대형 드럼세탁기의 낙하 충격에 대한 포장재의 동적 거동 분석을 수행하였다. 해석에는 충격 해석에 널리 쓰이고 있는 LS-DYNA를 사용하였으며, 자유 낙하 시의 충격 가속도와 유효 응력, 그리고 고속 카메라를 통한 포장재 압축 변형 비교를 통해 해석 결과의 신뢰성을 검증하였다. 완충 특성 및 포장재 구조 에 대한 파라미터 분석을 통해 기존 포장 구조에 대한 설계 개선안을 도출하였으며, 유통 시험을 통해 유효성을 검증하였다. 본 연구에서 사용한 해석 기법 및 분석 방법 등을 통해, 향후 드럼 세탁기의 완충 성능 및 재료비 개선에 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
대형 드럼세탁기의 낙하 충격에 대한 포장재의 동적 거동 분석을 수행하였다. 해석에는 충격 해석에 널리 쓰이고 있는 LS-DYNA를 사용하였으며, 자유 낙하 시의 충격 가속도와 유효 응력, 그리고 고속 카메라를 통한 포장재 압축 변형 비교를 통해 해석 결과의 신뢰성을 검증하였다. 완충 특성 및 포장재 구조 에 대한 파라미터 분석을 통해 기존 포장 구조에 대한 설계 개선안을 도출하였으며, 유통 시험을 통해 유효성을 검증하였다. 본 연구에서 사용한 해석 기법 및 분석 방법 등을 통해, 향후 드럼 세탁기의 완충 성능 및 재료비 개선에 효과적으로 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
The analysis of the dynamic behavior of the packaging of a drum washing machine has been carried out under the drop impact conditions. LS-DYNA software is used for performing the finite element analysis, and the validations are performed by comparing with the impact acceleration, effective stress an...
The analysis of the dynamic behavior of the packaging of a drum washing machine has been carried out under the drop impact conditions. LS-DYNA software is used for performing the finite element analysis, and the validations are performed by comparing with the impact acceleration, effective stress and deformation of cushioned package with high-speed camera during free drop test. By analyzing the cushion characteristics and the design parameters of the original packaging, a packaging with an improved design is developed, and this design is validated on the basis of the results of the distribution test which consists of drop test, vibration test, stacking test, squeez test and so on. The drop impact simulation and analysis methods developed in this study can be adopted to successfully improve the cushioning provided by the packaging and to reduce the cost involved in developing new packaging for drum washing machines.
The analysis of the dynamic behavior of the packaging of a drum washing machine has been carried out under the drop impact conditions. LS-DYNA software is used for performing the finite element analysis, and the validations are performed by comparing with the impact acceleration, effective stress and deformation of cushioned package with high-speed camera during free drop test. By analyzing the cushion characteristics and the design parameters of the original packaging, a packaging with an improved design is developed, and this design is validated on the basis of the results of the distribution test which consists of drop test, vibration test, stacking test, squeez test and so on. The drop impact simulation and analysis methods developed in this study can be adopted to successfully improve the cushioning provided by the packaging and to reduce the cost involved in developing new packaging for drum washing machines.
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문제 정의
본 연구에서는 대형 드럼세탁기에 적용되는 포장재의 완충 특성 분석과 낙하 충격 해석을 통해 보다 효율적인 완충 구조를 찾고자 하였다. 국부적인 위치에서의 충격 가속도, 유효 응력 및 초고속 카메라를 통한 포장재 변형 거동 비교, 유통환경 시험 검증 등으로 신뢰성 있는 해석 결과를 얻고자 하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 기존의 여러 분석 기법들을 좀더 체계적이고 구체적으로 비교 검증 함으로써 신뢰성 있는 해석 기법을 마련하고자 하였다.
