방향의 힘, 그리고 모멘트 힘의 3가지를 측정할 수 있게 되는 것이다. 하중측정 유닛(11)은 힘을 측정할 수 있는 로드셀(load cell)(110)을 포함하여 구성될 수 있는데, 특히 도면에 예시된 것처럼 로드셀(110)은 2개의 축을 가지는 2축 로드셀(bi-axis load cell)로 구성될 수 있다.

하중측정 유닛(11)은 송풍 챔버의 벽체(202)를 관통하여 외부로 돌출되는 모형시험체(200)의 일단과 결합된다. 도면에 예시된 실시예의 경우, 모형시험체(200)의 횡방향 양단에 구비된 축부재(203)가 벽체(202)를 관통하여 결합판(111)에 결합되며 결합판(111)은 로드셀(110)과 결합되어 있다. 하중측정 유닛(11)은 한 쌍의 리니어 모터 유닛(12)과 동시에 결합된다. 이를 위하여 연결재(14)가 구비된다. 연결재(14)에 의해 한 쌍의 하중측정 유닛(11)이 서로 결합될 뿐만 아니라, 하중측정 유닛(11)과 리니어 모터 유닛(12)도 서로 결합된다. 연결재(14)는 도면에 예시된 것처럼 종방향으로 길게 연장된 빔 부재로 이루어질 수 있다. 이 경우 연결재(14)의 종방향 양단은 각각 리니어 모터 유닛(12)의 가동부재(122)와 결합된다. 하중측정 유닛(11)은 연결재(14)에 결합되는데, 하중측정 유닛(11)은 한 쌍의 리니어 모터 유닛(12) 사이의 종방향 간격 중앙에 위치한다.

모형시험체(200)의 비틀림 거동(torsional motion)을 모사할 수 있도록 하기 위하여 연결재(14)와 가동부재(122)는 연결재(14)의 회전을 허용할 수 있는 형태로 결합되는 것이 바람직하다. 도면에 예시된 실시예의 경우, 가동부재(122)에는 벽체(202)를 향하여 돌출된 돌출부(123)가 존재하며, 돌출부(123)에는 볼 조인트(ball joint)와 같이 회전을 허용할 수 있는 조인트부재(124)가 설치되어 있고, 연결재(14)가 조인트부재(124)에 결합되어 있는 구성을 가지고 있다(도 5 참조). 이러한 구성에서 연결재(14)의 단부는 가동부재(122)에 대해 회전이 가능하게 된다. 이와 같이 연결재(14)와 가동부재(122)간의 회전 허용 결합 구성을 가지는 지지장치(1)의 경우, 모형시험체(200)의 연직 거동과 비틀림 거동(torsional motion)을 모두 모사할 수 있게 된다.

도 7 및 도 8에는 각각 가동부재(122)의 움직임에 따른 모형시험체(200)의 변위 상태를 보여주는 리니어 모터 유닛(12) 설치 부분에 대한 개략적인 정면도가 도시되어 있다. 도 7에 도시된 것처럼 한 쌍의 리니어 모터 유닛(12)에서 가동부재(122)가 동시에 동일한 방향으로 승하강하면 하중측정 유닛(11) 및 이와 결합된 모형시험체(200) 역시 승하강하게 되어 모형시험체(200)에 연직변위가 발생한다. 이와 달리 도 8에 도시된 것처럼 한 쌍의 리니어 모터 유닛(12)에서 가동부재(122)가 동시에 서로 반대되는 방향으로 승하강하면 하중측정 유닛(11) 및 이와 결합된 모형시험체(200)는 회전하면서 비틀림 거동을 하게 된다. 즉, 모형시험체(200)의 연직 거동과 비틀림 거동이 만들어지는 것이다.

