구조물에 대해 진동/내구성 평가는 왜 필요할까요?
이번 주제인 기지국 통신장비를 포함해서 우리 주변의 모든 장비에는 진동이 존재합니다. 장비 내부의 모터나 팬의 내부진동이 있을 수도 있고, 지진이나 주변 장비에 의한 외부진동 혹은 자동차나 기차 등이 지나가면서 발생하는 진동의 특수한 상황들이 있을 수도 있습니다.
제품에는 다양한 환경 진동들이 존재하고 눈으로 그 떨림을 보거나 귀로 소음을 듣는 상황들이 있습니다. 실제로 주변에서 이런 현상들을 마주치게 되면 사용자가 제품의 사용성 측면에서 불안감을 느끼고 신뢰도가 매우 떨어지게 됩니다. 또는 제품의 내구성이 떨어져서 보증기간 내에 고장이 발생할 수도 있습니다.
그러므로 우리는 설계단계에서 과연 이 제품의 내구성이 안전한가 혹은 내/외부진동이 일치하여 공진이 발생할 때 최대변위가 얼마인가, 소음이 크게 발생하지 않는가 등에 대하여 진동 테스트를 수행하고 보강을 수행하게 됩니다.
우리는 제품을 구매할 때 항상 이런 고민을 합니다.
“이 제품은 고장 없이 잘 쓸 수 있을까?? 가격 대비 가성비가 괜찮은가??”
당연히 소비자로서 가성비 좋고 고장없이 편하게 쓸 수 있는 제품을 선호합니다.
반대로, 제품을 설계하고 만드는 입장에서도 항상 이런 고민을 하게 됩니다.
“내 제품이 보증기간 동안 문제없이 사용될 수 있을까?? 제품 단가를 줄이면서 내구성을 유지할 수는 없을까??”
설계자 입장에서는 제품의 단가를 줄이면서 보증기간 동안 하자 없이 사용이 가능한 제품을 만들어야만 합니다.
진동/내구성 평가는 어떻게 할 수 있을까요?
진동 테스트 기술은 강제 진동 개념을 사용해서 구조물의 응답을 확인하는 것으로 대중적으로 Sweep-sine 진동 테스트를 사용합니다. 관심 주파수 영역에서의 구조물의 공진 영향성을 검토하고 내구수명을 파악하는 데 그 목적이 있습니다. 공진은 제품이 제품의 고유진동수와 일치하는 외부 진동에 노출될 때 발생하며, 이때 증폭된 진동 때문에 손상이 발생할 수 있습니다. 따라서 공진 주파수의 식별은 제품 개발 및 인증에 필수적인 요소에 해당합니다.
일반적인 부품 진동 테스트는 수 시간에서 수일까지의 긴 테스트 시간과 비싼 시설비용이 요구됩니다. 이러한 테스트의 비용 절감을 위해 가속 진동 테스트 접근 방식을 사용하거나 시뮬레이션을 이용하여 접근할 수 있습니다. 가력 진동의 진폭에 대한 구조물 응답의 진폭을 하고 재료의 S-N 곡선을 통해 진동 피로수명을 예측할 수 있습니다.
그렇다면 과연 수치해석 시뮬레이션을 이용해서 어떻게 내 제품의 내구성을 확인할 수 있는지 알아보도록 하겠습니다. 예제모델은 기지국에 설치되는 BBU(Base Band Unit) 통신장비로 IEC-60068-2-6의 Sweep-sine test 요건을 모사해서 실제 제품의 수명이 어느 정도인지 검토한 자료입니다.
기지국 BBU 통신장비 주파수 응답 해석 및 피로해석
해석 목적
- IEC-60068-2-6 내구성 시험요건 준하여 기지국 BBU(Base Band Unit) 통신장비에 대한 내구수명 확인
- 주파수 응답 해석을 통한 공진에 대한 제품의 고유진동수 및 응답 값 확인
- 공진 시 최대 응력 결과 기반 재료 S-N 곡선을 이용한 제품 진동 피로수명 예측
주요 해석결과
- 관심 주파수대역(10Hz~150Hz)에서 Z 방향의 공진 발생 확인
- 1g 하중에 대해 모든 방향의 공진 변위 검토 결과, X, Y, Z 방향 각각 0.085mm, 0.181mm, 0.698mm로
Z 방향에서 가장 큰 변형 발생함을 확인
- IEC-60068-2-6 기반 내구성 평가 시 제품 피로수명 33,419 cycles로 요구수명 24.237 cycles 이상의 안전성 확인
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