[논문]동해석을 이용한 전자레인지 도어 프레임의 비틀림 변형 저감 구조설계

이부윤; 구진영; 김원진

문제 정의

이를 위하여, 우측 테두리 위치에 Fig. 5(b)~(e)와 같이 경사형 (slope-shaped), 계단형 (step-shaped), 직각형(right-angled), 일자형(straight) 단면 모양을 갖는네 가지의 보강 브래킷을 스폿 용접하여 덧붙이는 설계 개선 방안을 평가하고자 한다. 보강 브래킷의 재질은 도어 프레임과 동일하게 SCP로 정하였다.
우수한 보강 브래킷의 설계 방안을 도출하고자 한다. 또한, 도출된 보강 브래킷을 적용한 전자레인지의 전체 모델에 대하여 PAM-CRASH를 사용한 과도응답 해석을 수행하여 안전 스위치 작동 시점의 비틀림 변형의 저감 효과를 확인하고자 한다.
본 연구에서는 도어 프레임에 대하여 동해 석을 수행하여 강성과 질량 증감의 효과가 포함된 동특성을 분석함으로써 보강 브래킷의 효과를 평가하고자 한다. 먼저 진동모드 해석을 통하여 도 어부의 비틀림 변형에 대한 주요 진동모드를 분석하고 조화 응답 해석을 통하여 전자레인지 도어 프레임의동응답 변위를 분석함으로써, 비틀림 변형의 저감효과가 가장.
먼저 진동모드 해석을 통하여 도 어부의 비틀림 변형에 대한 주요 진동모드를 분석하고 조화 응답 해석을 통하여 전자레인지 도어 프레임의동응답 변위를 분석함으로써, 비틀림 변형의 저감효과가 가장.우수한 보강 브래킷의 설계 방안을 도출하고자 한다. 또한, 도출된 보강 브래킷을 적용한 전자레인지의 전체 모델에 대하여 PAM-CRASH를 사용한 과도응답 해석을 수행하여 안전 스위치 작동 시점의 비틀림 변형의 저감 효과를 확인하고자 한다.
전자레인지 가동 중에 도어를 열 때 발생할 수 있는 전자파 누설을 최소화하기 위하여, 본 연구에서는 동적 유한요소 해석을 이용하여 도어 프레임의 비틀림 변형을 저감시키는 보강 브래킷 설계 방안의 평가 방법을 제시하였다.

가설 설정

0 mm)를 부여하였다. 경계조건으로는 래치의 하부 후크가 래치보드에 고정된 것으로 가정하고 래치의 하부가 도어 프레임과 체결되는 위치 B 절점의 도어가 열리는 방향의 자유도 务를 구속하였다.

