Development of New Concept of Wind Tunnel Test: Real-Time Aeroelastic Hybrid Simulation

Abstract

This study proposes a new concept for wind tunnel tests of bridges and aims to develop equipment and review the applicability to wind tunnel tests using the proposed method. The proposed new wind tunnel test method is performed through interaction between the two by applying real-time hybrid techniques to wind tunnel experiments and dividing wind tunnel experiments into experimental and numerical systems. The real-time aeroelastic hybrid simulation(RTAHS) system measures wind-induced forces through actual experiments and, in the cyber system, calculates the bridge deck's displacement in real-time. This RTAHS system accurately measures wind-induced forces, which were difficult to measure in conventional wind tunnel tests. And the dynamic characteristics of the system were implemented more efficiently and more accurately numerically. The RTAHS system consists of hardware and software components. A hardware system comprises four linear motors, the controller to control them, load cell, and accelerometer. The software system includes a numerical integration program for the calculation of the equation of motion, a time delay compensation program, and a PI control program for precise control. The verification of the RTAHS system's software component is performed. The removal of inertial force due to the mass of the bridge deck model and the compensation of the time delay of 18 ms of the system are properly per-formed through the real-time calculation of the equation of motion and the Improved AIC method. The RTAHS system's applicability to wind tunnel test was confirmed through free vibration tests with the force feedback process and vibration tests to observe the bridge deck's vortex-induced vibration in the wind tunnel. The difference between the system's apparent damping ratio and the target value is the effect of the residual time delay after delay compensation. Through a comparative experiment using the developed and conventional system with a rectangular section of B/D = 5, the vortex-induced vibration was observed at the same wind speed range, and the results of displacement were also confirmed to be reasonable. Therefore, the proposed RTAHS system can well simulate two-dimensional wind tunnel tests within the identified range.

이 연구에서는 교량의 풍동실험을 위한 새로운 기법을 제시하며, 이를 위한 장비를 개발 및 구축하고 구축된 장비를 활용하여 실제 풍동실험에 의 적용가능성에 대한 검토를 목표로 한다. 제안된 새로운 풍동실험 방법은 실시간 하이브리드 기법을 적용하여 풍동실험을 실험적, 수치적 시스템으로 나누어 둘 간의 상호작용을 통하여 수행된다. 실시간 공탄성 하이브리드 시뮬레이션 시스템은 수치적으로 구현하기 어려운 바람에 의한 힘을 실험을 통하여 측정하고 수치적으로 교량 데크의 변위를 실시간으로 계산하는 방식을 사용한다. 이로 기존 풍동실험에서는 측정하기 어려웠던 바람에 의한 힘을 정확히 측정하며, 시스템의 동적 특성은 수치적으로 보다 쉽고 정확히 구현할 수 있다. 실시간 공탄성 하이브리드 시뮬레이션 시스템은 네 개의 리니어 모터와 이를 제어하기 위한 컨트롤러, 로드셀, 가속도계의 하드웨어적인 부분과 운동방정식 계산을 위한 수치 적분 프로그램, 리니어 모터의 정밀한 제어를 시간지연 보상 프로그램, PI제어 프로그램의 소프트웨어적인 부분으로 이루어진다. 실제 구성한 실시간 공탄성 하이브리드 시뮬레이션 시스템 소프트웨어 각 부분의 검증을 수행하였다. 실험체의 질량 인한 관성력을 제거하며 운동 방정식의 실시간 계산 및 Improved AIC 방법을 통하여 시스템의 총 지연시간 18 ms의 보정이 적절히 수행됨을 확인하였다. 측정된 힘의 되먹임 과정을 포함하는 자유 진동 실험 및 풍동 내에서의 교량데크의 와류진동을 관측하기 위한 진동실험을 통하여 실제 풍동실험 적용가능성에 대해 확인하였다. 시스템의 겉보기 감쇠비가 다소 차이가 있음을 확인하였으며, 이는 시간지연보상 후의 잔여 시간지연 효과로 인함인 것으로 파악되었다. B/D=5 직사각형 단면의 고안한 장비와 기존 장비를 활용한 비교실험을 통하여 동일 풍속대에서 와류진동을 관측하였으며, 변위 결과 또한 합리적임을 확인하였다. 따라서, 개발한 실시간 공탄성 하이브리드 실험 장비가 확인한 범위 내에서 2 차원 풍동 실험을 잘 모사할 수 있음을 확인하였다.