본 연구에서는 대형 드럼세탁기에 적용되는 포장재의 완충 특성 분석과 낙하 충격 해석을 통해 보다 효율적인 완충 구조를 찾고자 하였다. 국부적인 위치에서의 충격 가속도, 유효 응력 및 초고속 카메라를 통한 포장재 변형 거동 비교, 유통환경 시험 검증 등으로 신뢰성 있는 해석 결과를 얻고자 하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
본 연구에서는 드럼 세탁기 포장 제품을 대상으로, 해석 및 분석 결과의 신뢰성을 높이기 위해 기존의 낙하 충격 검증 외에 유효 응력의 추가 검증, 고속 촬영된 포장재 변형에 대한 구체적 데이터 분석 등을 수행하였다. 포장재의 완충 구조 분석을 통해 36cm 낙하에서 제품 손상이 없는 포장 구조 개선안을 도출 하였으며, 유통 시험 검증을 통해 개선 효과를 확인 하였다.
본 연구에서는 포장재의 완충 특성을 이론적인 근거에 의해 분석하여 개선하고자 하였다.
제안 방법
(2) 제품과 접촉하는 완충 포장재의 면적을 1,700 ㎠에서 1,200 ㎠ 로 최적화 하였다. 낙하 시험 검증 결과, 완충 포장재의 접촉 면적이 1,200㎠일 때 충격 가속도는 42.
상대적으로 중요도가 떨어지는 제품 내부의 부품들은 계산 시간을 줄이기 위해 단순화하여 모델링하였다. Frame 과 Tub 는 고정 Bolt 가 체결 되는 부위와 하부 포장재와 맞닿는 부위는 자세하게 모델링 하였으나, 그 외의 부위는 단순화하여 모델링 하였다. 동일한 사유로 측면 Cushion 과 골판지, Box 등은 모델링을 생략하였다.
17 은 하부 포장재의 Rib 구조를 보여준다. Rib 높이는 기존의 20 ㎜부터 48 ㎜, 75 ㎜까지 순차적으로 변경하면서 해석을 수행하였다.(9, 10)
셋째, EPS 압축 변위를 고속 촬영하여 시뮬레이션과 비교하였다. 기존 연구(7)에서는 포괄적인 거동 현상 확인에만 머물렀으나, 본 연구에서는 촬영된 영상으로부터 포장재의 압축 변위를 수치적으로 분석하였으며, 이를 통해 하부 포장재의 Frame 을 완충하는 부분과 Tub 를 완충하는 부분의 압축 변위 불균형에 따른 취약 부위와의 상관관계를 분석하였다.
낙하 방향은 제품 특성 및 낙하시험 규격을 통해 Bottom 방향으로 설정하였다. 해석 시간은 낙하 충격으로 EPS 가 변형 되었다가 원상 복구되는 구간까지 15msec 동안 수행하였다.
높이 h 에서의 낙하충격 해석을 위하여 바닥면을 강체 벽(rigid wall)으로 모델링하여 제품과 접촉을 정의하였다.
둘째, 본 연구에서는 추가적으로 실제품의 낙하 실험 시 변형이 많이 발생하는 특정 위치의 유효 응력 결과와 해석 결과를 비교함으로써 결과의 신뢰성을 높였다.
56 kgf/㎠이다. 따라서, 현재 완충 포장재의 접촉 면적이 과다하게 설계되어 있으므로 Fig. 15 와 같이 완충 면적을 1,500 ㎠, 1,200 ㎠, 1,000 ㎠으로 줄여가며 최적의 완충 면적을 찾기 위한 해석을 수행하였다.(9,10)
상대적으로 중요도가 떨어지는 제품 내부의 부품들은 계산 시간을 줄이기 위해 단순화하여 모델링하였다. Frame 과 Tub 는 고정 Bolt 가 체결 되는 부위와 하부 포장재와 맞닿는 부위는 자세하게 모델링 하였으나, 그 외의 부위는 단순화하여 모델링 하였다.
