[논문]동특성 분석을 통한 하우징의 구조건전성 평가

이재은; 최혜윤; 김병준; 이증; 정오균

동특성 분석을 통한 하우징의 구조건전성 평가
The Evaluation of the Electronic Housing Structural Integrity Using Dynamic Analysis 원문보기

이재은 (국방과학연구소) , 최혜윤 , 김병준 , 이증 , 정오균

The rapid tactical operation and mobility are getting important to recently developed the guided weapon systems. And military wants multi-purposes equipment to carry the war more easily. So military wants to have the equipment that can apply without any distinction about environment. For this reason, the robust design is getting more important now to guarantee survivability of equipment. In this paper, we try to check about structural integrity of Fire Control Unit(FCU) which is one of the guided weapon system using dynamic FEM analysis.

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문제 정의

본 논문에서는 유도무기체계의 주요 구성 장비 중에 하나인 제어기에 대하여 함상, 육상 플랫폼에서의 진동, 충격 및 피로에 대한 내 환경성 확보 여부 및 구조건전성을 평가 하고자한다.

가설 설정

주파수 변환 시 감쇠는 1% (Q=50)로 가정하였으며, 모드 합산 시 인접 공진주파수 간에 일부 영역이 겹치므로 상호 연관성을 고려하기 위해 Rosenblueth(ROSE)법을 이용하였다.

제안 방법

(1) 고유치 분석을 통해 공진주파수를 확인하였고, 함상, 육상 환경 규격에 대하여 검토하였다.
그러므로 응답 분포는 3대역(1σ~3σ)에 의한 평가가 가능한데, 본 논문에서는 3대역 중 발생 확률은 0.27%로 가장 낮지만 장비에는 치명적일 수 있는 3σ 대역에서의 응력에 대하여 검토하였다.
본 논문의 구조건전성 평가 방향은 먼저 유한요소해석(FEA)을 통한 고유치 분석으로 장비의 동특성을 확인 한 뒤, 군사 환경 규격에 명시된 진동, 충격 조건에서의 장비 응답을 살펴보고 예상 진동 환경에서의 피로 분석을 통해 장비의 수명을 예측하는 방식으로 진행하였다.
본 하우징에 적용한 재료의 응력-변형률 관계를 살펴보면 재료의 항복점 이후 소성 변형구간이 존재하는 연성재료이므로, 연성재료(Ductile)의 파괴를 비교적 잘 예측할 수 있는 Von-mises 응력을 이용하여 장비의 구조건전성을 평가하였다.
육상 진동 피로 역시 누적 손상법에 의하여 1σ부터 3σ 대역의 응력을 이용하여 분석하였다.
육상 진동에 대한 피로는 해당 랜덤가진에 대하여 각 축별로 2시간 동안 내구성 시험을 하도록 되었다. 육상 진동 피로 역시 누적 손상법에 의하여 1σ부터 3σ 대역의 응력을 이용하여 분석하였다.
육상 충격의 경우 MIL-STD-810G에 언급된 스펙트럼을 이용하여 관심부의 응력 응답을 검토하였다.
본 장비의 분석에 있어서 관심이 되는 부위는 진동, 충격과 같은 동적 하중 적용 시 응력 집중이 예상되는 하우징 발 부위와 커넥터가 부착되는 후면판이다. 이 부위의 구조건전성 평가는 응력과 변형률 분석을 도출해서 확인하였다.
장비 내부에는 장비 크기 및 중량 감소를 위해 케이블을 없애고 연결기와 모체반이 하나로 구성된 연결기 일체형 보드를 적용하였다.
함상 충격의 경우 측정한 시험데이터와 참조서에 언급된 스펙트럼을 이용하여 관심부의 응력 응답을 검토하였다.

대상 데이터

본격적인 구조건전성 분석을 위해 설계 모델링에 대한 유한요소모델을 아래와 같이 생성하였다. 격자는 신뢰도 높은 응답 확인을 위해 모델 전처리 과정 후 고차 Hex요소를 이용하여 작성하였고, 자유도는 약 300만개이다.
본 장비의 분석에 있어서 관심이 되는 부위는 진동, 충격과 같은 동적 하중 적용 시 응력 집중이 예상되는 하우징 발 부위와 커넥터가 부착되는 후면판이다. 이 부위의 구조건전성 평가는 응력과 변형률 분석을 도출해서 확인하였다.
스펙트럼 분석을 위해 사용할 입력 데이터는 유사 체계에서 가속도계로 측정한 데이터와 참조서(NRL 7396)⁽⁷⁾에서 제공하는 스펙트럼을 사용하였다.

데이터처리

해석 모델링의 검증 및 구조적 취약성 확인을 위해 고유치 분석을 실시하였다.

이론/모형

분석 시 모드 중첩법(Mode Superposition Method)에 의한 응답 신뢰도를 높이기 위해 주요 모드는 질량 참여도에 따라 10개를 도출하였다.
충격 분석법은 일반적으로 등가정적분석법, 스펙트럼 분석법, 과도응답 분석법이 있으며, 본 장비는 스펙트럼 분석법을 사용하여 충격에 대한 구조건전성을 평가하였다.
피로에 대하여 S-N 곡선과 누적 손상법을 이용하여 수명을 예측하였다.

성능/효과

(2) 관심영역 중 하나였던 후면판의 변형률을 검토한 결과 응답 값이 극소하므로 연결기 일체형 보드의 구조건전성이 확보되었음을 확인하였다.
누적 손상법에 의한 피로 검토 결과 함상, 육상 내구성 시험에 대하여 무한 수명을 확보하였음을 확인하였다.
장비의 각 방향별 입력 및 출력 Grms(G' Acceleration Root Mean Square)에 대하여 전달율을 비교해 본 결과 세로축 방향으로 약 32% 정도 응답 증폭이 있음을 확인 할 수 있었다.
최대 응력 값을 검토한 결과 해당 부에 응력 마진이 있음을 확인할 수 있었다.
최대 응력을 검토한 결과 해당 부에 응력 마진이 있음을 확인할 수 있었으며, 가속도 응답을 검토한 결과 장비 세로축 방향으로 450~500Hz 대역에서 약간의 증폭이 발생하는 것을 확인하였다.
최대 응력을 검토한 결과 해당 부에 응력 마진이 있음을 확인할 수 있었으며, 변위 응답을 검토한 결과 본 장비는 공진에 대한 영향은 없음을 알 수 있었다.

후속연구

고유치 해석을 통해 모드에 따라 각 방향별 전체 질량 참여도가 90%이상 확보되었으므로, 모드 중첩법에 의한 진동, 충격에 대한 분석 시 응답 결과에 대하여 비교적 높은 신뢰도를 기대할 수 있으리라 생각된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

기계 설계적 입장에서 다양한 환경에서 전자장비의 생존성을 확보하기 서는 장비를 어떤 구조로 설계 하는 것이 한가?

기계 설계적 입장에서 다양한 환경에서 전자장비의 생존성을 확보하기 위해서는 무엇보다도 장비를 강건(Robust) 구조로 설계 하는 것이 필요하다.

유도무기 체계는 어떻게 설계해야하는가?

유도무기 체계는 사용 환경에 따라 육, 해, 공으로 나뉘며, 그에 따라 습도, 염수, 진동, 충격, 강우, 먼지, 곰팡이 등의 조건에 대하여 특정이상의 성능 확보가 가능하도록 설계해야한다.

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