위에서 설명한 본 발명의 지지장치(1)는 아래의 구성을 가지는 제어장치(2)에 의해 그 작동이 제어되며, 이에 의하여 풍동시험이 진행된다. 청구범위를 포함한 본 명세서 전체에서 본 발명의 제어장치(2)를 이루는 "모듈"은 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 모듈이 수행하는 전기, 전자, 기계적 기능들은 전자회로, 집적회로, ASIC(Application Specific Integrated Circuit) 등 공지된 다양한 소자들 또는 기계적 요소들로 이루어진 하드웨어로 구현될 수 있다. 특히 이러한 기계적인 요소들은 각각 별개로 모듈의 하드웨어를 이루거나 2 이상이 하나로 통합되어 모듈의 하드웨어를 이룰 수 있다. 물론 본 발명의 제어장치(2)에서 "모듈"은 컴퓨터 프로그램과 같은 소프트웨어로 구현될 수도 있고, 더 나아가 소프트웨어와 하드웨어의 결합으로 구현될 수도 있다.

도 9에는 제어장치(2)의 구성을 보여주는 개략적인 블록도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼 본 발명에서 제어장치(2)는, 힘 측정값 수신모듈(21), 후속스텝(next step)변위 연산모듈(22), 시간지연 보상 연산모듈(23), 구동제어모듈(24) 및 실제발생변위 측정모듈(25)을 포함하여 구성된다. 도 10에는 풍동시험의 수행을 위해서 제어장치(2)에 의해 지지장치(1)가 제어되어 과정에 대한 개략적인 흐름도가 도시되어 있다.

우선 힘 측정값 수신모듈(21)에서는 사전에 정해진 시간 간격(예를 들면, 2밀리세컨드의 간격)마다 하중측정 유닛(11)에서 측정된 바람에 의한 힘(

)을 수신한다(단계 S1-풍력측정단계). 지지장치(1)에는 하중측정 유닛(11)이 구비되어 있고 하중측정 유닛(11)은 송풍에 의해 모형시험체(200)에 가해지는 힘을 측정하게 된다. 앞서 언급한 것처럼 하중측정 유닛(11)에서는 기본적으로 종방향 힘과 연직방향 힘을 측정하게 되며, 이들을 이용한 연산을 통해서 모멘트 힘을 더 산출하여 측정할 수 있다. 이와 같이 힘 측정값 수신모듈(21)에서는 하중측정 유닛(11)에서 측정되는 바람에 의해 모형시험체(200)에 가해지는 힘(

)을 사전에 정해진

의 시간 간격마다 수신하여 취득하는 것이다.

후속스텝변위 연산모듈(22)에서는 힘 측정값 수신모듈(21)을 통해서 취득된 힘(

)이 모형시험체(200)에 작용하였을 때 모형시험체(200)에 발생하게 되는 변위 즉, "후속스텝변위"를 연산한다(단계 S2-후속스텝변위 연산단계).

풍동시험의 대상이 되는 모형시험체(200)에 대해서는 동적거동을 좌우하는 시험대상 구조물의 역학적 특성인 질량(

), 감쇠(

) 및 강성(

)의 요소가 시험자에 의해 미리 정해져서 제어장치(2)에 입력되어 있다. 공지의 운동방정식에 의하면 모형시험체(200)에 가해지는 힘

와, 모형시험체(200)의 질량

, 감쇠

, 및 강성

는 아래의 수학식 1의 관계를 가진다. 아래의 수학식 1에서

는 변위를 의미한다.

후속스텝변위 연산모듈(22)에서는 위와 같은 수학식 1을 이용하여 모형시험체(200)에 힘(

)이 작용할 때 모형시험체(200)에 발생하게 되는 후속스텝변위를 연산하게 된다.

번째 스텝에서 하중측정 유닛(11)에서 측정된 바람에 의한 힘이

이라고 가정하면, 후속스텝변위 연산모듈(22)에서는

의 힘 작용으로 인하여 모형시험체(200)에 발생하게 될 변위 즉, <후속스텝변위

>를 연산하는 것이다. 후속스텝변위

는 실질적으로

번째 스텝에 후속하는

번째 스텝에서의 모형시험체(200)의 위치를 결정하는 것이기 때문에 "후속스텝"이라는 용어를 사용하였다.