셋째, EPS 압축 변위를 고속 촬영하여 시뮬레이션과 비교하였다. 기존 연구(7)에서는 포괄적인 거동 현상 확인에만 머물렀으나, 본 연구에서는 촬영된 영상으로부터 포장재의 압축 변위를 수치적으로 분석하였으며, 이를 통해 하부 포장재의 Frame 을 완충하는 부분과 Tub 를 완충하는 부분의 압축 변위 불균형에 따른 취약 부위와의 상관관계를 분석하였다.
완충 포장재와 제품과의 접촉은 LS-DYNA 에서 지원하는 Automatic Single Surface Contact 을 사용하여 자동적으로 처리되도록 하였다. 완충 포장재의 재료는 발포 배율 40 배의 EPS 로서 응력-변형률 곡선은 Fig.
7 은 Strain gage 와 가속도계의 부착 위치를 나타내고 있다. 포장재의 완충 성능을 측정하기 위해 제품 하부의 강성이 강한 부위에 가속도계를 부착하여 충격 가속도를 측정 하였으며, Strain gage는 고정 Bolt 부근의 변형이 많이 발생하는 Frame에 부착하여 유효 응력을 측정하였다.
해석 검증 방법은 첫째, 실제품의 낙하 실험으로부터 구한 특정 위치의 충격 가속도 결과를 해석 결과와 비교함으로써 제품의 국부적인 위치에서 결과의 신뢰성을 검증하였다.
낙하 방향은 제품 특성 및 낙하시험 규격을 통해 Bottom 방향으로 설정하였다. 해석 시간은 낙하 충격으로 EPS 가 변형 되었다가 원상 복구되는 구간까지 15msec 동안 수행하였다.
해석 시간을 줄이기 위하여 36cm 높이에서 자유낙하 하였을 때의 속도를 초기속도로 부여 하였다.(1,4,7,9,11)
대상 데이터
제품은 대부분 Shell 요소로 모델링 되었으며, 일부 Spring, Damper, Rigid Bar 요소 등을 사용하였다. 11,439 개의 절점과 29,333 개의 요소가 사용되었다.
KYOWA(社) KFG 모델의 3 축 로제트 게이지 ( Gage Length : 1mm, Resistance : 120Ω)로 측정하였다.
PCB(社) 339A30 모델의 3 축 가속도계(Range :±500g, Size : 10x10x10 mm)를 사용하여 측정하였다.
2 에서 관심 부위인 완충 포장재는 압축에 의한 변형을 표현하는데 적합한 8 절점을 갖는 brick 요소와 수치해석 상의 정확도에 영향을 미치지 않는 범위에서 삼각기둥 요소를 사용 하였다. 재질은 Crushable form 으로 설정하였으며 23,770 개의 절점과 17,957 개의 요소로 구성되었다.(1,4,9,11)
제품은 대부분 Shell 요소로 모델링 되었으며, 일부 Spring, Damper, Rigid Bar 요소 등을 사용하였다. 11,439 개의 절점과 29,333 개의 요소가 사용되었다.
해석에는 충격 해석에 가장 널리 쓰이고 있는 LS-DYNA 를 사용하였다. LS-DYNA 같은 외연적(Explicit) 해석은 시간적분에 대해 중앙 차분법을 사용하므로
성능/효과
(1) 낙하 해석 결과는 충격 가속도, 유효 응력, 포장재 압축 변위 등의 실험 결과와 잘 일치하는 것으로 나타났다. 하지만 제품에 대한 모델링 단순화로 인해 충격 가속도의 해석 오차가 약 17%로 높게 나타났다.
(3) 드럼 세탁기 완충 구조의 특성으로 인해, 낙하 시 Frame 과 Tub 부위의 포장재 압축 변위 불균형이 고정 Bolt 주변의 Frame 변형에 영향을 주고 있음을 알 수 있었다.
