Dynamic Substructuring for Evaluating Vibro-acoustic Performance

Abstract

Generally, a mechanical system consists of various substructures that cause noise and vibration problems. This thesis proposes a dynamic substructuring method for the estimation of the dynamic characteristics of a coupled mechanical system based on substructure characteristics. The first phase of this thesis presents a method for the estimation of rotational stiffness at the coupled points of an assembled system based on a dynamic substructuring method. Conventional test-based rotational stiffness evaluation methods are sensitive to measurement errors and require a specialized jig for testing. In contrast, given that the proposed method uses the natural frequency shift phenomenon that results from the addition of mass, the measurement error is relatively small, and the accuracy is improved by excluding the interference of other modes. In addition, the proposed method solves the problem due to the complexity of the conventional method by changing the fixed condition of the system using frequency response function (FRF)-based substructuring (FBS) modeling; thus, it does not require a specialized jig for fixing parts. In this manuscript, the concepts of trial mass, virtual mass, and virtual spring are introduced to systematically explain the proposed method and its application based on frequency shifts. The results of the experiments conducted on a vehicle shock absorber verify the utility of the proposed method. In the second phase, a novel transfer path analysis (TPA) method based on a dynamic substructuring model is proposed. With the dynamic substructuring model, the FRF information of a base system can be used to evaluate the stiffness addition effect at the measurement points instead of adding the actual stiffness. In the proposed method, a spring with an infinite stiffness is virtually added to a specific transfer path among various possible paths, such that the specific path is removed. Hence, the virtual spring significantly reduces the contribution of the specific path. This method is more implementable and applicable than existing TPA methods (i.e., conventional TPA and operational TPA), as it does require part removal or the correlation information between the signals. To verify the feasibility of the FBS-based TPA method, it was applied to a significant road noise phenomenon. The test results confirm that the proposed method can be applied to the TPA of suspension linkages and vehicle bodies. In the final phase of this thesis, an improved dynamic substructuring model is presented based on the estimated FRF information at a coupling point between substructures. An assembled system generally consists of two or more such substructures, which are typically connected by a bolt. To ensure an accurate estimation of the dynamic characteristics of the assembled system, an accurate measurement of the joint properties is required. However, in most practical cases, physical constraints prevent such measurements at actual coupling points. Accordingly, this study proposes a method that uses generalized coupling properties to estimate the dynamic characteristics of a new coupling system based on the characteristics of the original substructure. In this process, the concept of virtual point transformation was used to estimate accurate FRFs at the coupling points of the assembled system based on convenient measurements. Thereafter, the proposed method was validated using a hard-mount vehicle suspension in a test jig and on an actual vehicle body for estimating the vibration characteristics of the assembled system. This research contributes towards the accurate estimation of the dynamic properties of bolt-assembled systems in several practical applications.

일반적으로 기계시스템은 다양한 하위 부분구조물로 구성되며, 이들은 많은 소음 및 진동 문제를 야기한다. 본 논문은 이러한 하위 부분구조물의 동특성 정보만을 사용하여 전체 대상 시스템의 동적 특성을 추정하기 위한 동특성 합성기법을 다루고 있다. 먼저, 본 논문의 첫 장에서는, 동특성 합성기법을 활용한 결합 시스템의 회전 강성 추정 기법을 제시하였다. 기존 시험기반의 회전 강성 평가법들은 측정 오류에 민감 할 뿐 아니라, 측정을 위한 별도의 고정용 지그가 필요하다. 그러나, 본 연구에서 제시된 방법은 시스템에 부가되는 질량에 의한 고유 주파수 편이 현상을 사용하기 때문에 기존 방법에 비해 측정오차가 상대적으로 작고, 다른 모드의 간섭을 배제함으로써 추정 정확도의 향상을 기대할 수 있다. 또한, 본 기법은 주파수 응답함수 기반 합성 모델을 사용하여 실제 고정 지그를 사용하는 대신, 고정 경계조건을 수식적으로 대체함으로써 기존 방법의 복잡성을 해결하였다. 이 과정에서 시험 질량, 가상 질량 및 가상 스프링의 개념이 도입되었으며, 실제 차량의 충격 흡수장치를 이용하여 모델의 검증을 수행하였다. 다음으로, 본 논문의 두 번째 장에서는, 동특성 합성 모델을 이용한 새로운 전달 경로 분석 기법을 제시하였다. 본 연구에서는 대상 시스템의 실제 전달경로를 제거하는 대신, 무한대의 강성을 갖는 가상의 스프링을 주파수 응답 함수의 형태로 반영함으로써, 특정 전달경로의 제거 효과를 구현하였다. 본 기법은 기존의 전달경로 분석법에 비하여 실험적으로 구현이 쉬우며, 측정에 소요되는 작업량과 계산량 또한 획기적으로 줄일 수 있다. 해당 기법은 차량 현가계의 특정 진동 전달 현상을 이용하여 실험적으로 유효성이 검증되었다. 본 논문의 마지막 장에서는, 동특성 합성 모델의 정확도 개선을 위한 연구가 수행되었다. 일반적으로 결합시스템은 두 개 이상의 결합물이 볼트를 이용하여 결합되며, 결합 시스템의 동특성 예측을 위해서는 결합부의 정확한 동특성이 요구된다. 하지만 대부분의 경우, 물리적 공간의 제약으로 인하여 실제 결합 지점에서의 측정이 불가능하기 때문에, 가상 지점의 개념을 도입하여 결합지점에서의 주파수 응답함수를 추정하였다. 해당 방법 역시, 실제 차량과 서스펜션 시험 지그를 이용하여 검증되었다. 본 연구는 많은 실제 응용 분야에서 정확한 시스템의 동특성 추정에 기여하고 있다.