전자 제품은 다양한 환경에 충분한 내성을 가지고 있는지 확인하는 환경 시험이 필수적입니다. 특히 제품의 저장, 운송, 운용 중에 노출될 수 있는 다양한 기후 및 기계적환경의 내구성을 판단할 수 있는 일반 환경시험의 종류는 대표적으로 고온, 저온, 온도 충격, 고온 고습, 진동 및 충격 시험 등이 있다. 위와 같은 환경시험을 진행하기 위해서는 필수적으로 많은 비용과 시간이 소요될 수밖에 없고, 다양한 규격과 만족 기준이 다르기 때문에 실제 현장에서는 어려움을 겪는 경우가 많습니다. MIL-STD-810G의 경우 미 국방성 시험 표준으로써 일반 환경시험 기준 중, 무기체계에 대한 성능평가 및 요구사항 충족 조건 여부 판정을 하는 기준이므로 가장 가혹하며, 다양한 부분에 선도적인 기준을 제공하고 있습니다. 즉 MIL-STD를 만족하는 경우는 기본적인 제품의 내구성 검증 시험을 통과하였다는 것입니다.MIL-STD 중, 전자 장비에 가해지는 진동 노출에 의한 작동 여부 및 내구성에 대한 신뢰도를 분석하기 위해 수명주기 중 진동 노출 시 기능이 견딜 수 있는 환경 시험 절차인 514.5C-17 일반적 최소 무결성 진동 조건을 이용하여 해석을 수행합니다. 주제 1. 해석 설정하기3DEXPERIENCE Works Simulation에서 제공하고 있는 Role 중 하나인 Structural Mechanics Engineer를 사용하여 해석을 진행하고자 합니다. Structural Mechanics Engineer는 아바쿠스(Abaqus) 기반의 유한요소 해석 프로그램이며, 주요 기능으로 Implicit/Explicit 기반의 충돌, 고속변형 등 비선형 동적 해석, 정적 및 준정적 해석, 좌굴 및 고유진동수 해석, 동적 해석 및 열 전달 해석을 수행할 수 있습니다. 3DEXPERIENCE Platform에서 구현되는 구조해석 솔루션은 기존 SOLIDWORKS의 통합을 통한 Data 재활용, 다양한 요소 타입 및 재료 모델 지원,강력한 Contact 정의 등 다양한 강점을 보여주며 마지막으로 Cloud Computing을 지원하여 사용자에게 물리적, 공간적 한계를 뛰어 넘는 효율적인 시뮬레이션 워크플로우를 제공합니다. 이번 해석의 모델정보는 다음과 같습니다. 솔리드웍스로 설계된 Electronic Assembly 모델의 경우 내부 PCB Board 위해 장착된 전자부품은 외부에서 발생하는 진동에취약합니다.이러한 이유로 진동해석을 통해 전자제품 내부의 특정 취약 부품에서 발생하는 가속도를 분석하여 운용시 내구성이 어느정도 검증되는지 확인해 볼 필요가 있습니다. 3DCAD 모델의 경우 아래와 같이 판금으로 작성된 Cover와 내부 PCB Plate 그리고 전자부품으로 구성되어 있으며 각 재질 물성정보는 아래와 같습니다. #해석 경계 조건제품의 신뢰성을 가상으로 테스트하기 위해 구조해석을 수행하는 경우 크게 2가지 형태로 접근을 할 수 있습니다. 정적해석과 동적해석이 그것이며,이 둘의 가장 큰 차이점은 시간에 따른 변화를 관찰 유무입니다. 즉 시간에 따른 변동이 없는 경우는 정적해석을 수행하고 시간에 따라 변화가 중요한 경우는 동적해석을 수행해야 합니다. 이것은 해석적으로는 구조물 혹은 시스템이외부 하중에 대한 응답을 다자유도 시스템의 행렬식을 만들어서 구하는 것입니다. 선형 동적해석에서 외부에서 유입되는 동적 조건은 크게 4가지로 분류할 수 있다. 과도 응답, 주파수 응답, 임의 진동(불규칙 진동) 및 스펙트럼 진동 조건입니다. 이번 해석에서는 동적 가진 중에서 진동수 혹은 시간의 함수로 표현할 수 없는 가진, 예를 들어 비포장 도로의 차량의 진동, 지진파, 난기류 및 해풍(풍하중)과 같이진동이 매우불규칙 적이고 하중 값이 단순하지 않는 경우의 문제입니다. 이러한 문제를 다양한 진동수에 대해 스펙트럼으로 근사화 하여 PSD(Power Spectrum Density) 커브를 활용한 동적해석을 진행하는 것을 불규칙 진동이라고 하며대표적으로 MIL-STD-810G의 진동 규격에서 찾아볼 수 있으며, 여기에서는 환경 시험 절차인 514.5C-17(일반적 여러 운송 조건을 복합 적으로 고려하기 힘든 경우일반적으로 사용되는 최소 무결성 진동 조건) 최소 무결성 진동 조건을 이용하여 해석을 수행 하고자 합니다. 통상적으로 환경시험의 경우 서로 직각인 3축(X Y Z)축에 대해 동일 혹은 각각의 다른 하중을 적용하여 각 방향별 시스템의 응답을 확인합니다.