진동 데이터 분석의 목표(Vibration Test, Data, Analysis, DAQ, Acceleration, Accelerometer, 공진 주파수)

 

목차

 

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진동 데이터 분석의 목표

 

 

진동 데이터 분석은 제품 설계 및 테스트 계획 수립에 중요한 역할을 합니다. 엔지니어는 다양한 테스트를 통해 기기의 초기 설계를 정의하고, 진동 테스트 계획을 개발합니다. 이러한 테스트는 현장에서의 데이터 수집, 설계 실패 모드 및 영향 분석(DFMEA), 실험실에서의 신뢰성 테스트 등을 포함할 수 있습니다.

 

진동 데이터 분석은 공진 또는 고장 원인을 식별하고, 테스트 프로파일을 검증하며, 디지털 트윈 모델의 경계 조건을 확정하거나, 향후 테스트를 위한 가속 요소를 조정하는 데 도움이 됩니다. 이 글에서는 제품 설계 초기 단계 및 테스트 계획 수립 시 진동 데이터 분석의 여러 가지 목표를 다룹니다.

 

 

진동 데이터 분석의 주요 목표

• 공진 및 주기적 패턴 식별
• 운영 한계 결정
• 파괴 한계 결정
• 실제 시나리오와 데이터 비교
• 적절한 테스트 가속 요소 식별 및 확인
• 디지털 트윈 모델을 위한 신뢰할 수 있는 입력값 제공 및 경계 조건 확인

 

 

 

1. 공진 및 주기적 패턴 식별

 

공진(Resonance)

엔지니어는 공진을 분석하여 기기가 외부 자극(기계적 힘, 환경적 요인 등)에 어떻게 반응하는지 이해합니다. 공진은 외부 힘이 기기의 고유 진동수와 일치할 때 발생하며, 이는 진동 수준의 증가와 빠른 손상 축적, 궁극적으로는 고장으로 이어질 수 있습니다.

 

 

공진 분석을 통해 설계의 구조적 안정성 및 내구성을 평가하고, 피로에 취약한 부분을 식별할 수 있습니다. 공진이 발생하는 빈도를 변경함으로써 불필요한 진동을 줄일 수 있으며, 이를 통해 안전 기준을 충족하거나 제품 요구사항을 만족시키도록 설계를 수정할 수 있습니다.

 

 

주기적 패턴

진동 데이터의 주기적 패턴은 기기가 반복적인 외부 자극(예: 엔진 회전)에 대해 일관되게 반응하는지를 나타냅니다. 이러한 주기성을 통해 기기의 고유 진동수와 진동 모드를 파악할 수 있으며, 이는 기기와 외부 힘 간의 상호작용을 설명하는 데 중요한 정보를 제공합니다.

 

 

 

예를 들어, 자동차 공학에서는 서스펜션 시스템에서의 주기적 진동 데이터를 통해 도로 요철에 반응하는 서스펜션 부품의 공진 주파수를 파악할 수 있습니다. 이를 통해 과도한 진동을 완화하고, 승차감을 향상시키며, 차량의 내구성과 안전성을 보장할 수 있습니다.

 

 

 

2. 운영 한계(Operationl Limit) 결정

운영 한계는 기기가 정상적으로 작동을 멈추기 직전까지 견딜 수 있는 최대 스트레스를 정의합니다. 엔지니어는 제품이 대량 생산되기 전에 약점을 식별하고, 설계를 수정하여 이를 개선합니다.

 

운영 한계는 고속 가속 수명 테스트(HALT) 또는 신속 실패 모드 유발 테스트(RFMPT™)를 통해 확인되며, 이를 통해 모델과 설계 여유를 검증할 수 있습니다. 이를 통해 엔지니어는 기기의 설계 매개변수를 최적화하고, 제품이 산업 표준을 준수하도록 할 수 있습니다.