제안 방법

Fig. 8에서 볼 수 있듯이 5차 진동모드보다 3차 진동 모드에 의한 응답이 지배적이고 보강 브래킷에 의한 응답 개선량도 크게 나타나므로 3차 진동 모드를 대상으로 개선 정도를 좀 더 자세히 평가하였다. 3차 진동모드에서 보강 브래킷의 종류에 따른 고유진동수와 동응답 변위를 Table 2에 정리하였다.
그리고 보강 브래킷의 단면 모양 뿐만 아니라 부착 위치 및 길이도 강성과 무게에 영향을 미치므로 부착 위치 및 길이에 따른 영향을 함께 평가하는 것이 필요하다. 따라서 네 가지 단면 형상에 대하여 Fig. 6과 같이 도어 프레임의 테두리를 따라서 보강 브래킷의 위치와 크기를 달리한 Case l~Case 8의 8 가지 설계 방안을 평가하고자 한다. Fig.
4에 나타낸 3차와 5차 진동모드에서 발생함을 확인하였다. 따라서 보강 브래킷의 종류에 따른 도 어부의 조화 응답 해석은 3차와 5차 진동모드를 중심으로 수행하였다.
또한, 도어 프레임의 비틀림 강성 증대를 위하여 단면 형상과 길이가 다른 여러 가지의 보강 브래킷(reinforcing bracket)의 설계 방안을 제시하고 비틀림 변형 저감 효과를 비교 평가하였다. 이는 도어 프레임 우측 테두리 상부 위치에서 발생하는 최대 변위량을 비교한 것으로 정적 하중에 대해서만 해의 정확성을 보장한다.
한다. 먼저 진동모드 해석을 통하여 도 어부의 비틀림 변형에 대한 주요 진동모드를 분석하고 조화 응답 해석을 통하여 전자레인지 도어 프레임의동응답 변위를 분석함으로써, 비틀림 변형의 저감효과가 가장.우수한 보강 브래킷의 설계 방안을 도출하고자 한다.
진동모드와 조화응답을 평가하였다. 모드 해석의 결과로서 도어 프레임의 비틀림 변형에 관련된 진동 모드를 확인하였다. 보강 브래킷 설계 방안에 대하여 조화응답 해석을 수행하여 동특성에 대한 개선 효과를 평가한 결과, 계단형 보강 브래킷 두 종류가 가장 우수한 것으로 나타났다.
5(b)~(e)와 같이 경사형 (slope-shaped), 계단형 (step-shaped), 직각형(right-angled), 일자형(straight) 단면 모양을 갖는네 가지의 보강 브래킷을 스폿 용접하여 덧붙이는 설계 개선 방안을 평가하고자 한다. 보강 브래킷의 재질은 도어 프레임과 동일하게 SCP로 정하였다. 그리고 보강 브래킷의 단면 모양 뿐만 아니라 부착 위치 및 길이도 강성과 무게에 영향을 미치므로 부착 위치 및 길이에 따른 영향을 함께 평가하는 것이 필요하다.
보강 브래킷이 없는 기존 설계안의 도어에 대한 동특성을 평가하기 위하여 보강 브래킷을 적용하지 않은 도어 프레임에 대한 진동모드 해석을 먼저 수행하였으며, 주요 모드 10개를 Table 1에 정리하였 匸}. 이 중에서 관심 대상인 비틀림 모드는 Fig.
본 연구에서 다루는 전자레인지는 도어가 닫혀있을 때는 래치의 후크가 안전 스위치의 접점을 누르고 있다가, 도어 손잡이를 당길 때 후크가 z죽 방향으로 1.45 mm 들어 올려져서 접점에서 분리되면 안전 스위치가 작동하여 전원을 차단하게 된다. 도어 개방 시 래치의 상부 후크의 끝단 위치 UL과 하부 후크의 끝단 위치 LL의 z축방향 변위 %를 Fig.
본 장에서는 앞 장의 동특성 해석에서 효과적인 보강 브래킷 형상으로 확인된 계단형의 Case 3과 Case 4에 대하여 PAM-CRASH를 사용하여 동적 과도응답 해석을 수행하여 도어 프레임의 비틀림 강성의 증대 효과를 검증하고자 한다. Fig.
정적 해석에서는 보강 브래킷의 질량에 의한 관성 효과가 고려되지 않는 점을 보완하기 위하여, 도어 프레임에 대하여 선형 동특성 해석을 수행하여 진동모드와 조화응답을 평가하였다. 모드 해석의 결과로서 도어 프레임의 비틀림 변형에 관련된 진동 모드를 확인하였다.
3 N의 힘은 손잡이를 당겨서 도어가 열릴 때의 하중의 측정값 중에서 가장 큰 값에 해당한다'. 해석 결과로부터 Fig. 11에 표시된 래치의 상부 후크의 끝단 위치 UL, 하부 후크의 끝단 위치 LL, 도어 프레임의 상부 위치 UD, 하부 위치 LD의 절점의 y축 방향 변위 %의 이력을 추출하여 비틀림 변형을 평가하였다.
조화응답. 해석은 0~200 Hz의 가진 주파수 범위를 200 등분하여 1 Hz 간격으로 수행하였다. 푸시-풀 게이지(push-pull gage)를 사용하여 도어 손잡이 상부를 당겨서 도어가 열릴 때의 측정값인 29.

