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문제 정의
- 본 논문에서는 파이로 충격 모사 시험 장치 매개변수에 따른 SRS를 분석하였다. 이론적 접근을 위해 금속 충돌 조건을 이용하여 중거리장 파이로 충격 환경을 모사하고 Hertzian 접촉 이론식과 충격 대상체의 모드(Modal) 특성을 통하여 금속-금속 충돌 조건에서의 SRS에 영향을 미치는 변수들을 선정하였다.
제안 방법
- 시험 장치 제작에 앞서, 동일한 하중이력에 대한 공진 봉 형상에 따른 SRS의 변화를 확인하기 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 MSC. NASTRAN/PATRAN을 이용하여 충격 하중에 대한 과도응답 해석(SOL 109)을 수행하였다. 유한요소 모델은 Fig.
- SRS에 영향을 미치는 주요 변수로는 공진 봉의 길이 및 질량, 밀도, 충격체의 질량과 초기 충돌 속도로 나타났으며, 공진 봉 형상에 관한 SRS 경향 분석과 하중 조건에 따른 SRS 경향 분석은 각각 유한요소해석과 실제 충격실험을 통해 분석하였다.
- 3과 같으며, 공진 봉 단면의 중심에 길이 방향으로 충격하중을 부가하였다. 경계조건은 자유-자유 조건으로 하였으며, 가속도응답은 충격원으로부터 길이 방향으로 200 mm 떨어진 지점을 계산하였다.
- 공진 봉의 질량을 바꾸기 위해 Table 2와 같이 길이 1200 mm, 두께 20 mm, 폭 70 mm의 공진 봉을 기준으로 공진 봉의 두께와 길이에 따른 해석을 수행하였다. 유한요소해석 조건은 Table 3과 같다.
- 본 논문에서는 Hertzian 접촉 이론식, 충격 대상체의 모드 특성을 통하여 SRS에 영향을 미치는 주요 변수를 확인하고 유한요소해석과 실험을 통해 변수에 따른 SRS의 경향을 분석하였다.
- 본 논문에서는 Hertzian 접촉 이론식, 충격체의 모달 특성으로부터 SRS에 영향을 미치는 변수들―봉의 길이 및 질량, 밀도, 충격체 질량 및 초기 충돌 속도, 충격체의 재질, 앤빌(Anvil)의 재질―을 주요 변수로 하여 이러한 변수들이 SRS에 미치는 영향에 대하여 실험과 해석을 통해 비교분석 하였다.
- 상용 유한요소해석 및 진자식 금속 충돌 시험 장치를 이용한 실험을 통해 매개변수에 따른 SRS의 경향을 비교·분석하여 소형 전장품에 대한 파이로 충격 시험의 정확한 요구조건에 부합하는 시험장치 설계와 주요 시험변수 선정에 활용할 수 있는 방법에 대하여 고찰하였다.
- 본 논문에서는 파이로 충격 모사 시험 장치 매개변수에 따른 SRS를 분석하였다. 이론적 접근을 위해 금속 충돌 조건을 이용하여 중거리장 파이로 충격 환경을 모사하고 Hertzian 접촉 이론식과 충격 대상체의 모드(Modal) 특성을 통하여 금속-금속 충돌 조건에서의 SRS에 영향을 미치는 변수들을 선정하였다. 상용 유한요소해석 및 진자식 금속 충돌 시험 장치를 이용한 실험을 통해 매개변수에 따른 SRS의 경향을 비교·분석하여 소형 전장품에 대한 파이로 충격 시험의 정확한 요구조건에 부합하는 시험장치 설계와 주요 시험변수 선정에 활용할 수 있는 방법에 대하여 고찰하였다.
- 파이로 충격 시험을 위해 실제 파이로 장치를 이용하는 것이 가장 이상적이나 안전성, 시험의 반복성 등의 이유로 파이로 충격 환경 특성 구분에 따라 파이로 충격을 모사하여 실험을 수행한다. 그중 중거리장(Mid-Field) 환경의 경우, 금속 충돌 장치를 이용하여 파이로 충격을 모사한다.
대상 데이터
- 공진 봉의 길이는 해석 결과를 바탕으로 둔치 주파수가 2,000 Hz 부근에서 발생하고 가속도의 크기 요구조건을 만족할 수 있는 길이 1200 mm로 두께와 너비는 각각 20 mm, 70 mm로 제작하였다.
