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가설 설정
- 3. 스케치 평면 생성 시 Offset 이 축 방향으로만 가능해 각도를 부여할 수 없음.
- 우선 외부 가진이 없을 경우, 즉 자동차가 멈춰 있는 상황에서 해석을 해보았다. 거치대에 Fig. 7 에 보이는 Part 의 무게를 60g, 스마트폰의 무게를 140g 이라고 가정하여 총 200g 의 무게를 고려하여 F = 1.96N 의 힘을 해석 조건에 넣어주었다. 그리고 바닥면은 자동차에 부착되어 있으므로 Fixed support 시켜주었으며 마지막으로 중력을 추가했다.
제안 방법
- Assembly 를 통해 최종적으로 완성한 모델(Fig. 9)을 구조 해석 소프트웨어인 ANSYS 에서 Mesh 를 생성하고 조건을 준 후에 해석을 해보았다. 하지만 복잡한 구조 때문인지 아니면 Fig.
- 스마트폰 시장에서 많은 판매를 올리고 있는 ‘아이팝 싱크뷰 스마트폰 홀더’를 모델로 선정하였다. FreeCAD 로 전반적인 모델링을하고, 부족한 부분은 다른 3D 프로그램을 이용하여 보완하였다. 모델링을 완성한 후에 ANSYS 를 사용하여 진동에 취약한 부분을 볼 것이다.
- 우리는 거치대의 과도한 처짐을 보완하기 위해 자동차 대쉬보드와 연결된 거치대의 몸통부분과 스마트폰을 연결해주는 보를 지지하는 보강재의 길이를 길게 늘이고 그 두께를 조절하였다 또한 그 보의 형태를 물결모양으로 수정하여 수직방향 하중에 좀 더 저항을 가질 수 있게끔 수정하였다. 공진 현상을 제외한 전반적인 진동에 대한 진폭은 허용할 수 있는 범위 내에 있었으므로 충진재와 감쇠설계를 통해 진폭을 줄이는 방법 보다는 거치대의 고유 진동수를 바꾸어 자동차의 주 주행 진동수 내에서 공진현상이 벗어날 수 있도록 설계하였다. 보강재의 두께와 길이를 조절하는 과정에서 처짐에 대한 저항과 원하는 구역에서 공진이 일어나지 않는 설계구조를 발견 할 수 있었고 이 모델을 최종 수정 모델로 선정하였다.
- 10 에서의 문제점 때문인지 해석이 되지 않았다. 그래서 차선책으로 처짐과 진동에 약해 보이는 Fig. 8 에 보이는 Part 만 해석을 하는 방식으로 프로젝트를 수행하기로 하였다. 해석에 관한 세부 설정 내용들은 Table1 에 자세히 정리해 두었다.
- 다음으로 모달 해석에서 얻은 6 개 모드의 고유진동수 전체 영역에 대해서 공진 여부를 확인하기 위해 진동수 범위를 0~ 200Hz 로 설정하였다.
- 다음으로 모델의 진동 모드 형상과 고유진동수를 구하기 위해 모달 해석을 수행하였다. 진동을 일으키는 자동차 안의 상황을 만들기 위하여 거치대 밑에 얇은 판을 생성하여 옆면은 고정시키 위아래로 떨리도록 설정해 주었다.
- 우선 ‘아이팝 싱크뷰 스마트폰 홀더’를 참조하여 기본적인 디자인의 틀을 잡았다. 두가지 Part 로 나누어 FreeCAD 의 Part Design Session 에서 작업을 하였다. FreeCAD 에는 Assembly 기능이 없어서 CATIA 를 사용하여 두 Part 를 접합시켰다.
- FreeCAD 로 전반적인 모델링을하고, 부족한 부분은 다른 3D 프로그램을 이용하여 보완하였다. 모델링을 완성한 후에 ANSYS 를 사용하여 진동에 취약한 부분을 볼 것이다.
- 공진 현상을 제외한 전반적인 진동에 대한 진폭은 허용할 수 있는 범위 내에 있었으므로 충진재와 감쇠설계를 통해 진폭을 줄이는 방법 보다는 거치대의 고유 진동수를 바꾸어 자동차의 주 주행 진동수 내에서 공진현상이 벗어날 수 있도록 설계하였다. 보강재의 두께와 길이를 조절하는 과정에서 처짐에 대한 저항과 원하는 구역에서 공진이 일어나지 않는 설계구조를 발견 할 수 있었고 이 모델을 최종 수정 모델로 선정하였다.
