[기계공학/진동및소음] 01. Introduction

교재: Julia 프로그래밍을 활용한 구조물의 진동해석 (곽문규, 김수민)

 

1.1 진동 이론을 왜 공부하는가?

 

 진동은 구조물이 반복적으로 움직이는 현상을 말한다. 진동을 일으키기 위해서는 진동을 유발하는 기진력(excitation force)이 있어야 한다. 그런데 진동을 심각하게 만드는 한가지 원인이 더 존재한다. 공진(resonance)이라는 현상으로 기진력의 어떤 특정 진동수에 의해 구조물이 매우 심하게 진동하는 현상을 기리킨다. 이 진동수를 고유진동수(Natural Frequency)라고 말한다. 이는 구조물의 종류와 형태에 따라 모두 다르게 나타난다. 그래서 구조물을 설계할 때 그 구조물의 고유진동수를 구하는 것이 필요하다.

 

 진동이라는 현상은 구조물의 움직임이 반복된다는 것을 나타내기에 시간의 흐름에 따라 구조물의 변위가 왔다 갔다 한다는 것을 의미한다. 이때 주기(period)가 중요하기에 구조물의 진동해석(vibration analysis)은 크게 시간에 따른 응답해석(response analysis)과 진동수 해석(frequency analysis)으로 나뉜다. 즉 시간 영역 해석(time-domain analysis)과 주파수 영역 해석(frequency-domain analysis)으로 나뉜다.

 

1.2 진동학에 수학 해석이 필요할까?

 

 컴퓨터의 발전으로 공학해석 도구로 수학과는 다른 도구를 제공하기 시작했다. 그럼에도 불구하고 짇농학에 있어 수학의 중요성은 감소하지 않는다. 수학해석은 정성해석을 가능하게 만들어 주기 때문이다. 수학해석은 구조물의 진동이 시간이 지남에 따라 어떻게 변화할 지 예측할 수 있게 해주며 기진력의 진동수에 따른 구조물의 진동 응답이 어떻게 달라지는지에 대한 통찰력을 제공한다.

 

1.3 수치해석이 필요한 이유

 

 현실의 공학 문제들은 수학 문제들처럼 단순하고 정돈된 형태로 정식화 되지 않는다. 그러나 컴퓨터의 도입이 복잡한 공학 문제들을 획기적으로 쉽게 해결할 수 있게 만들었다. 그렇기에 수치해석 프로그램을 이용해 진동 문제를 해석할 수 있다.

 

1.4 Julia vs. MATLAB

 

 최근 몇 십년동안 과학자와 공학자들에게 사랑을 받아온 수치해석 도구로는 MATLAB/SIMULINK 소프트웨어가 있다. 실제로 이는 특히 수치해석을 손쉽게 이용해 공학 문제를 해결하는데 크게 공헌해왔다. 진동해석에 있어서도 MATLAB/SIMULINK 는 탁원할 해석 능력을 보여준다. 하지만 해당 소프트웨어는 구입비가 있기 때문에 공개된 소프트웨어인(무료인) 그리고 MATLAB과 아주 유사한 Julia 를 이용해 진동해석을 하는 방법을 공부하고자 한다. 본 책에서는 Julia 를 위한 IDE로 VSCODE 를 사용한다.