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신뢰성 물리학 분석 기반 함정탑재 PBA 신뢰성 설계에 대한 연구
A Study on Design for Reliability for the PBA of Warship based on Reliability Physics Analysis 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.12, 2019년, pp.535 - 545  

차종한 (LIG넥스원(주)) ,  박경덕 (LIG넥스원(주)) ,  이기원 (LIG넥스원(주)) ,  박병호 (LIG넥스원(주)) ,  김희언 (LIG넥스원(주)) ,  권형안 ((주)엑슬리트엣지)

초록
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함정 무기체계에 탑재되는 회로카드조립체(Printed Board Assembly, 이하 PBA)는 해양 함상이라는 가혹한 환경 조건에서 운용되기 때문에 임무 수행의 중요성과 정비의 어려움 등을 고려하여 높은 신뢰성 확보가 요구된다. 운용 중 PBA 고장 발생 시 신속한 수리부속 보급이 어렵고 임무수행에 영향을 미친다. 개발단계에서 신뢰성 시험이 시제품 제작 이후에 수행되며, 시험 수행을 위해 시간, 장소, 시료, 비용의 확보와 고장부위 식별 등에 많은 노력과 어려움이 따른다. 그리고 MIL-HDBK-217F 규격 등을 토대로 한 신뢰도 예측은 부품단위 고장률에 근거하고 있어 설계(PCB층/재질, 전자부품 배치/상호관계), 사용 환경과 방법, 접합부 구조와 특성(패드 크기/솔더 재질) 등 부품 외적인 고장요인을 고려하고 있지 않다. 이에 따라 본 연구에서는 고장물리(Physics of Failure, 이하 PoF) 기반 도구를 활용, 신뢰성 물리학 분석(Reliability Physics Analysis, 이하 RPA)을 수행하여 시제품 제작 전 열-기계적 측면의 신뢰성을 향상시키는 방안을 제시한다. RPA 수행과 적용을 통해 PBA의 특화된 다양한 고장메커니즘을 고려한 신뢰성 점검, 신뢰성 취약부위식별, 설계대안 도출, 설계반영 및 시험계획 수립 등 사전 검증을 수행하여 높은 신뢰성을 확보할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The PBA of ship weapon system should be installed and operated under harsh environmental conditions and so it should be highly reliable to endure the mission profiles during its entire lifetime. In the case of PBA failure during operation, rapid maintenance is highly likely to be difficult due to pr...

주제어

표/그림 (34)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 PoF 이론이 적용된 DFR Solutions사의 Sherlock 소프트웨어를 활용하여 RPA 기반 함정 탑재 PBA 신뢰성 설계방안을 제시한다. RPA 기반 신뢰성 설계를 수행하면 시제품 제작 전 PBA에 가해지는 실질적 환경부하 적용, 고장부위와 유형을 결정하는 고장메커니즘을 고려한 열-기계적 신뢰성 점검, 취약부위 식별, 설계변경에 이르는 일련의 과정을 단시간/저비용으로 반복 수행하여 충분한 사전 검증을 할 수 있다.
  • 국내에서도 자동차 및 IT 업계에서 RPA 기반 시험을 수행하고 있으며, 국내 무기체계에서는 운용 특성 상 지진 등에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 고장물리 기반 수중 매설형 PBA에 대한 신뢰성 설계 연구를 하였다[8]. 본 연구에서는 해양에서 임무를 수행하는 함정의 운용 환경 특성(열, 진동, 충격)을 고려한 신뢰성 물리학 기반 신뢰성 설계 연구를 한다.
  • 김근형(2018)등은 무기체계 신뢰도 예측 프로세스 현황과 후속군수지원 데이터 적용 방안에 대한 연구를 하였다[7]. 이 연구에서는 경험적 데이터 기반의 신뢰도 예측의 문제점 현황과 원인을 분석하였다. 그래서 후속군수 지원 단계에서 데이터를 축적하여 빅데이터 기반의 새로운 신뢰도 예측방법을 제안하였다.

가설 설정

  • 본 연구에서는 PBA 공정상 불량에 대해 신뢰성이 확보된 상태로 가정하고, PBA 물리적 특성 고장에 속하는 고장유형에 대하여 RPA를 수행한다.
  • 분석 대상 PBA의 신뢰성 목표는 함정탑재 장비의 통상적인 운용수명인 20년간 신뢰성 70 %로 설정하였다 [11,12]. 연간 임무수행 비율은 30 %, 그 외 70 %는 정박, 수리 등 비가동상태로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
신뢰성 시험은 어떤 어려움이 따르는가? 무기체계 구성품 신뢰성 검증방법인 신뢰성 시험은 시제품 제작 이후에 수행할 수 있을 뿐만 아니라 시험 수행을 위한 시간, 장소, 시료, 비용의 확보와 고장부위 식별 등에 어려움이 따른다. 시제품 제작 전 설계 단계에서는 MIL-HDBK-217F 등 규격에 의한 신뢰도 예측이 가능 하지만, 최하위 부품별 고장률을 단순 합산하기 때문에 PCB층과 재질, 전자부품 배치/상호관계, 열사이클링, 솔더 재질 특성 등 부품 외적인 고장요인을 고려하지 못한다.
함정탑재 PBA가 높은 신뢰성을 요구하는 이유는? 함정 무기체계는 출항 이후 해양 함상이라는 가혹한 조건 하에서 오랜 기간 임무를 수행한다. 함정탑재 PBA는 운용 중 고장 발생 시 수리부속 보급 등의 문제로 신속 정비가 어렵고, 임무 수행에 치명적인 영향을 끼칠 수 있어 높은 신뢰성이 요구된다. 또한, 신뢰성 점검은 개발 초기단계에 수행하면 Fig.
PBA를 대상으로 RPA를 수행하기 위해 어떤 설계 대안을 제시하였는가? 본 연구에서는 여러 고장요인에 따른 고장메커니즘이 반영된 Sherlock을 활용하여 함정 무기체계에 탑재되는 PBA를 대상으로 RPA를 수행하였다. 환경 프로파일을 정의하고, 물리적 특성에 속하는 고장 유형별 신뢰성 분석을 통해 신뢰성 취약점을 도출하였다. 또한 신뢰성 향상 방안을 식별, 적용하고 신뢰성 재분석을 통해 신뢰성 목표를 만족하기 위한 설계 대안을 제시하였다.
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참고문헌 (17)

