ESS 배터리팩 Snap-fit 체결부에 대한 구조 안전성 검토

2022년 07월 28일

평점 :

해석지식통 해석 사례

오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “Snap-fit 체결”에 대한 것입니다.

 

Snap-fit이라는 용어는 매우 생소할 것입니다. 하지만 우리 주변에 가장 흔하게 볼 수 있는 체결 방법 중의 하나입니다. 전자 장비의 케이스부터 사인펜 등의 뚜껑까지 많은 곳에서 일반적으로 사용되고 있습니다.

 

 

Snap-fit 체결방식 설명

 

Snap-fit 체결은 외팔보(Cantilever) 형태와 유사하며, 휘어졌다가 체결되는 현상을 반복합니다. 따라서, 재료, 진입 각도, 외발보 형상에 따라서 영구 변형되거나 파괴될 수 있으므로 수치 해석을 통한 최적화 설계가 매우 중요합니다.

 

Snap-fit 체결부 예시

 

Snap-fit 체결 구조물에 대한 검토는 왜 필요할까요?


이번 주제인 ESS 배터리팩은 적층식 구조물로 Snap-fit 체결을 통해 구성합니다. snap-fit은 가장 간편한 결속 장치이며 조립과 분리가 간편하여 생산품의 조립 단가를 줄일 수 있습니다. 또한 분리력은 크지만 결합력은 작게 만들 수 있고, snap-fit의 탄성을 이용하여 지속적인 체결과 분리를 수행할 수도 있는 장점을 갖고 있어 널리 사용되고 있습니다.

 

ESS 배터리팩 예시, 적층식 배터리팩
Snap-fit 체결에 대하여 우리 주변에 가장 쉽게 볼 수 있는 것은 사인펜의 뚜껑입니다. 안쪽을 자세히 보면 약간의 돌출부가 있어 힘을 주어 닫았을 때 돌출부를 넘어 고정되고, 다시 힘을 줘서 당겼을 때 뚜껑이 열리는 것을 알 수 있습니다. 이 외에도 핸드폰, 노트북 등과 같이 플라스틱 재질의 많은 전자 장비에도 광범위하게 사용되고 있습니다.


Snap-fit 체결부의 해석 검증은 어떻게 수행할 수 있을까요?

 

Snap-fit 형상은 일반적으로 외팔보 형태로 이야기합니다. 연신율이 큰 외팔보 형태의 날개 부가 진입 각도에 따라 휨 변형이 발생하고, 빈 공간에 도달함으로써 체결하며, 반대의 과정으로 탈거를 하는 반복적인 거동을 하게 됩니다.


외팔보 변형 거동을 갖는 snap-fit의 설계에 있어 무엇보다 중요한 것은 강도와 적절한 결합력의 균형을 찾는 것입니다. snap-fit의 설계 시 고려되어야 하는 인자는 부품 간 접촉 시 발생하는 마찰력, 적절한 변형을 위한 강성, 충분한 체결력을 유지하기 위한 강도 등이 있으며, 이를 수계산으로 예측할 수 없으므로 CAE를 통해 검증하게 됩니다.


그렇다면, 구조물의 체결/탈거 상황에서 snap-fit 체결부를 어떻게 해석 검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제 모델은 적층식 ESS 배터리팩 구조물의 snap-fit 체결부이며, 체결/탈거 과정에서 진입 각도에 따라 snap-fit 체결부가 과연 구조 안전성을 가지는가에 대한 검토 자료입니다.


해석 프로그램


midas NFX 2021 R1


해석 종류


비선형 정적해석(Non-linear static analysis)


해석 목적

 

Snap-fit 체결부 모델


- 적층식 ESS 배터리팩 구조물의 snap-fit 체결부 안전성 검토를 수행.

 

- 진입 각도에 따른 snap-fit 체결 날개 부의 최적 두께를 산정하며, 이때의 최대 변형과 응력에 대한 검토.

 

- 구조 안전성 평가는 항복응력 기반으로 기준보다 낮으면 구조적 안전성을 가진다고 평가함.


주요 해석 결과

진입각도별 매개변수 해석결과


진입각도별 체결/탈거시 결과

 

- 본 해석 대상인 ESS 배터리팩에 사용되는 Snap-fit 체결부 구조에 대하여 Insert/Extract 상황에서 날개부 각도 타입별(Type 1, Type 2) 최대 횡 변형량과 구조적 안전성을 평가하기 위해 수행함.
- Type 1(+1도) 해석모델에 대한 Insert/Extract 과정에서의 상세 해석 결과, X 방향 최대 횡 변형 0.67 mm 발생함을 확인하였으며, 이때 최대 발생 응력 62.10MPa로 재료 항복강도 70MPa 이내 안전성 확인함.
- Type 2(-3도) 해석모델에 대한 Insert/Extract 과정에서의 상세 해석 결과, X 방향 최대 횡 변형 1.37 mm 발생함을 확인하였으며, 이때 최대 발생 응력 63.67MPa로 재료 항복강도 70MPa 이내 안전성 확인함.

 

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