후속스텝변위를 연산하여 산출하기 위해서는 중앙 차분법(Central difference approximation)과 같은 공지의 방법을 이용할 수 있다. 중앙 차분법은 이전 스텝의 변위와 다음 스텝의 변위를 이용하여 현재 스텝의 변위를 연산하는 공지의 방법인데, 아래의 수학식 2는 중앙 차분법을 이용하여 변위를 연산하는 계산식의 일예이다.

위의 수학식 2에서

,

및

는 각각 모형시험체(200)의 질량

, 감쇠

및 강성

이고,

는 모형시험체(200)에 가해지는 힘을 측정하는 시간 간격이다.

는

번째 스텝에서 하중측정 유닛(11)에서 측정된 바람에 의해 모형시험체(200)에 가해지는 힘이다.

는

번째 스텝에서의 변위이고,

는

번째 스텝에서의 변위이며,

는

번째 스텝에서의 변위이다.

후속스텝변위 연산모듈(22)에서는 해당 스텝에서 하중측정 유닛(11)에서 측정된 바람에 의한 힘이 작용함으로 인하여 모형시험체(200)에 발생하게 될 후속스텝변위를 산출하게 되는데, 이렇게 후속스텝변위 연산모듈(22)에서 산출된 후속스텝변위는 후술하는 것처럼 이론적인 값이다. 이러한 이유에서

번째 스텝에서 바람의 힘

로 인하여 모형시험체(200)에 발생하게 될 것이라고 후속스텝변위 연산모듈(22)에서 연산된 후속스텝변위의 이론적인 값은 위첨자 c를 이용하여

라고 표기한다.

시간지연 보상 연산모듈(23)에서는 후속스텝변위 연산모듈(22)에서 산출된 후속스텝변위로부터 리니어 모터 유닛(12)의 가동부재(122)가 이동해야 할 실제 변위("시간지연 보상변위")를 산출한다(단계 S3- 시간지연 보상 연산단계). 리니어 모터 유닛(12)의 경우, 구동명령이 내려지는 순간에 즉각적으로 작동되는 것이 아니라 시간지연(時間遲延)을 가지고 작동된다. 이러한 리니어 모터 유닛(12)의 시간지연은 연산과정이나 신호의 전달과정에서 필연적으로 발생한다. 이와 같이 리니어 모터 유닛(12)의 구동명령이 발생하게 되는 시점과, 리니어 모터 유닛(12)의 가동부재(122)가 연직방향으로 승하강을 개시하는 시점 사이에는 "시간지연"이 존재하므로, 리니어 모터 유닛(12)의 정밀하고 정확한 제어를 위해서는 이러한 시간지연으로 인한 변위의 오차를 보정할 필요가 있다. 즉, 후속스텝변위 연산모듈(22)에서 연산된 후속스텝변위만큼 가동부재(122)가 움직이라고 리니어 모터 유닛(12)에게 명령을 내리는 것이 아니라, 시간지연으로 인한 오차를 보정한 변위만큼 가동부재(122)가 움직이라고 리니어 모터 유닛(12)에게 명령을 내려야 하는 것이다. 따라서 본 발명에서는 경우, 시간지연으로 인한 오차를 보정한 변위 즉, 가동부재(122)가 실제로 이동해야 할 변위인 "시간지연 보상변위"를 연산하게 된다. 시간지연 보상변위는 후속스텝변위 연산모듈(22)로부터 연산된 후속스텝변위로부터 산출되며, 시간지연 보상변위의 산출은 시간지연 보상 연산모듈(23)에 의해서 수행된다.