대상 데이터

6(a), (b)의 Case 1, 2는 경사형 브래킷을, (c), (d)의 Case 3, 4는 계단형 브래킷을, (e), (f)의 Case 5, 6은 직각형 브래킷을 (g), (h)의 Case 7, 8은 일자형 브래킷을 사용하는 것을 나타낸다. 조화응답 해석에서는 설계변수에 질량 변수도 고려 대상이 되어야 하므로 Case l~Case 8 각각에 대하여 보강 브래킷의 두께를 1, 1.5, 2 mm의 3가지로 구분하여 총 24 가지의 경우로 정의한다. 보강 브래킷의 두께를 고려한 총 24 가지의 Case 번호는 Case 1_1(두께 1 mm), Case 1_2(두께 1.

데이터처리

동특성 해석 프로그램은 ANSYS를 이용하였으며, 도어 프레임의 유한요소 모델은 Fig. 3과 같다. 도어 프레임의 외곽 치수는 가로, 세로가 546, 295 mm이며, 폭이 21 mm이다.

이론/모형

9는 과도응답 해석에 사용한 전자레인지 전체의 유한요소 모델을 나타낸다. 과도응답 해석의 방법과 부품의 물성치 및 각 부품간의 접촉조건과 경계조건은 Lee and Koo'의 방법과 동일하며, 하중은 Fig. 10과 같이 도어 손잡이 상부를 당기는 힘을 0~2 ms까지는 0에서 35.3 N으로 선형으로 증가시 키 고 2 ms 이후에서는 일정하게 유지하도록 하였다. 여기서 35.