- 충격 실험에서 직접적인 충격으로 인한 공진 봉의 손상을 막기 위하여 공진 봉의 충격면 끝단에 앤빌을 부착하였다. 또한 앤빌의 재료에 따라 하중이력이 변하기 때문에 이러한 하중 이력 변화가 SRS에 미치는 영향을 알아보기 위하여 강철(Steel), 황동(Brass), 구리(Copper) 세 가지 재료로 앤빌을 제작하여 시험에 사용하였다.
- 실험 장치는 충격량을 조절하기 위하여 Fig. 8과 같이 실험 대상 구조물을 장착하는 알루미늄 프레임과 진자의 각도를 조절하고 회전운동을 지지하는 서포트 베어링(Support Bearing), 진자의 무게의 영향을 줄이기 위한 길이 970 mm의 복합재 샤프트(Shaft), 그리고 무게 추를 달아 질량을 조절할 수 있는 충격체(Impactor)로 구성된 진자식 가진장치를 이용하였다.
- 충격체는 Fig. 9와 같이 추가적인 무게 추를 부착하여 질량을 변경할 수 있도록 하였고, 충격하중이력을 취득하기 위하여 강철재질의 반구형 팁(Tip)에 PCB사의 208C05 하중센서를 부착하였다. 데이터 취득 장치에 대한 제원은 Table 6과 같다.
- 파이로 충격 모사 실험의 충격 조건에 따른 SRS를 분석하기 위해 대상 구조물을 Fig. 10과 같이 알루미늄 6061 재질의 직사각형 단면의 공진 봉을 제작하였다.
데이터처리
- 시험 장치 제작에 앞서, 동일한 하중이력에 대한 공진 봉 형상에 따른 SRS의 변화를 확인하기 위해 상용 유한요소해석 프로그램인 MSC. NASTRAN/PATRAN을 이용하여 충격 하중에 대한 과도응답 해석(SOL 109)을 수행하였다.
- 충격 실험으로부터 취득한 가속도 데이터는 LabView 프로그램을 통해 PC에 저장되고, 공개된 Matlab SRS코드의 Kelly-Richman 알고리즘으로 가속도에 대한 SRS를 계산 하였다.
이론/모형
- Hertzian 접촉 이론은 비선형 문제이므로, 수치적분방법을 이용하여 해를 구한다. 이를 위해 주로 이용되는 방법은 Runge-Kutta 방법으로, 충격체와 충격 대상체의 초기 변위(u1(0)) 및 초기 속도(#)의 초기 조건이 필요하다.
- [6]은 Bernoulli Approach를 이용하여 면내 충격 하중 조건에서의 공진 판의 하중이력과 가속도를 예측하고, 이를 SRS로 계산하여 실험과 비교하였다. 특히 금속 충돌 시험 장치에서의 충격 문제를 Hertzian 접촉 이론을 이용하여 하중이력을 계산하였다. Hertzian 접촉 이론은 충돌하는 물체 사이에서 발생하는 하중을 계산하는데 사용되는 방법이며, 충돌하는 물체의 형상과 재질로 나타내어지는 국부 강성(Local Stiffness, k)과 두 물체간의 상대변위 차의 곱으로 나타내어진다.
성능/효과
- 5와 Table 4와 같다. 공진 봉 길이에 대한 해석 결과, 공진 봉의 1차 모드 주파수와 SRS의 둔치 주파수가 유사함을 확인하였다. 따라서 공진 봉의 길이가 증가함에 따라 공진 봉의 1차 모드 주파수가 감소하여 SRS의 둔치 주파수가 낮아짐을 확인하였다.
- 6과 같다. 공진 봉의 두께에 대한 해석 결과, 두께 증가에 따라 공진 봉의 단면적이 증가하여 공진 봉의 질량 증가뿐만 아니라 동일한 충격력에 의한 응력파의 크기가 감소하여 전체 주파수 영역에서 SRS의 가속도가 감소하는 것으로 나타났다. 그러나 둔치 주파수의 변화나 SRS의 형태는 공진 봉의 두께에 거의 영향을 받지 않는 것으로 나타났다.
