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문제 정의
- 본 연구에서는 기존의 평면 형상의 캐비닛 측면을 곡면 형상으로 변화시켜 세탁기의 고유 진동 수를 증가시키는 방법을 제안하였다. 캐비닛 측면 형상 외에 비드 형상, 비드 깊이 등 다른 설계인자들의 영향도 확인하였다.
제안 방법
- 2.1절에서 언급한 바와 같이, 캐비닛 측면의 곡면 형상에 의하여 고유 진동수가 증가하는 점에 착안하여, 캐비닛 측면의 형상에 따른 제품의 고유진동수 변화를 분석하였다. Fig.
- 전면 커버는 세탁기의 조작부와 세탁물을 인출할 수 있는 도어 등으로 구성되며, 캐비닛의 전면에 조립된다. MSC NASTRAN 2011 기반 부품별 유한 요소 모델을 만든 후 조립하여 전체 모델을 구성하였다. 모드 해석과 실제 부품의 모드 시험 (Modal Test)을 비교하여 모델의 정확성을 검증하였다.
- 검증된 부분 모델들을 이용하여 세탁기의 모델을 구성하였다. 터브가 캐비닛에 스프링으로 매달려 있으며, 댐퍼를 이용하여 캐비닛 베이스에 지지되는 구조이다.
- 드럼은 원통으로 프레스 성형된 부품에 스파이더가 볼트로 조립 되며, 축은 스파이더에 삽입된다. 드럼은 4 절점 사각형 요소 (4 Node Quad Shell Element), 스파이더는 4 절점 사면체 요소 (4 Node Tetra Element), 축은 8 절점 육면체 요소 (8 Node Hexa Element) 를 적용하였다. 각 요소의 크기는5mm로 동일하다.
- 터브가 캐비닛에 스프링으로 매달려 있으며, 댐퍼를 이용하여 캐비닛 베이스에 지지되는 구조이다. 모델의 검증을 위해, 제품의 모드 해석과 모드 시험 결과를 비교하였다. 모드 시험은 제품을 수평을 맞춰 설치하고 제품 후면 상측 모서리를 충격 해머로 가진하면서 캐비닛 좌우측면 각 25개 지점의 가속도를 계측하였다.
- 모델의 검증을 위해, 제품의 모드 해석과 모드 시험 결과를 비교하였다. 모드 시험은 제품을 수평을 맞춰 설치하고 제품 후면 상측 모서리를 충격 해머로 가진하면서 캐비닛 좌우측면 각 25개 지점의 가속도를 계측하였다. 시험결과는 1차가 30.
- MSC NASTRAN 2011 기반 부품별 유한 요소 모델을 만든 후 조립하여 전체 모델을 구성하였다. 모드 해석과 실제 부품의 모드 시험 (Modal Test)을 비교하여 모델의 정확성을 검증하였다.
- 유한 요소 모델의 검증을 위해, 캐비닛의 모드 시험을 수행하였다. 캐비닛 어셈블리를 공중에 매단 상태로 캐비닛의 후면 상측 모서리부를 충격 해머로 가진하였고, 캐비닛의 좌우 측면 각 25개 지점의 가속도를 계측하였다.
- 세탁기의 고유진동수를 예측하기 위한 유한요소 모델은 실험치와 10% 이내로 일치함을 확인하였다. 유한요소 모델과 실험 계획법을 이용하여, 선택된 설계인자들이 드럼 세탁기의 강성에 미치는 영향을 분석하였다. 캐비닛 측면 형상이 세탁기의 고유진동수에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 전체 어셈블리 모델에 캐비닛 측면 형상을 반영하여, 6가지 경우별 모드 해석을 수행하였다. 각 경우별 1차 고유진동수를 Fig.
- 유한 요소 모델의 검증을 위해, 캐비닛의 모드 시험을 수행하였다. 캐비닛 어셈블리를 공중에 매단 상태로 캐비닛의 후면 상측 모서리부를 충격 해머로 가진하였고, 캐비닛의 좌우 측면 각 25개 지점의 가속도를 계측하였다. 시험 장비의 구성은 Fig.
- 본 연구에서는 기존의 평면 형상의 캐비닛 측면을 곡면 형상으로 변화시켜 세탁기의 고유 진동 수를 증가시키는 방법을 제안하였다. 캐비닛 측면 형상 외에 비드 형상, 비드 깊이 등 다른 설계인자들의 영향도 확인하였다.