성능/효과

Case 3과 Case 4의 보강 효과는 유사하나, 보강 브래킷의 두께가 두꺼울 경우에는 길이가 짧은 경우인 Case 4에서 효과가 좋고, 보강 브래킷의 두께가 얇을 경우에는 길이가 긴 경우인 Case 3이 더 효과가 좋음을 알 수 있다. 결론적으로 Case 3과 Case 4는 보강 브래킷의 질량이 큼에도 불구하고 동응답 변위가 작아질 뿐 아니라 고유진동수도 높아지므로 강성이 개선됨을 알 수 있다. 그리고 브래킷의 두께가 2 mm로 가장 두꺼운 Case 3_3과 Case 4_3의 동응답 변위가 10.
결론적으로 Case 3과 Case 4는 보강 브래킷의 질량이 큼에도 불구하고 동응답 변위가 작아질 뿐 아니라 고유진동수도 높아지므로 강성이 개선됨을 알 수 있다. 그리고 브래킷의 두께가 2 mm로 가장 두꺼운 Case 3_3과 Case 4_3의 동응답 변위가 10.88 mm와 10.67 mtn로 각각 기존 설계안의 15.21 mm 대비 28.5%와 29.9%의 개선 효과를 보이므로 가장 효과적인 보강 브래킷 설계 방안임을 확인할 수 있다.
6(a)에서 볼 수 있듯이 보강 브래킷이 도어 프레임의 양 끝에 집중되어 질량관성모멘트가 증가되는 것이 원인으로 판단된다. 도어 프레임의 절곡부를 따라가며 보강 브래킷을 설계한 나머지 계단형(Case 3, 4), 직각형(Case 5, 6), 일자형 (Case 7, 8) 단면의 경우에서는 일자형 단면보다는 직각형 단면에서, 직각형 단면보다는 계단형 단면에서 동응답 변위가 확실히 개선됨을 알 수 있다. 종합적으로, 브래킷의 단면이 계단형인 Case 3과 Case 4가 보강 효과가 가장 좋은 것으로 나타났다.
따라서 기존 구조를 그대로 사용하면서 우측 테두리부 단면의 면적 관성모멘트를 증가시키는 간편한 개선 방법을 채택하는 것이 효율적인 것으로 판단된다. 이를 위하여, 우측 테두리 위치에 Fig.
5차 모드(110 Hz 근방)에 의한 응답에 있어서는 몇몇 경우(Case 1, 5~7)에서는 보강 브래킷의 설치에 의해서 고유진동수가 낮아지는 것을 볼 수 있으며, 이러한 현상은 고차 진동모드로 갈수록 질량효과가 지배적으로 포함되기 때문이다. 따라서 브래킷의 질량을 고려하지 않는 정적 해석보다는동응답 변위의 측면에서 보강 효과를 평가하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
0-200 Hz에서 10개의 모드가 동시에 해당 응답에 기여하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 모드 해석에서 평가된 Fig. 4의 결과와 마찬가지로 3차와 5차 진동모드의 기여도가 상대적으로 크고, 특히 3차 진동모드가 지배적임을 확인할 수 있다.
모드 해석의 결과로서 도어 프레임의 비틀림 변형에 관련된 진동 모드를 확인하였다. 보강 브래킷 설계 방안에 대하여 조화응답 해석을 수행하여 동특성에 대한 개선 효과를 평가한 결과, 계단형 보강 브래킷 두 종류가 가장 우수한 것으로 나타났다. 선별된 두 종류의 계단형 보강 브래킷에 대하여 전자레인지 전체 모델의 과도응답 해석을 수행한 결과, 도어프레임의 우측 테두리 전체에 부착되면서 두께가 가장 두꺼운 경우가 비틀림 강성의 증대 효과가 가장 우수한 것으로 나타났다.
본 연구에서 제시된 동해석에 의한 도어 프레임 보강 브래킷의 평가 방법과 결과는 도어의 비틀림변형을 저감시키고 나아가서 전자파 누설을 최소화하기 위하여 효율적으로 활용할 수 있다.
보강 브래킷 설계 방안에 대하여 조화응답 해석을 수행하여 동특성에 대한 개선 효과를 평가한 결과, 계단형 보강 브래킷 두 종류가 가장 우수한 것으로 나타났다. 선별된 두 종류의 계단형 보강 브래킷에 대하여 전자레인지 전체 모델의 과도응답 해석을 수행한 결과, 도어프레임의 우측 테두리 전체에 부착되면서 두께가 가장 두꺼운 경우가 비틀림 강성의 증대 효과가 가장 우수한 것으로 나타났다.
이상과 같은 보강 브래킷 사용시의 과도응답 해석 결과의 평가를 통하여 도어 프레임의 비틀림 강성을 중대하기 위한 보강 브래킷의 형상으로는 두께 2 mm의 계단형 브래킷을 사용하는 Case 3_3이 가장 좋음을 알 수 있다.
도어 프레임의 절곡부를 따라가며 보강 브래킷을 설계한 나머지 계단형(Case 3, 4), 직각형(Case 5, 6), 일자형 (Case 7, 8) 단면의 경우에서는 일자형 단면보다는 직각형 단면에서, 직각형 단면보다는 계단형 단면에서 동응답 변위가 확실히 개선됨을 알 수 있다. 종합적으로, 브래킷의 단면이 계단형인 Case 3과 Case 4가 보강 효과가 가장 좋은 것으로 나타났다. Case 3과 Case 4의 보강 효과는 유사하나, 보강 브래킷의 두께가 두꺼울 경우에는 길이가 짧은 경우인 Case 4에서 효과가 좋고, 보강 브래킷의 두께가 얇을 경우에는 길이가 긴 경우인 Case 3이 더 효과가 좋음을 알 수 있다.

후속연구

그러나 도어를 여는 동작에서는 도어부가 움직이는 상태에서 하중이 가해지고 도어 프레임의 몇 가지 진동모드가 동시에 가진 되므로 정적 해석만으로는 보강 브래킷의 효과를 판단하기에는 중분하지 않다. 따라서 질량의 관성 효과가 고려된 동특성 해석을 추가적으로 수행하여 보강 브래킷의 효과를 판단하는 것이 바람직하다.

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