[논문]전자레인지 포장품의 낙하충격 해석 및 설계

김원진; 이부윤; 손병삼

doi:10.3795/ksme-a.2009.33.5.536

[국내논문] 전자레인지 포장품의 낙하충격 해석 및 설계
Drop-Impact Analysis and Design of a Package of a Microwave Oven 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.33 no.5 = no.284, 2009년, pp.536 - 543

김원진 (계명대학교 기계자동차공학부) , 이부윤 (계명대학교 기계자동차공학부) , 손병삼 (계명대학교 대학원 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Dynamic behaviour of a package of a microwave oven under the drop-impact conditions is evaluated by the finite element analysis and tests. PAM-CRASH software is used for the finite element analysis and the tests are performed according to the ISTA(International Safe Transit Association) specification. Results of the analyses are compared with those of the tests and accuracy is shown to be favourable. Under the drop-impact condition of the original design, severe deformation occurs and an improved design is proposed to reduce it. The approach presented in this research can be successfully applied to reduce costs and time required to develop new models of the microwave oven.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

면낙하충격 시에는 포장상자 외면과 지면이 면대면으로 접촉하여 충격이 발생하므로, 포장재인 골판지와 EPS는 실험과 해석결과에서 특별한 연구변형과 손상이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 본 논문에서는 전자레인지 제품을 위주로 하여 해석과 실험 결과를 분석하고자 한다.
설계개선안에 대한 해석은 기존설계안 해석에서 변형이 크게 발생한 바닥면, 상부면, 우측면, 후면 낙하에 대하여 수행하였다. 바닥면과 상부면 낙하는 변압기 저판의 굽힘 변형량을 평가하고, 우측면 낙하는 외판의 찍힘 변형에 대해 평가하고, 그리고 후면 낙하는 뒷판과 외판에 발생하는 변형을 평가하기 위해 실시하였다.
본 연구에서는 수출용 전자레인지 포장품을 대상으로 하여, 제품에 손상을 줄 수 있는 낙하충격에 대한 설계 안전성을 유한요소해석을 이용하여 평가하였다. 기존설계안의 해석결과를 실험결과와 비교하여 취약부와 취약원인을 체계적으로 분석함으로써 설계개선안을 도출하였다.
3에 표시된 6가지의 면낙하방향 각각에 대하여 PAM-CRASH로 해석을 수행하였다. 이 장에서는 전자레인지 포장품에 대한 기존설계안의 낙하충격 해석 결과를 실험과 비교하여 기술하고자 한다.
전자제품의 낙하충격 실험은 규정된 높이에서 제품을 자유낙하시켜 파손 여부를 확인하기 위하여 실시한다. 전자제품의 낙하충격 문제는 유통 과정에서 발생하는 포장상태의 낙하충격과 사용 중에 발생하는 제품 자체의 직접적인 낙하충격으로 나눌 수 있다.

가설 설정

전자레인지 포장품은 자유낙하하여 지면과 1차 충격시에 완충효과로 인해 제품이 반발하는 속도와 높이가 아주 작기 때문에 반발에 의한 2차 낙하 충격은 제품 손상에 크게 영향을 주지 못한다. 따라서 본 연구에서는 1차 충격만을 고려하여 해석시간을 설정하였다. 이에 따라 포장품이 지면에 부딪치는 순간의 초기속도 3.