- 스마트폰 거치대가 가진 취약점을 분석하기 위해서 FreeCAD 로 모델링을 하고, ANSYS 로 처짐 해석과 진동 해석을 진행하였다.
- 우리는 거치대의 과도한 처짐을 보완하기 위해 자동차 대쉬보드와 연결된 거치대의 몸통부분과 스마트폰을 연결해주는 보를 지지하는 보강재의 길이를 길게 늘이고 그 두께를 조절하였다 또한 그 보의 형태를 물결모양으로 수정하여 수직방향 하중에 좀 더 저항을 가질 수 있게끔 수정하였다. 공진 현상을 제외한 전반적인 진동에 대한 진폭은 허용할 수 있는 범위 내에 있었으므로 충진재와 감쇠설계를 통해 진폭을 줄이는 방법 보다는 거치대의 고유 진동수를 바꾸어 자동차의 주 주행 진동수 내에서 공진현상이 벗어날 수 있도록 설계하였다.
- 우선 ‘아이팝 싱크뷰 스마트폰 홀더’를 참조하여 기본적인 디자인의 틀을 잡았다.
- 우선 외부 가진이 없을 경우, 즉 자동차가 멈춰 있는 상황에서 해석을 해보았다. 거치대에 Fig.
- 이 두 가지 아이디어를 적용하여 ANSYS 로 해석을 해보았다. 그 결과 처짐은 3.
- 고정도 잘 되지 않고, 진동에 취약하기도 하다. 이러한 문제점을 인식하고 개선하고자 스마트폰 거치대를 주제로 선정하였다.
- 자동차 주행시 발생하는 주기적인 진동에 대한 모델의 진동 응답을 알아보기 위해 하모닉 해석을 수행하였다. 얇은 판 부분에 1N 의 주기적인 가진력이 작용하도록 Fig.
- 처짐과 진동에 취약한 부분을 개선하기 위해서 가장 쉬운 방법은 재료를 바꾸면 되겠지만 가격이 많이 오를 수 있는 비효율적인 방법이므로 디자인만 바꿔 보기로 하였다. 우리가 고안한 첫 번째 아이디어는 Fig.
대상 데이터
- 스마트폰 시장에서 많은 판매를 올리고 있는 ‘아이팝 싱크뷰 스마트폰 홀더’를 모델로 선정하였다.
성능/효과
- 그 결과 스마트폰을 지지하는 부분의 처짐이 허용범위를 넘어 쳐짐이 발생했고 자동차의 주 주행 진동수대에서 공진현상이 발생하여 적합하지 않은 디자인을 가지고 있었다.
- 이 두 가지 아이디어를 적용하여 ANSYS 로 해석을 해보았다. 그 결과 처짐은 3.5mm 로 많이 개선이 되었지만(Fig. 20 참고), 진동 해석 결과 최대 응답 주파수가 2 차 모드에서 40Hz(Fig. 21 참고)로 공진이 일어나 34mm 의 deformation 이 발생하는 것을 확인하였다. 이 역시 자동차의 평균 진동수인 15~50Hz 에 속하므로 여전히 개선이 필요하다.
- 그 결과, Fig.12 에서 보이는 바와 같이 joint부분에서 최대 9.2mm 의 처짐이 발생하는 것을 확인하였다. 생각보다 많은 처짐이 발생하여 추후에 설계 개선방안을 고안해 줄여 볼 것이다.
- 이를 ANSYS 에서 처짐 해석과 진동 해석을 한 결과, 처짐은 3.36mm 로 기대보다 조금 개선되었지만(Fig. 24 참고) 진동에 의한 응답은 Fig. 25 와 같이 15~50Hz 구간 사이에서 공진이 발생하지 않는 것을 발견하였다. 그리고 최대응답 주파수인 37.
후속연구
- 2mm 의 처짐이 발생하는 것을 확인하였다. 생각보다 많은 처짐이 발생하여 추후에 설계 개선방안을 고안해 줄여 볼 것이다.
- 자재의 교체 없이도 처짐과 진동을 보완 할 수 있었다는 점에서 최초설계의 중요성을 알 수 있었다. 이러한 점을 인지하고 설계단계에 적용한다면 좀 더 저렴하고 안전한 모델을 얻을 수 있을 것이다.
- 곡선 부분을 지탱해주는 부분의 두께를 두껍게 해준다면 진동을 좀 더 흡수할 수 있을 것이라고 생각하였기 때문이다. 이를 통해 또한 처짐도 더욱 개선 될 것이라고 생각한다.
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