  1. Randolph G. Bias and Deborah J. Mayhew, "Cost-Justifying Usability", Morgan Kaufmann Publishers, United States, pp. 23, 2005. 

  2. Jin-Woo Lee, Dae-Il Kwon, "Study on Shortening Reliability Test of Lithium-Ion Battery Using PHM Technology", Journal of the KSME, 59(1), pp.38-40, Jan, 2019. Available From: http://www.dbpia.co.kr/articleNODE07591210 

  3. Seung Hyuk Choi, "Flight Environment Simulation Test for Reliability Improvement of Precise Guided Missile", Journal of the Korean Society for Precision Engineering, 33(10), pp.781-787, Oct, 2016. DOI: https://doi.org/10.7736/kspe.2016.33.10.781 

  4. Seung Yong Choi, "Reliability Test Method and Future Direction of Electronic Package", Journal of the KSME, 48(5), pp.34-38, May, 2008. Available From: http://www.dbpia.co.kr/articleNODE01000803 

  5. Huisung Yun, DaUn Jeong, Eunhak Lee, Taewon Kang, Seunghun Lee, Manog Hur, "Methodologies of Duty Cycle Application in Weapon System Reliability Prediction", Journal of Applied Reliability, 11(4), pp.433-445, DEC, 2011. Available From: http://www.dbpia.co.kr/articleNODE02202653 

  6. Yangwoo Seo, Kyeshin Lee, Younho Lee, Jeyong Kim, "Reliability Prediction Based on Field Failure Data of Guided Missile", Journal of Applied Reliability, 18(3), pp.250-259, SEP, 2018. DOI: https://doi.org/10.33162/jar.2018.09.18.3.250 

  7. Geun-Hyung Kim, Kang-Taek Lee, Jeong-Ah Yoon, Yang-Woo Seo, Seung Hwan Park, "A Study on the Examination of Reliability Prediction Process and the Application of PLS data in Weapon System", Korea Academy Industrial Cooperation Society, 19(1), pp.566-576, Jan, 2018. DOI: https://doi.org/10.5762/KAIS.2018.19.1.566 

  8. Ji-Young Kim, Ki-Won Lee, "Reliability Design Analysis for Underwater Buriend PBA Based on PoF", Journal of Applied Reliability, 17(4), pp.280-288, Dec, 2017. Available From: http://www.dbpia.co.kr/articleNODE07283816 

  9. N. Jenny Lee, US DOD&ARMY RAM POLICIES &MANAGEMENT, Technical Report, CCDC Ground Vehicle Systems Center, USA, pp.37, 2018. 

  10. Soo-Il Lee, Sung-Wook Shin, Dae-Sik Ko, "A Study on Failure pattern in PCB Manufacturing Process", The Society of Convergence Knowledge Transactions, pp.1-6, Jan, 2014. Available From: http://www.dbpia.co.kr/articleNODE02376292 

  11. Army Regulation 702-19, Reliability, Availability, and Maintainability, Department of the Army, USA, pp.8-9, 2018. 

  12. Jong-Jae Park, Study on proper life of weapon system and utilization plan, Technical Report, Institute of Future Security Industry Strategy, ROK, p.66, 2018. Available From: http://www.prism.go.kr/homepage/lately/retrieveLatelyDetail.do;jsessionidE85E3CA7CAF0532BA618D122A4655787.node02?research_id1290000-201700087 

  13. Yvon Mori, "Mechanical Vibrations: Applications to Equipment," John Wiley & Sons, USA, p.175-176, 2017. 

  14. US DOD "MIL-STD-810G, Environmental Engineering Considerations and Laboratory Tests", USA, Oct, 2008. 

  15. US DOD "MIL-STD-167-1A, Mechanical Vibrations of Shipboard Equipment", USA, Nov, 2005. 

  16. US DOD, "MIL-S-910D, Military Specification: Shock Tests. H.I. Shipboard Machinery Equipment, and Systems, Requirements for", USA, Jan, 1989. 

  17. Dave S. Steinberg, "Vibration Analysis for Electronic Equipment", John Wiley&Sons, pp.150, 2000. 

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