제안 방법

전체의 절점 수는 53639개, 쉘요소 수는 32461개, 솔리드요소 수는 11654개이다. 각종 강판재 부품은 탄소성 박판 쉘요소, 강성이 매우 높은 변압기는 강체 솔리드요소, EPS는 비선형 탄성 폼(foam) 솔리드요소, 플라스틱 사출물은 선형 탄성 박판 쉘 요소를 사용하여 모델링하였다. 해석에 사용한 주요 재료의 물성치는 Table 1과 같다.
기존설계안의 해석결과를 실험결과와 비교하여 취약부와 취약원인을 체계적으로 분석함으로써 설계개선안을 도출하였다. 그리고 설계개선안에 대한 해석과 시작품의 실험을 통하여 개선효과를 검증하였다.
본 연구에서는 수출용 전자레인지 포장품을 대상으로 하여, 제품에 손상을 줄 수 있는 낙하충격에 대한 설계 안전성을 유한요소해석을 이용하여 평가하였다. 기존설계안의 해석결과를 실험결과와 비교하여 취약부와 취약원인을 체계적으로 분석함으로써 설계개선안을 도출하였다. 그리고 설계개선안에 대한 해석과 시작품의 실험을 통하여 개선효과를 검증하였다.
도출된 설계개선안을 반영하여 시작품(prototype)을 제작하고 낙하충격 실험을 실시하였다. 설계개선안의 시작품은 기존설계안에 비하여 변압기 저판의 비드 형상이 Fig.
1차 충격 직후인 40 ms 까지만 해석하였으므로 해석종료 시점의 변형량은 탄성변형과 소성변형의 합으로 나타나는 반면에, 실험결과는 육안으로 확인할 수 있는 영구변형량으로 나타난다. 따라서 탄성변형까지 포함하고 있는 40 ms 시점의 해석결과를 실험결과와 비교평가하기 위하여 해석된 소성변형률을 위주로 하여 분석하고자 한다.
본 연구를 통해 전자레인지 포장품의 운송과정에서 가해질 수 있는 면방향 낙하충격 하중에 대한 유한요소해석 모델링과 해석방법을 제시하고, 해석결과를 실험결과와 비교하여 정확성을 검증하였다.
설계개선안에 대한 해석은 기존설계안 해석에서 변형이 크게 발생한 바닥면, 상부면, 우측면, 후면 낙하에 대하여 수행하였다. 바닥면과 상부면 낙하는 변압기 저판의 굽힘 변형량을 평가하고, 우측면 낙하는 외판의 찍힘 변형에 대해 평가하고, 그리고 후면 낙하는 뒷판과 외판에 발생하는 변형을 평가하기 위해 실시하였다.
설계개선안의 시작품 실험을 통하여 낙하충격에 대한 설계개선안의 타당성을 검증하였다. Fig.
앞 장에서 기술된 해석 모델을 사용하여 Fig. 3에 표시된 6가지의 면낙하방향 각각에 대하여 PAM-CRASH로 해석을 수행하였다. 이 장에서는 전자레인지 포장품에 대한 기존설계안의 낙하충격 해석 결과를 실험과 비교하여 기술하고자 한다.
변압기 저판은 총 4개의 볼트로 다른 부품들과 결합되어 있다. 외판 측면과 변압기 저판을 결합하는 위치 및 자전관 저판과 변압기 저판을 결합하는 위치에 각각 볼트 체결을 추가하였다.
따라서 본 연구에서는 1차 충격만을 고려하여 해석시간을 설정하였다. 이에 따라 포장품이 지면에 부딪치는 순간의 초기속도 3.835 m/s를 가하여 지면에 부딪치는 순간부터 시간 40 ms까지 해석을 수행하였다. 1차 충격 직후인 40 ms 까지만 해석하였으므로 해석종료 시점의 변형량은 탄성변형과 소성변형의 합으로 나타나는 반면에, 실험결과는 육안으로 확인할 수 있는 영구변형량으로 나타난다.
전자레인지의 각 부품을 체결하는 점용접(spot welding)과 볼트 체결 점에 대해서는 체결 위치의 두 절점의 자유도를 연계(couple)시켰다. 접촉조건으로서 EPS와 전자레인지 사이에는 면대면 접촉(surface-to-surface contact)을, 전체 모델에 대하여 자체 접촉(self contact)을 부여하였다.
전자레인지의 각 부품을 체결하는 점용접(spot welding)과 볼트 체결 점에 대해서는 체결 위치의 두 절점의 자유도를 연계(couple)시켰다. 접촉조건으로서 EPS와 전자레인지 사이에는 면대면 접촉(surface-to-surface contact)을, 전체 모델에 대하여 자체 접촉(self contact)을 부여하였다. 접촉조건을 부여하기 위해 부품들이 접하는 부분은 부품 간의 초기간격이 0.
접촉조건으로서 EPS와 전자레인지 사이에는 면대면 접촉(surface-to-surface contact)을, 전체 모델에 대하여 자체 접촉(self contact)을 부여하였다. 접촉조건을 부여하기 위해 부품들이 접하는 부분은 부품 간의 초기간격이 0.3 mm가 되도록 모델을 구성하고, 침투(penetration)조건을 정의하기 위하여 벌칙 계수(penalty factor)를 0.1로 설정하였다. 지면은 강체모델로 정의하고 모든 자유도를 구속하였다.
한편, 우측면 낙하시 발생하는 외판의 찍힘 변형과 상부면 및 바닥면 낙하시 발생하는 변압기 저판의 변형을 최소화하기 위하여 변압기 저판의 볼트 체결점을 추가하였다. 변압기 저판은 총 4개의 볼트로 다른 부품들과 결합되어 있다.
변압기 저판은 장축방향의 굽힘변형이 크게 발생하였다. 해석 결과에 의거하여 장축방향의 굽힘 변형을 최소화하는 설계와 주변 부품들로 전달되는 하중을 분산하기 위한 볼트 체결점 추가 설계를 도출하였다.