전자 장비의 경우 아래의 그림과 같이 수직에 대한 진동에 더 취약한 구조를 가지고 있으므로 예제에서는 수직방향에 대한 시스템의 응답을 구하고 구속 조건은아래와 같이 정의합니다. #모드 해석 수행동적해석을 수행하기 위해서는 모드해석이 선행되어야 합니다. 모드 해석은 구조물의 고유한 진동 특성을 구하는 해석이며, 이 해석을 통해 구조물의 고유진동수와고유모드 형상을 확인할 수 있습니다. 즉, 이 결과를 통해 시스템이 어떻게 진동을 하고 어떠한 주파수에 진동을 하게 되는 지의 특성을 알게 되며, 이 결과를 바탕으로외부가진에 의한 응답을 분석할 수 있습니다. 모드 해석을 수행하기 위해 플랫폼에서 Structural Mechanics Engineer를 선택하고 아래의 그림처럼 Mechanical Scenario Creation App을 실행하고 모드해석(Frequency Step)을 생성합니다. 재질 및 메시를 작성하고 고유진동수 모드수를 30차 모드까지 세팅한 후 해석을 수행합니다. # 모드 해석 결과 분석 고유진동수 값의 경우 아래와 같이 앞서 정의한 30차 모드까지 분석이 되며, 최저 주파수 값은 약 367Hz로 계산되며 1~4차 까지 저차 모드 형상은 아래와 같습니다 상기 결과를 통해 전자 장비의 모드 특성을 분석할 수 있다. 기본적인 결과 분석에서 최저 주파수 영역(예 1~3차 모드)이 이 시스템의 주요 고유 진동수임을알 수 있습니다. 즉 367~490Hz가 이 구조물의 주요 주파수 영역인 것입니다. # 불규칙 진동 해석 생성모드 해석이 완료되면 아래와 같이 추가적인 동적 해석을 수행할 수 있습니다. 불규칙 진동 해석의 경우 기본적으로 가진 주파수 영역대를 지정해야 합니다. 해석 진행시 가진 조건표를 바탕으로 가장 낮은 주파수 영역대는 20Hz로 정의하고최고주파수 영역대는 2000Hz로 정의한다. 그리고 분석 모드의 경우는 30차 모드까지 진행하기로 정의하며, 추가적으로 MIL-STD-810G 규격의 최소 무결성 진동그래프를 아래와 같이 PSD Curve로 정의해 줍니다. 불규칙 진동에 대한 구조물의 응답을 확인하기 위해 몇 가지 해석 결과를 추가합니다. 아래와 같이 전체 모델 결과에서 RMISES, Root mean spuare of von Mises 와RS, Root mean square of all stress components를 선택하고 주요 측정 부위인 Chip 모서리에 가해지는 A, Translational and rotational accelerations을 아래와 같이세팅했습니다. #불규칙 진동 해석 결과 분석 불규칙 진동 해석 결과의 경우 변위 값과 RMS 응력 값을 확인할 수 있습니다. 불규칙 진동 값의 경우 기본적으로 외부 가진에 대한 응답을 구하는 것이므로각 모드별응답과 최대치에 해당하는 값을 확인할 수 있습니다. 전자 장비에 수직방향 가진을 적용하는 경우 전자 장비의 상부 커버 뒤쪽에서 많은 변형이 확인되고, 최대 응력 발생 부위는 아래의 그림과 같이 PCB Board와Chip 파트가 체결되어 있는 부분에서 최대 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있습니다. 전체 모델에 발생하는 결과뿐만 아니라 전자 Chip과 같은 파트는 부품에 가해지는 순간 가속력에 의해 제품이 손상이 가해질 수 있습니다.이를 아래와 같이 가속도 및 속도결과를 주파수에 따라 분석할 수 있습니다. 아래의 결과를 확인해 보면 Chip Point에서 가속도 값을 분석한 결과로 아래와 같이특정 주파수(1700Hz)에서 증폭이 되는 것을 확인할 수 있고 이는 공진 현상에 의한 결과로 유추 할 수 있습니다. 위의 결과를 통해 불규칙 진동 조건이 가해지는 조건에서의 전자 제품의 응답을 확인할 수 있었으며, 모드 해석 결과와 불규칙 진동 해석 결과를 통해내구성을 검증하고 설계 변경시 참고 자료로서 활용할 수 있습니다. 또한, 주요 전자 부품에 작용되는 가속도 값을 분석하여, 해당 상황에서 공진 현상을 분석하고설계 기준에 만족하는지확인할 수 있습니다. #Tip & Trick 마무리지금까지 3DEXPERIENCE Works Simulation으로 전자 장비의 불규칙 진동 해석을 진행해 봤습니다. Cloud 기반의 3DEXPERIENCE Works 시뮬레이션의 강력한해석 성능을 경험할 수 있었습니다. 또한, 해석 결과를 통한 협업과 제품 개발 프로세스 전반에 걸친 업무 생산성 향상에 크게 기여할 수 있다는 사실을 알게 되었습니다. 고유진동은 왜 중요할까?▶ 자료출처 : 솔리드웍스 팬페이지
