[nCode] 내구성 검증(Durability Validation): 동일 내구 수명 계산(Damage)

 

목차

 

 

 

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내구성 검증(Durability Validation)이란?

제품을 생산하기 전에 시험실(Laboratory)에서 내구성(Durability)에 대한 검증을 진행하여야 합니다. 내구성에 대한 시험 스펙은 아래와 같은 항목에 의해 다양하게 정의 됩니다.

 

• 제품 사이즈(Size)
• 제품에 걸리는 모드(Mode)
• 다이나믹 특성(Dynamic Characteristics)
• 기타

 

위와 같은 다양한 특성에 의해 결정된 스펙은 아래와 같은 시험을 통해 내구성을 검증 합니다.

 

• 진동 시험기(Shaker)를 통한 진동(Vibration) 시험
• 시간 도메인의 재현 지험(Time Domain Replication)
• 동일 하중 반복 시험(Constant amplitude cycle loading)
• 기타

 

위와 같은 시험실에서의 내구성 시험을 위해서는 아래와 같은 한가지 공통된 조건이 필요 합니다.

 

• 측정된 값을 통한 동일 피로도 데이지 값 계산(Equivalent Fatigue Damge Calculation)

 

 

 

 

 

시험실 내구성 검증 분석 예제 #1

 

 

이번 예제는 석유 굴착용 플랫(Oil Platform)에서 1시간 동안 측정한 힘(Force, N) 값을 이용해서 1200 시간의 수명을 보장하는 검증 시험 규격을 제작 해보도록 하겠습니다. 

 

석유 굴착용 플랫(Oil Platform)의 특성은 특정 하중이 반복적으로 걸립니다. 그리고 단축(Uniaxial) 방향으로 벤딩/휨(Bending) 힘이 걸립니다. 

 

해당 단축 힘에 대한 값을 시험실에 사용할 수 있는 중정적 하중(Quasi-static load)로 변경하도록 하겠습니다.

 

 

시험 순서는 아래와 같습니다.

 

1. 측정 하중 값을 사용해서 Damge 값 계산

2. 시험 랩에서 사용할 수 있는 사인 파(Sine Wave) 형태의 하중 생성

3. 한번의 사이클에서의 Damage 값 계산

4. 측정 하중과 동일한 Damage의 사이클 횟수 계산(The number of load cycles)

5. 측정 하중과 시험 사이클 Damage 비교

 

 

 

 

시험실 내구성 검증 분석 예제 #2

이번 단에는 측정한 하중 값(Force, Newton)을 사용해서 Damage 값 계산하는 방법에 대해 알아보겠습니다. 측정 값을 nCode Glypwork를 사용해서 아래와 같이 불러 옵니다.

 

 

위에 측정된 빔(Beam)의 하중 값은 환경 변수와 사용 용도에 따라 다양하게 변함을 확인할 수 있습니다. 하중 시험기에서 사용할 수 있는 Single Sinusoidal Cycle로 변경해 줍니다. 

 

 

분석 구성은 위와 같이 진행합니다. 하중 입력 값(TSInput1)을 PotentialDamge1 모듈을 사용해서 Damage 값을 계산합니다. 

 

위 그림은 PotentialDamge1 모듈 설정 화면입니다. Damage 값 분석을 위해 SN Curve에 대한 정의를 합니다. 오일 플랫폼과 같이 용접으로 제작되는 장치의 SN 커브 기울기는 -3으로 설정 합니다. 

 

SN 그래프의 Y축 절편 값은 임의의 값으로 설정합니다. 여기서는 10^5(1E5)를 사용하였습니다. 값을 변경하지 않고 사용한다면 상대 피로도(Relative Faigue) 계산시 큰 영향을 주지 않습니다. SN Curve에 대한 상세 내용은 https://famtech.tistory.com/124 내용을 참조하시면 됩니다. 

 

메타 정보에서 Damage에 대한 값을 0.001002로 확인할 수 있습니다. 

 

 

 

위 그림은 Rainflow Count 로 출력한 하중의 범위(Range)와 평균(Mean)에 따른 Cycle 횟수를 표현한 히스토그램(Histogram) 그래프 입니다. 다양한 하중이 발생했음을 알 수 있습니다. 가장 큰 사이클은 약 2300뉴턴 크기의 힘이 발생했습니다. 

 

약 1700N 크기까지의 하중이 지속적으로 발생하였고 이후에는 간헐적으로 발생함을 알 수 있습니다. 사이클 시험에 사용할 사이클 크기를 1700N에 맞춰 진행하겠습니다. 1700N이 실제 주기적으로 걸리는 하중에서 가장 크게 걸리는 하중이므로 Cyclic 값으로 사용합니다. 

 

 

 

 

 

시험실 내구성 검증 분석 예제 #3

이번 단에는 시험실(Test Lab)에서 사용할 하중 사이클을 만들어 보겠습니다. 하중 사이클은 Simple Sine Wave이고 정해진 횟수만큼 반목하는 시험입니다.

 

앞서 #2번 과정에서 1700N이라는 하중 크기를 결정 하였습니다. 이 값을 시작점으로 진행하겠습니다. 

 

 

전체 구성은 위와 같습니다. 기존의 구성에 TSGenrator1 모듈과 TestCombination1 모듈이 추가 되었습니다. 

 

 

TSGenrator1 모듈은 사인파형을 만들기 위해 사용합니다. 설정은 위 같과 같이 Sine 하중을 850N x 2 = 1700N을 가합니다. 

 

TestCombination1 모듈은 실제 측정 하중과 만들어진 사인 하중을 비교 하기 위해 채널1과 채널2로 합쳐서 출력해줍니다. 

 

위 같은 출력의 메타 값으로 1시간동안 측정 값의 Damage는 0.001002이고 사인 하중은 4.91 x 10^(-6) 입니다. 두 값은 약 205배 차이가 납니다. 

 

실제 1시간 하중과 동일한 Damage를 가지기 위해서는 205번의 사인 하중을 반복해야 합니다. 1200 시간에 대한 수명을 검증하고 싶다면 205 x 1200 = 246,000 번의 사인 하중 시험을 진행하여야 합니다.

 

• 1200시간에 대한 수명 시험 : 246,000 번의 170N 사인 시험 실시

 

 

 

 

 

시험실 내구성 검증 분석 예제 #4

 

최종적으로 아래와 같이 두 개의 로드에 대한 비교 분석을 진행합니다.

위 그림을 통해서 실제 측정에 대한 Rainflow Counting 값과 Sine Wave에서의 카운팅 정보를 확인할 수 있습니다. 여기서 1700N을 선택을 통해서 사인을 적용하였는데 이유는 아래와 같습니다.

 

• 작은 하중을 사용시 시험시간이 크게 증가함
• 실제 많이 발생하지 않은 큰 하중 사용 시 시험 시간은 줄어드나 Failure Mode가 달라짐

 

이와 같이 적절한 하중 값을 선택하고 Targeting 하는 수명 기간에 대한 시험진행을 할 수 있습니다. Cycle을 결정하고 그에 따른 하중도 분석할 수 있는데 해당 내용은 팜테크 오프라인 교육에서 확인할 수 있습니다.

 

Fatigue Damage 분석은 위와 같이 Potential Damage 모듈을 사용해서 진행을 할 수 도 있지만 상황에 맞춰 SN(Stress-Life), EN(Strain-Life)로도 분석이 가능합니다.