(2) 제품과 접촉하는 완충 포장재의 면적을 1,700 ㎠에서 1,200 ㎠ 로 최적화 하였다. 낙하 시험 검증 결과, 완충 포장재의 접촉 면적이 1,200㎠일 때 충격 가속도는 42.2 G 로 기존 대비 28% 개선 되었음을 알 수 있었다.
이상에서 알 수 있듯이 드럼 세탁기는 하부 포장재가 Tub 를 지지하고 있지만, 무거운 Tub 를 견고하게 붙잡고 있는 곳은 고정 bolt 뿐이다. 때문에 낙하 시 고정 Bolt 와 고정 Bolt 부위의 Frame 과 Tub 등에서 많은 문제가 발생하고 있다.
본 연구에서는 드럼 세탁기 포장 제품을 대상으로, 해석 및 분석 결과의 신뢰성을 높이기 위해 기존의 낙하 충격 검증 외에 유효 응력의 추가 검증, 고속 촬영된 포장재 변형에 대한 구체적 데이터 분석 등을 수행하였다. 포장재의 완충 구조 분석을 통해 36cm 낙하에서 제품 손상이 없는 포장 구조 개선안을 도출 하였으며, 유통 시험 검증을 통해 개선 효과를 확인 하였다.
16 에 그래프로 표시하였다. 포장재의 접촉 면적이 1,200 ㎠일 때 완충 성능이 최적으로 나타났으며, 충격 가속도는 46.1G 로 기존 대비 약 33% 개선되는 것으로 해석되었다. 이 때의 정적 응력은 약 0.
후속연구
(4) 본 해석 결과를 통해 포장 재료비의 절감도 가져왔으며, 향후 드럼 세탁기 개발 시 포장재 설계 가이드로 활용 가능할 것으로 판단된다.
하지만 제품에 대한 모델링 단순화로 인해 충격 가속도의 해석 오차가 약 17%로 높게 나타났다. 해석의 정확도를 높이기 위한 모델링의 상세화는 항상 개발 납기와 상충되기 때문에 모델링을 단순화하면서 정확도를 높일 수 있는 기법의 추가 검토가 필요할 것으로 보인다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
전자 제품의 완충 포장재 중 가격 대비 완충 성능이 우수하여 널리 사용되는 것은 무엇인가?
특히, 유통 과정 중 제품이 받는 낙하 충격은 제품 파손에 가장 큰 위험 요소이며, 이를 예방하기 위해 제품에 완충 포장을 실시하고 있다. 전자 제품의 완충 포장재로는 가격 대비 완충 성능이 우수한 EPS(Expanded Polystyrene, 발포 폴리스티렌)가 널리 사용되고 있다.
유통 과정 중 제품 파손에 가장 큰 위험 요소는 무엇인가?
전자 제품은 생산에서부터 소비자에게 전달 되기까지 복잡한 유통 경로를 거친다. 특히, 유통 과정 중 제품이 받는 낙하 충격은 제품 파손에 가장 큰 위험 요소이며, 이를 예방하기 위해 제품에 완충 포장을 실시하고 있다. 전자 제품의 완충 포장재로는 가격 대비 완충 성능이 우수한 EPS(Expanded Polystyrene, 발포 폴리스티렌)가 널리 사용되고 있다.
대형 전자 제품들은 신규 모델이 개발되더라도 기존의 포장재를 공용으로 사용할 수 있도록 제품 개발이 이루어지고 있는데 이에 따른 어려움은 무엇인가?
요즘은 설계 표준화 및 공용화가 일상화 되면서 세탁기, 냉장고 등의 대형 전자 제품들은 신규 모델이 개발되더라도 기존의 포장재를 공용으로 사용할 수 있도록 제품 개발이 이루어 지고 있다. 따라서, 초기 모델에서 낙하 충격을 효과적으로 완충할 수 있도록 설계되지 않으면 이 후에 포장재가 공용으로 사용되는 신규 모델을 개발 할 때마다 유통 시험에서 시행 착오와 납기 지연 등의 어려움을 반복적으로 겪게 된다.
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