대상 데이터

4에 나타낸 각 부품의 유한요소들을 체결 조건을 고려하여 조립하여 구성하였다. 전체의 절점 수는 53639개, 쉘요소 수는 32461개, 솔리드요소 수는 11654개이다. 각종 강판재 부품은 탄소성 박판 쉘요소, 강성이 매우 높은 변압기는 강체 솔리드요소, EPS는 비선형 탄성 폼(foam) 솔리드요소, 플라스틱 사출물은 선형 탄성 박판 쉘 요소를 사용하여 모델링하였다.

이론/모형

2는 실험에 사용한 낙하실험 장비를 보여준다. 낙하충격 실험방법은 68 kg 이하의 전자제품 포장품을 대상으로 하는 ISTA Procedure 2A⁽³⁾ 규격에 따라 낙하높이 70 ㎝에서 실시하였다. 낙하충격 실험에서 가장 불리한 낙하방향은 6 면 중의 한 면이 바닥을 향하여 낙하하는 것이다.
낙하충격 해석에는 비선형 동적 유한요소해석 소프트웨어인 PAM-CRASH⁽¹⁰⁾를 사용하였다. 기존 설계안의 낙하충격 해석을 위한 유한요소 모델은 Fig.

성능/효과

16(a)와 (b)는 각각 기존설계안과 설계개선안에 대한 낙하충격 실험 후의 변압기 저판의 변형형상을 비교하여 나타낸다. 기존설계안에서 과도한 변형이 발생한 변압기 저판은 설계개선안의 시제품에서는 변형이 미소하게 발생하였는데, 이 미소한 변형 위치는 나사못 체결 위치에 국한되며 충분히 만족할 수 있는 것으로 판단되었다. 설계개선안 시작품에서는 기존설계안의 후면 낙하충격에서 발생했던 뒷판과 변압기 저판의 체결 위치의 변형이 나타나지 않았다.
면낙하충격 시에는 포장상자 외면과 지면이 면대면으로 접촉하여 충격이 발생하므로, 포장재인 골판지와 EPS는 실험과 해석결과에서 특별한 연구변형과 손상이 발생하지 않는 것으로 나타났다. 따라서 본 논문에서는 전자레인지 제품을 위주로 하여 해석과 실험 결과를 분석하고자 한다.
면낙하충격 해석결과, 모든 낙하방향에서 변압기 저판(transformer base plate)의 소성변형률이 높게 나타났다. 변압기 저판은 구성 부품들 중에서 가장 무거운 변압기를 지지하는 부품으로, 변압기에 저장된 운동에너지가 일차적으로 변압기 저판에 전달되기 때문에 변형이 가장 크게 발생하였다.
반발이 10 ms 이내 시점에서 발생하므로 1차 충격만을 고려한 해석 시간은 충분한 것으로 확인된다. 변압기 저판의 최대 소성변형률은 바닥면과 좌측면, 후면 낙하충격의 경우가 다른 면의 낙하충격에 비하여 상대적으로 높게 나타났다.
본 연구를 토대로 하여 설계개선안 시작품을 제작하여 낙하충격 실험을 실시한 결과, 해석에 의한 예측과 실험결과가 잘 일치하였으며 기존설계안에서 나타나던 주요 부위의 영구변형이 제거되었다.
설계개선안 시작품에서는 기존설계안의 후면 낙하충격에서 발생했던 뒷판과 변압기 저판의 체결 위치의 변형이 나타나지 않았다. 이와 같이 설계개선안 시작품의 낙하충격 실험을 통하여 기존설계안에서 나타났던 주요 부위의 영구변형이 제거되었음을 확인하였다.
0321보다 오히려 약간 크게 나타났으나, 최대값을 나타내는 영역은 단지 볼트 체결을 추가한 점선 원 위치에서만 국부적으로 나타났다. 이와 같이 설계개선안에 대한 바닥면과 상부면 낙하충격 해석결과는 소성변형률 및 변형영역이 기존설계안보다 현저히 감소한 것으로 나타났다.