시점

에 해당하는

번째 스텝에서 리니어 모터 유닛의 가동부에 이미 실제로 발생되어 있어 실측된 변위를

라고 하고 시점

에서 하중측정 유닛(11)으로 측정한 바람에 의한 힘

이라고 할 때, 앞서 설명한 것처럼 후속스텝변위 연산모듈(22)에서는 힘

으로 인하여 리니어 모터 유닛(12)의 가동부재(122)가 움직여야 할 변위 즉, 후속스텝변위

를 연산하게 된다. 만일 이렇게 연산된 후속스텝변위

만큼만 가동부재(122)가 움직이도록 리니어 모터 유닛에 명령하게 되면, 실제로 리니어 모터 유닛의 가동부재(122)는 시간지연

만큼 흐른 시점

에 변위

만큼 움직이게 된다. 앞서 언급한 것처럼 리니어 모터 유닛(12)의 시간지연

은 연산과정이나 신호의 전달과정에서 필연적으로 발생할 수밖에 없다. 이러한 상황을 감안할 때, 시점

에 해당하는

번째 스텝에서, 리니어 모터 유닛의 가동부재(122)에 시험자가 원하는 변위

가 발생되어 있게 만들려면, 리니어 모터 유닛에 대해 애초부터 큰 변위로 가동부가 움직이도록 명령을 내려야 하는 것이다.

따라서 시간지연 보상 연산모듈(23)에서는,

번째 스텝에서 시간지연을 고려하여 리니어 모터 유닛에게 전송되어야 할 후속스텝의 시간지연 보상변위

을 산출하게 된다. 시간지연을 보상하는 방법으로는 인버스 보상방법(Inverse compensation method) 등이 공지되어 있는 바, 시간지연 보상변위

의 산출에는 이와 같은 인버스 보상방법을 이용할 수 있다. 인버스 보상방법을 이용하여 시간지연 보상변위를 산출할 경우, 시간지연 보상변위

는 아래의 수학식 3을 통해서 연산될 수 있다.

위 수학식 3에서,

는

에서 구해지는 값으로서,

는 모형시험체(200)에 가해지는 힘을 측정하는 시간이고,

는 발생된 시간지연의 양이다.

시간지연 보상 연산모듈(23)에서의 연산작업을 통해서 시간지연 보상변위

가 산출되면, 리니어 모터 유닛에게는 시간지연 보상변위

만큼 가동부재(122)가 움직이도록 구동명령이 내려지게 되고, 그에 따라 목표로 하는 시점

에 해당하는

스텝에서는 시험자가 원하는 변위

로 리니어 모터 유닛의 가동부재(122)가 이동되어 있는 상태가 만들어진다.

구동제어모듈(24)에서는, 리니어 모터 유닛(12)의 구동명령을 발생시켜 전송함으로써 연산된 시간지연 보상변위만큼 가동부재(122)가 이동하도록 제어한다(단계 S4-리니어 모터 유닛의 변위구동단계). 즉, 구동신호 전송 및 작동 제어 모듈(24)에서는 리니어 모터 유닛(12)의 가동부재(122)가, 시간지연 보상 연산모듈(23)에서 산출된 시간지연 보상변위만큼 정확하게 이동하도록 리니어 모터 유닛(12)을 구동시키고 그 작동을 제어하는 것이다. 이러한 구동제어모듈(24)의 작동에 의해 가동부재(122)가 슬라이딩하여 연직이동하게 된다.

가동부재(122)가 실제 연직이동한 정도를 파악함으로써, 작동의 정밀도를 더 높일 수 있다. 이를 위하여 제어장치(2)에는 실제발생변위 측정모듈(25)이 더 구비될 수 있다. 실제발생변위 측정모듈(25)에서는 리니어 모터 유닛(12)의 가동부재(122)가 구동명령에 따라 실제로 이동된 변위의 측정값을 수신한다(단계 S5-실제발생변위 측정단계). 앞서 언급한 것처럼 리니어 모터 유닛(12)에는 엔코더가 구비될 수 있는 바, 실제발생변위 측정모듈(25)는 엔코더를 통해서 가동부재(122)의 실제발생변위를 실시간 측정하여 수신하게 된다.