- 공진 봉의 질량에 따른 SRS 가속도의 영향을 알아보기 위해 공진 봉의 두께에 대해 질량은 동일하게 하고 공진 봉의 밀도를 Table 5와 같이 조절하여 해석한 결과, Fig. 7과 같이 SRS의 둔치 주파수가 변화하지만 둔치 주파수 전후로 가속도 크기가 단면적의 영향과 밀도의 영향으로 다른 거동을 보임을 알 수 있었다.
- 공진 봉 길이에 대한 해석 결과, 공진 봉의 1차 모드 주파수와 SRS의 둔치 주파수가 유사함을 확인하였다. 따라서 공진 봉의 길이가 증가함에 따라 공진 봉의 1차 모드 주파수가 감소하여 SRS의 둔치 주파수가 낮아짐을 확인하였다.
- 본 연구를 통해 공진 봉의 형상을 조절함으로써 원하는 주파수 대역에서 둔치 주파수가 발생하도록 장치를 설계 할 수 있으며, 충격체의 질량과 속도의 조절과 앤빌 재질의 적절한 선정을 통해 파이로 시험 요구조건의 가속도 환경을 보다 정확하게 모사하는 것이 가능함을 확인하였다. 이러한 결과는 소형 위성 전장품과 같이 정밀도가 요구되는 파이로 충격 시험 및 장치설계 그리고 파이로 충격 시험 시 주요 시험 변수를 선정하는 데에 활용되어 시험 기간 단축 및 비용 감소의 효과를 가져올 것으로 기대된다.
- 충격체 속도에 따른 SRS는 충격체 속도가 증가함에 따라 SRS의 가속도 크기가 증가하는 것으로 나타났으며 SRS의 형상은 충격체의 속도에 관계없이 동일하게 나타났다. 따라서 충격체 속도의 조절을 통해 전 영역에 걸쳐 SRS의 가속도를 증감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 13이다. 충격체 속도에 따른 하중이력은 충격체 속도가 증가함에 따라 최대하중이 증가하며, 가진 시간은 약 0.2 msec로 나타났다
- 충격체 질량에 따른 SRS의 가속도의 크기는 일정 구간까지 충격체 질량이 증가함에 따라 증가하는 것으로 나타났으나, 차단 주파수 구간 이후의 가속도 크기는 충격체 질량이 증가하더라도 상대적으로 작은 질량의 경우보다 작게 나타났다.
- 충격체 질량에 따른 실험 결과는 하중 이력은 Fig. 14, SRS는 Fig. 16로, 충격체 질량에 따른 하중이력은 충격체 질량이 증가함에 따라 최대 하중과 가진 시간 모두 증가하는 것으로 나타났다.
- 15와 Table 9와 같다. 하중이력의 주파수 응답 최대치로부터 약 10 dB 떨어진 지점의 주파수를 차단 주파수(Cut-off Frequency)로 정할 경우, 충격체 질량이 증가함에 따라 충격체 질량비의 0.6 제곱 크기로 반비례하여 감소하는 것으로 나타났다.
- 17에서와 같이 달라진다. 하중이력의 파형 및 최대 하중은 앤빌의 재질에 따라 근소하게 차이가 났으며, 가진 시간은 비교적 일정한 것으로 나타났다.
후속연구
- 따라서 충격체 질량의 조절을 통해 SRS의 영역별 가속도 조절이 가능할 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통해 공진 봉의 형상을 조절함으로써 원하는 주파수 대역에서 둔치 주파수가 발생하도록 장치를 설계 할 수 있으며, 충격체의 질량과 속도의 조절과 앤빌 재질의 적절한 선정을 통해 파이로 시험 요구조건의 가속도 환경을 보다 정확하게 모사하는 것이 가능함을 확인하였다. 이러한 결과는 소형 위성 전장품과 같이 정밀도가 요구되는 파이로 충격 시험 및 장치설계 그리고 파이로 충격 시험 시 주요 시험 변수를 선정하는 데에 활용되어 시험 기간 단축 및 비용 감소의 효과를 가져올 것으로 기대된다.
- 향후 탑재 장비를 모사할 수 있는 집중 질량이 파이로 충격 모사 시험 장치에 부착된 경우의 SRS 특성에 대한 연구와 제한된 충격체 질량 및 속도에 대한 충격 시험 하중 데이터를 활용한 임의의 충격 하중 이력을 예측하여 SRS 요구조건에 맞는 파이로 시험 조건을 제시할 수 있는 방법에 대한 연구를 수행할 계획이다.
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