후속연구

반면에 해석적 방법에서는 각각의 낙하방향에 대하여 독립적으로 해석을 수행할 수 있으므로 취약한 낙하방향 및 취약부, 그리고 변형원인을 보다 쉽게 예측할 수 있다. 따라서 가전제품 포장품의 개발단계에서 본 연구에서 제시한 해석방법을 활용함으로써, 보다 효율적으로 취약부의 설계개선안을 도출할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전자제품의 낙하충격 문제는 어떻게 나눌 수 있는가?	전자제품의 낙하충격 실험은 규정된 높이에서 제품을 자유낙하시켜 파손 여부를 확인하기 위하여 실시한다. 전자제품의 낙하충격 문제는 유통 과정에서 발생하는 포장상태의 낙하충격과 사용 중에 발생하는 제품 자체의 직접적인 낙하충격으로 나눌 수 있다. 낙하충격이 발생하는 빈도는 휴대전화기, 노트북, 휴대용 카세트 등과 같이 가벼운 전자제품일 경우에는 사용 중에 사용자 부주의로 발생하는 낙하충격이 대부분이며, 냉장고, 대형 TV, 세탁기, 전자레인지(microwave oven) 등과 같은 무거운 제품의 경우에는 사용 중에 발생하는 낙하충격보다는 포장품을 운송하는 과정에서 발생하는 낙하충격이 대부분이다.
	전자제품의 낙하충격 실험은 무엇을 확인하기 위한 실험인가?	전자제품의 낙하충격 실험은 규정된 높이에서 제품을 자유낙하시켜 파손 여부를 확인하기 위하여 실시한다. 전자제품의 낙하충격 문제는 유통 과정에서 발생하는 포장상태의 낙하충격과 사용 중에 발생하는 제품 자체의 직접적인 낙하충격으로 나눌 수 있다.
	유통 과정에서 발생하는 포장상태의 낙하충격 문제가 대부분인 경우는 무거운 제품 또는 가벼운 제품 중 무엇인가?	전자제품의 낙하충격 문제는 유통 과정에서 발생하는 포장상태의 낙하충격과 사용 중에 발생하는 제품 자체의 직접적인 낙하충격으로 나눌 수 있다. 낙하충격이 발생하는 빈도는 휴대전화기, 노트북, 휴대용 카세트 등과 같이 가벼운 전자제품일 경우에는 사용 중에 사용자 부주의로 발생하는 낙하충격이 대부분이며, 냉장고, 대형 TV, 세탁기, 전자레인지(microwave oven) 등과 같은 무거운 제품의 경우에는 사용 중에 발생하는 낙하충격보다는 포장품을 운송하는 과정에서 발생하는 낙하충격이 대부분이다.

참고문헌 (10)

ASTM D3332, Standard Test Methods For Mechanical-Shock Fragility of Products Machines, American Society for Testing and Materials
ASTM D5276-98, Standard Test Method for Drop Test of Loaded Containers by Free Fall, American Society for Testing and Materials
ISTA Procedure 2A, Packaged-Products Weighing 150 lb(68 kg) or Less, International Safe Transit Association
Cho, W. J., Kim, H., Lee, C. S. and Lee, D. R., 2000, 'Drop-Impact Simulation of Micro Wave Oven,' HANPAM 2000 Users Conference in Korea, pp. 61-67
Lee, B. Y. and Koo, J. Y., 2005, 'Evaluation of Twisting Deformation of the Door Frame of a Microwave Oven by Transient Response Analysis,' Trans. Korean Soc. Mech. Engrs. A, Vol. 29, No. 9, pp. 1282-1288

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Lee, B. Y. and Koo, J. Y., 2006, 'Shape Optimal Design of the Door Frame of a Microwave Oven to Minimize Its Twisting Deformation,' Trans. Korean Soc. Mech. Engrs. A, Vol. 30, No. 8, pp. 1016-1023

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Lee, B. Y., Koo, J. Y. and Kim, W. J., 2006, 'Shape Optimal Design to Minimize Dynamic Twisting Deformation of the Door Frame of a Microwave Oven,' Trans. Korean Soc. Mech. Engrs. A, Vol. 30, No. 11, pp. 1479-1485

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Kim W. J., Son, B. S. and Lee, B. Y., 2008, 'Clamping Analysis and Design of a Package of a Microwave Oven,' J. of Korean Soc. Precision Eng., Submitted
KS A 1513, Korean Standards Association, 1996
PAM-SYSTEM, Reference Manual, PAM System International, 2002

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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