이론적으로는 시간지연 보상변위

만큼 가동부재(122)가 움직이도록 구동명령이 내려지면 리니어 모터 유닛의 가동부재(122)에는 변위

가 발생되어야 한다. 이러한 가동부재(122)의 정확한 작동을 보장하기 위해서 본 발명에서는 시간지연 보상변위

만큼 가동부재(122)가 움직이라고 리니어 모터 유닛(12)에게 명령한 결과로 인하여 가동부재(122)에 실제로 발생한 변위

을 측정하는 것이다. 여기서 위첨자 m은 실제 측정(measurement)값을 의미하기 위하여 사용되었다. 이렇게 측정된 실제발생변위

은

번째 스텝에서 또다시

을 이용하여 후속스텝변위

를 산출할 때,

번째 스텝에서의 가동부재(122)의 위치를 정하는데 이용된다.

본 발명에서는, 위에서 설명한 단계 S1의 <풍력측정단계>. 단계 S2의 <후속스텝변위 연산단계>. 단계 S3의 <시간지연 보상 연산단계>, 및 단계 S4의 <리니어 모터 유닛의 변위구동단계>순차적으로 반복 수행된다. 단계 S4에 후속하여 단계 S5의 <실제발생변위 측정단계>가 더 수행될 수 있다.

의 시간 간격마다 바람에 의해 모형시험체(200)에 가해지는 힘(

)을 측정하는 시간을 각각

,

,

,

,..... 라고 하면, 단계 S1의 풍력측정단계에서는 시간

일 때의

을 측정하고, 단계 S2의 후속스텝변위 연산단계에서는

으로 인하여 모형시험체(200)에 발생하게 될 후속스텝변위

를 연산한다. 후속하여 단계 S3의 시간지연 보상 연산단계에서는 시간지연을 감안한 후속스텝에서의 시간지연 보상변위

를 연산하고, 단계 S4에서는 가동부재(122)가 시간지연 보상변위

큼 연직이동하라고 리니어 모터 유닛(12)에게 명령하며, 단계 S5의 실제발생변위 측정단계에서는 가동부재(122)가 실제로 움직인 변위 즉, 실제발생변위

을 측정한다. 후속스텝변위 연산모듈에서는 실제발생변위

에 기초하여 후속스텝변위를 연산하게 된다.

위와 같은 과정이 이루어지면 또다시 시간

일 때의

을 측정하고, 단계 S2의 후속스텝변위 연산단계에서는

으로 인하여 모형시험체(200)에 발생하게 될 후속스텝변위

를 연산한다. 후속하여 단계 S3에서는 보상변위

를 연산하고, 단계 S4에서는 실제발생변위

를 가지는 위치에 존재하던 가동부재(122)가 보상변위

만큼 연직이동하게 만들라고 리니어 모터 유닛(12)에게 명령하며, 단계 S5에서는 가동부재(122)가 실제로 움직인 변위 즉, 실제발생변위

을 측정한다. 측정된 실제발생변위

에 의해 시간

에서의 가동부재(122)의 위치가 정해진다. 이러한 과정을 각각의 후속하는 시간에 대하여 동일하게 반복하여 수행한다.

위와 같은 과정에 의해 제어장치(2)가 지지장치(1)를 제어함으로써, 송풍 챔버 내에 가로질러 배치된 모형시험체(200)에 바람에 의한 힘이 작용하였을 때 모형시험체(200)에 발생하게 되는 역학적인 거동을 실제와 동일하게 모사할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에서는 모형시험체(200)에 발생하게 되는 역학적 거동을 모사하는 것을, 리니어 모터 유닛을 이용하여 구현하고 있는 것이다. 본 발명에서는 리니어 모터 유닛을 사용하게 됨으로써, 다음과 같은 매우 유용한 장점을 발휘하게 된다.

우선 풍동시험의 대상 구조물의 역학적 특성에 맞게 풍동시험장치를 매우 쉽고 편리하게 설정하여 구현할 수 있게 되는 장점이 있다. 종래의 풍동시험장치의 경우, 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성 즉, 풍동시험 대상 구조물의 질량, 감쇠 및 강성을 모사하기 위해서는, 그에 부합하는 추, 오일 댐퍼, 스프링 등을 특정하여 설치해야 한다. 그런데 풍동시험 대상 구조물의 질량, 감쇠 및 강성에 정확히 부합되는 추, 오일 댐퍼, 스프링 등을 선별하는 입수하는 작업 자체가 매우 어렵고 힘들기 때문에 목표로 하는 역학적 특성을 정확하게 구현하지 못할 수도 있다. 더 나아가 선정된 스프링 등을 챔버의 벽체에 설치하는 작업 역시 시간적으로나 육체적으로 상당히 과중한 것이어서, 풍동시험장치의 구축작업이 매우 비효율적으로 진행되는 문제가 있다.