 

• 공진 주파수 식별: 진동 테스트를 통해 기기의 공진 주파수를 확인하고, 그 주파수에서의 진동 반응을 분석하여 구조적 약점을 찾아냅니다.
• 진동 응답 분석: 다양한 주파수에서의 진폭과 진동 응답을 분석해 동적 행동을 이해하고, 이를 통해 진동으로 인한 제품 성능 저하를 방지합니다.
• 피로 수명 평가: 반복적인 진동이나 하중으로 인한 피로 수명을 평가하여 제품의 내구성을 확인하고, 예상 수명 주기 동안 안전하게 작동할 수 있는지를 점검합니다.

 

 

 

3. 파괴 한계 결정

파괴 한계는 진동으로 인해 제품에 돌이킬 수 없는 손상이나 고장이 발생할 수 있는 진동 수준을 의미합니다. 운영 한계와 달리, 파괴 한계에 도달하면 스트레스가 제거되더라도 제품은 복구되지 않습니다.

 

엔지니어는 파괴 한계를 결정하기 위해 점진적으로 진동 수준을 높이는 파괴 테스트를 수행하며, 이를 통해 기기의 구조적 약점과 실패 모드를 파악하고 설계를 개선할 수 있습니다.

 

• 진동 수준 모니터링: 테스트 중 진동의 진폭을 지속적으로 모니터링하여 구조적 무결성을 손상시킬 수 있는 수준을 파악합니다. 갑작스럽게 진폭이 급증하는 지점에서 제품의 약점이 드러날 수 있습니다.
• 응력 및 변형 분석: 제품의 주요 구성 요소에 걸리는 응력 및 변형을 측정하여, 재료 한계를 넘는 부분을 식별하고 약한 영역을 확인합니다.
• 주파수 분석: 파괴 한계에 도달하는 동안 특정 주파수나 진동 모드가 제품의 구조적 손상에 기여하는지를 분석합니다. 주파수 도메인에서의 스펙트럼 분석을 통해 파괴 원인을 파악할 수 있습니다.
• 디지털 트윈 검증: 파괴 한계 테스트 데이터를 통해 디지털 트윈 모델의 정확성을 검증하고, 이를 기반으로 실험적 분석과 비교하여 구조적 경계 조건을 확인합니다.

 

 

 

 

4. 실제 시나리오와 데이터 비교

엔지니어는 테스트 데이터와 실제 데이터를 비교하여 테스트가 실제 사용 환경을 충분히 반영했는지, 과도하지 않았는지를 확인합니다. 또한 테스트의 주파수 성분이 실제 사용 환경과 일치하는지도 검토합니다.

 

 

 

 

5. 적절한 테스트 가속 요소 식별 및 확인

엔지니어는 시간을 절약하기 위해 테스트 프로파일을 가속화합니다. 그러나 테스트를 지나치게 가속화하면 정확도가 떨어지고 중요한 진동 수준이 감소할 수 있습니다. 적절한 가속 수준을 찾기 위해 엔지니어는 가속화된 테스트 프로파일 데이터를 분석하고, 진동 수준이 충분히 반영되었는지를 확인합니다.

 

 

 

6. 디지털 트윈 모델을 위한 신뢰할 수 있는 입력값 제공 및 경계 조건 확인

디지털 트윈 모델은 기기의 디지털 표현으로, 실제 데이터를 사용해 기기의 수명 주기 동안의 반응을 시뮬레이션합니다. 엔지니어는 실험실 및 현장에서 기록된 데이터를 분석하여 모델의 예측을 검증합니다.

 

경계 조건은 디지털 모델에서 사용되는 제약 조건을 의미하며, 엔지니어는 모델이 실제 사용 환경을 정확히 반영하는지 확인합니다. 이는 주로 유한 요소 해석(FEA)을 통해 이루어지며, 이를 통해 디지털 트윈 모델의 정확성을 보장할 수 있습니다.

 

 

 

 

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