- 캐비닛 측면의 최대 변형량은 디자인 변경 허용이 가능한 최대치(소비자가 인지 불가능한 수준)인 10 mm로 선정하였다. 캐비닛 측면의 모서리부를 영점으로 하여, 최대 변형부의 높이를 10 mm가 되도록 설계하였다.
- 터브는 나사로 결합되는 전면과 후면으로 구성되고, 후면에는 베어링 하우징이 삽입된다. 터브전면과 후면은 4 절점 사각형 요소 (4 Node Quad Shell Element), 베어링 하우징은 4 절점 사면체 요소 (4 Node Tetra Element) 를 적용하였다. 각 요소의 크기는 5 mm로 동일하다.
대상 데이터
- 2에 도시하였다. 유한 요소 모델은 4 절점 사각형 요소 (4 Node Quad Shell Element)를 사용하였고, 요소의 크기는 5 mm로 선택하였다. 각 부품별 물성치를 Table 1에 정리하였다.
- 10에 보인 것과 같이 총 6가지의 측면 형상을 검토하였다. 캐비닛 측면의 최대 변형량은 디자인 변경 허용이 가능한 최대치(소비자가 인지 불가능한 수준)인 10 mm로 선정하였다. 캐비닛 측면의 모서리부를 영점으로 하여, 최대 변형부의 높이를 10 mm가 되도록 설계하였다.
성능/효과
- 모드 시험 결과, 1차 고유진동수는 40.87 Hz, 2차는 71.18 Hz로 확인되었다. 모드 형상은 해석 결과와 동일하지만, 부품의 고유 진동수가 해석 모델보다 50% 이상 높게 나타남을 확인하였다.
- 모드 형상은 캐비닛 측면 변형을 반영하기 전과 후가 동일하다. 모드 해석 결과, 캐비닛 측면을 제품의 외측 방향으로 변형 시키는 경우가 제품의 고유진동수를 증가 시키는 데 가장 효과적인 방법임을 확인하였다.
- 1 Hz이다. 모드 해석으로 예측된 1차 고유진동수는 29.82 Hz, 2차는60.41 Hz으로 실험치와의 차이가 10% 이내 임을 확인하였다. 해석으로 얻어진 모드 형상을 Fig.
- 18 Hz로 확인되었다. 모드 형상은 해석 결과와 동일하지만, 부품의 고유 진동수가 해석 모델보다 50% 이상 높게 나타남을 확인하였다.
- 이 외에 캐비닛 비드의 형상과 비드의 성형 깊이를 늘리는 것도 유의한 인자로 확인되었다. 변경 전 1차 고유진동수가 29.82 Hz였던 드럼 세탁기를 캐비닛 측면 형상과 비드 형상 등의 최적 인자 조합 (Table 6. RUN 11)을 통하여45.35 Hz까지 52%를 증가시키는 것이 가능하다고 판단된다. 비드의 성형 방향은 제품의 강성에 영향이 없음을 확인하였다.
- 35 Hz까지 52%를 증가시키는 것이 가능하다고 판단된다. 비드의 성형 방향은 제품의 강성에 영향이 없음을 확인하였다.
- 상용 프로그램인 Minitab을 사용하여 Fig. 13과 같이 각 인자 별 평균치 분석을 진행한 결과, 캐비닛 측면의 곡면 방향이 고유진동수에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다.
- 세탁기의 고유진동수를 예측하기 위한 유한요소 모델은 실험치와 10% 이내로 일치함을 확인하였다. 유한요소 모델과 실험 계획법을 이용하여, 선택된 설계인자들이 드럼 세탁기의 강성에 미치는 영향을 분석하였다.
- 스캔 형상을 반영한 모드 해석 결과, 1차 고유 진동수는 37.87 Hz, 2차는 70.61 Hz로 확인되었다. 이에 따라 모드시험 결과와 예측치의 고유진동수차이는 10% 이내가 되어 해석 모델의 정확성이 검증되었다.
- 61 Hz로 확인되었다. 이에 따라 모드시험 결과와 예측치의 고유진동수차이는 10% 이내가 되어 해석 모델의 정확성이 검증되었다.
- 유한요소 모델과 실험 계획법을 이용하여, 선택된 설계인자들이 드럼 세탁기의 강성에 미치는 영향을 분석하였다. 캐비닛 측면 형상이 세탁기의 고유진동수에 매우 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 이 외에 캐비닛 비드의 형상과 비드의 성형 깊이를 늘리는 것도 유의한 인자로 확인되었다.
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