본 발명에서는 풍동시험 대상 구조물의 질량, 감쇠 및 강성을 제어장치(2)에 미리 입력해놓고 후속스텝변위 연산모듈(22) 등에서 이용하게 되므로, 풍동시험 대상 구조물의 질량, 감쇠 및 강성에 정확히 부합되는 값으로 풍동시험장치가 구현될 수 있다. 즉, 풍동시험 대상 구조물의 질량, 감쇠 및 강성에 대한 정확한 값을 제어장치(2)에 입력해놓게 되면, 목표로 하는 역학적 특성을 정확하게 모사하게 되는 형태의 풍동시험장치(100)가 구현되는 것이다. 또한 특정된 추, 오일 댐퍼, 스프링 등을 입수하여 설치하는 작업 자체가 불필요하게 되어 풍동시험장치의 구축작업을 매우 신속하고 용이하게, 그리고 효율적으로 수행할 수 있게 되는 유용한 장점이 발휘된다.

특히, 종래 기술에서는 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성(질량, 감쇠 및 강성 등)이 달라지면 그 때마다 그에 부합되는 추, 오일 댐퍼, 스프링 등을 입수하여 교체 설치해야 하며 그에 따라 다양한 역학적 특성을 가지는 풍동시험 대상 구조물에 대한 풍동시험에 큰 제약이 존재하지만, 본 발명에서는 변경된 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성값은 제어장치(2)에 입력하는 매우 간단한 작업만 수행하면 충분한 바, 다양한 역학적 특성을 가지는 풍동시험 대상 구조물을 매우 손쉽고 효율적으로 풍동시험할 수 있게 되는 장점이 있다.

더 나아가, 본 발명에서는 다양한 형태의 운동모드로 풍동시험을 수행할 수 있게 된다. 앞서 수학식 1에서 살펴본 것처럼 운동방정식은 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성(질량, 감쇠 및 강성)의 함수이다. 본 발명에서는 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성(질량, 감쇠 및 강성)을 제어장치(2)에 대한 입력값의 형태로 설정하게 되는 바, 다양한 거동 형태를 반영한 형태로 풍동시험 대상 구조물의 역학적 특성(질량, 감쇠 및 강성)을 설정하여 풍동실험을 수행할 수 있다. 따라서 본 발명에 의해서는 연직거동과 비틀림 거동 이외에 다양한 형태의 거동에 대해서도 자유롭게 풍동시험을 수행할 수 있게 되는 바, 단지 연직거동과 비틀림 거동만을 수행하던 종래 기술의 한계를 극복하게 되는 효과가 발휘된다.

1: 지지장치
2: 제어장치
11: 하중측정 유닛
12: 리니어 모터 유닛
13: 고정프레임
14: 연결재
21: 힘 측정값 수신모듈
22: 후속스텝변위 연산모듈
23: 시간지연 보상 연산모듈
24: 구동제어모듈
25: 실제발생변위 측정모듈
100: 풍동시험장치

Claims (5)

