자유진동 (Free Vibration)
쉽게 풀면
한 번 힘을 준 뒤 손을 떼면 저절로 흔들리다가 점점 멈추는 진동이다.
왜 중요한가
자유진동은 외력 없이 구조물이 고유진동수로 흔들리는 현상으로, 선체·축계·상부구조의 고유진동수를 알아야 프로펠러나 엔진 가진 주파수와의 공진을 피할 수 있으므로 선박진동해석의 첫 단계가 고유진동 해석입니다. 해양구조물에서는 파랑 주기와 고유주기의 관계가 운동 응답과 피로를 지배합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
유한요소모델의 고유치해석을 수행하여 선체거더의 자유진동 모드형상과 고유진동수를 산출한다.
실제 배는 물속에 있어 주변 물의 무게 효과까지 고려해야 진짜 고유진동수에 가까운 값을 얻을 수 있다는 뜻입니다.
조금 더 깊게 보면
선체의 고유진동수는 강성뿐 아니라 주변 유체의 부가질량에 크게 영향받으므로, 공기 중 구조 해석 결과를 그대로 쓰면 실제보다 높게 나옵니다. 감쇠가 작은 선체 구조는 공진 폭이 좁아 고유진동수 예측 오차 몇 %가 공진 여부를 가르므로 실선 계측으로 검증하는 것이 관행입니다. 강제진동과 달리 자유진동 해석은 진폭을 주지 않고 주파수와 모드 형상만 주므로, 실제 진동 수준 예측에는 가진력 정보가 추가로 필요합니다. 선체의 고유진동수는 강성뿐 아니라 주변 유체의 부가질량에 크게 영향받으므로, 공기 중 구조 해석 결과를 그대로 쓰면 실제보다 높게 나온다. 강제진동과 달리 자유진동 해석은 진폭을 주지 않고 주파수와 모드 형상만 주므로, 실제 진동 수준 예측에는 별도의 가진력 정보가 추가로 필요하다.
주의할 점
자유진동 해석 결과는 경계조건 설정에 민감하므로 실제 구조의 지지조건을 정확히 반영해야 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있다. 저차 모드(2절점, 3절점 굽힘)는 비교적 예측이 정확하지만 고차 모드로 갈수록 국부 구조의 세부 모델링 정확도에 민감해져, 실제 설계에서는 저차 모드 위주로 공진 회피를 검토하는 것이 일반적이다. 자유진동 해석 결과는 경계조건 설정에 민감하므로 실제 구조의 지지조건을 정확히 반영해야 신뢰할 수 있는 결과를 얻을 수 있다.