1. 송풍 챔버 내의 모형시험체를 지지하는 지지장치와, 상기 지지장치의 작동을 제어하는 제어장치를 포함하는 풍동시험장치로서,
   지지장치는, 송풍 챔버의 외부에서 모형시험체의 횡방향 양단과 결합되는 하중측정 유닛, 및 상기 하중측정 유닛과 결합되는 한 쌍의 리니어 모터 유닛을 포함하며;
   리니어 모터 유닛은, 위치가 고정되어 있는 고정부재와, 연직이동하도록 고정부재에 결합된 가동부재를 포함하고 있어서, 모형시험체에 연직변위 및 비틀림 변위를 발생시키며;
   하중측정 유닛은, 로드셀을 포함하고 있어서 송풍에 의해 모형시험체에 가해지는 종방향 힘과 연직방향 힘을 측정하며;
   제어장치는, 사전 설정된 시간마다 하중측정 유닛에서 측정된 힘을 수신하는 힘 측정값 수신모듈, 측정된 힘이 모형시험체에 작용할 때 모형시험체에 발생하게 되는 후속스텝변위를 연산하는 후속스텝변위 연산모듈, 산출된 후속스텝변위로부터 가동부재가 실제로 이동해야 할 시간지연 보상변위를 산출하는 시간지연 보상 연산모듈, 및 시간지연 보상변위만큼 가동부재가 이동하도록 리니어 모터 유닛의 구동을 제어는 구동제어모듈을 포함하는 구성을 가지고 있어서;
   송풍 챔버 내의 송풍에 의해 모형시험체에 발생하게 되는 역학적인 거동을 모사하여 풍동시험을 수행하게 되는 것을 특징으로 하는 풍동시험장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   송풍 챔버의 외측에서 종방향으로 서로 간격을 두고 이격된 형태로 나란하게 배치된 2개의 연직프레임을 더 포함하며;
   리니어 모터 유닛의 고정부재는 각각 고정프레임에 부착 설치되며;
   리니어 모터 유닛에는 가동부재의 실제 연직변위를 실시간 측정할 수 있는 엔코더가 구비되어 있으며;
   하중측정 유닛의 로드셀은 2개의 축을 가지는 2축 로드셀로 이루어지며;
   종방향으로 길게 연장된 빔 부재로 이루어진 연결재가 구비되어, 연결재의 종방향 양단은 각각 리니어 모터 유닛의 가동부재와 결합되고, 하중측정 유닛은 한 쌍의 리니어 모터 유닛 사이의 종방향 간격 중앙에서 연결재와 결합되어 있는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 풍동시험장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   가동부재에는 송풍 챔버의 벽체를 향하여 돌출된 돌출부가 구비되어 있고;
   돌출부에는 회전을 허용할 수 있는 조인트부재가 설치되어 있으며;
   연결재는 조인트부재에 결합되어 있어서, 연결재의 단부가 가동부재에 대해 회전이 가능한 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 풍동시험장치.
   
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   하중측정 유닛에는 리니어 모터 유닛의 가동부재가 구동명령에 따라 실제로 이동된 변위를 측정하는 엔코더가 구비되어 있으며;
   제어장치에는 엔코더에 의해 측정된 가동부재의 실제 이동 변위 측정값을 수신하는 실제발생변위 측정모듈이 구비되어 있고;
   후속스텝변위 연산모듈에서는, 측정하여 수신된 가동부재의 실제 이동 변위 측정값을 이용하여 후속스텝변위를 산출하는 것을 특징으로 하는 풍동시험장치.
   
5. 송풍 챔버 내의 모형시험체를 지지하는 지지장치와, 상기 지지장치의 작동을 제어하는 제어장치를 포함하는 청구항 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 따른 풍동시험장치를 이용한 풍동시험방법으로서,
   사전 설정된 시간마다 하중측정 유닛에서 측정된 힘을 힘 측정값 수신모듈로 수신하는 풍력측정단계;
   측정된 힘이 모형시험체에 작용할 때 모형시험체에 발생하게 되는 후속스텝변위를 후속스텝변위 연산모듈에서 연산하는 후속스텝변위 연산단계;
   산출된 후속스텝변위로부터 가동부재가 실제로 이동해야 할 시간지연 보상변위를 시간지연 보상 연산모듈에서 연산하는 시간지연 보상 연산단계; 및
   시간지연 보상변위만큼 가동부재가 이동하도록 구동제어모듈에 의해 리니어 모터 유닛의 구동을 제어하는 리니어 모터 유닛의 변위구동단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 풍동시험방법.

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