무작위 진동 시험과 가속 기법: 피로 손상 예측(Random Vibration Test, Vibration Test Acceleration, Fatigue Damage Spectrum (FDS), Miner’s Rule Fatigue Analysis, Single Degree of Freedom (SDOF) System, Rainflow Cycle Counting, Quality Factor (Q Value), S-N Curve Slope (m valu

 

목차

 

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무작위 진동 시험(Random Vibration Test)

 

A random acceleration waveform

 

무작위 진동 시험은 실제 제품이 사용하는 환경에서 받게 되는 복잡하고 예측 불가능한 진동을 실험실에서 재현하는 방법입니다. 단순히 한 가지 주파수로만 진동을 주는 사인파 시험과 달리, 무작위 진동 시험은 특정 주파수 대역 전체에 걸쳐 다양한 주파수를 동시에 인가합니다. 이렇게 하면 제품이 가지고 있는 여러 개의 고유 진동수(공진 주파수)를 한 번에 자극할 수 있으며, 실제 사용 환경과 유사한 조건을 짧은 시간 안에 재현할 수 있습니다. 따라서 제품의 내구성을 빠르게 평가하고, 약한 부분을 조기에 찾아낼 수 있는 장점이 있습니다.

 

 

피로 손상 스펙트럼(Fatigue Damage Spectrum, FDS)

 

FDS calculation process

 

FDS는 제품이 현실에서 받는 진동으로 인해 축적되는 피로 손상(fatigue damage)을 이론적으로 계산하고, 이를 시험실에서 단축된 시간 안에 모사할 수 있도록 도와주는 지표입니다. 계산에는 마이너의 누적 손상 법칙이 활용되며, 이는 여러 진동 사이클이 쌓일수록 제품의 손상이 축적된다는 원리를 기반으로 합니다. 시험 소프트웨어는 실제 측정 데이터를 분석해 주파수별 손상 정도를 산출하고, 이를 바탕으로 제품이 짧은 시간 안에 실제 환경과 유사한 손상을 입도록 진동 시험 조건을 설정합니다. FDS를 적용하면 무작정 오래 테스트하지 않고도, 실제 환경에 맞는 가속 시험을 설계할 수 있습니다.

 

 

Q 값 (Quality Factor)

Q 값은 특정 진동 시스템이 얼마나 잘 공진하는지를 나타내는 지표로, 일종의 진동의 날카로움을 설명합니다. Q 값이 높다는 것은 감쇠가 적고, 진동이 오랫동안 유지된다는 뜻입니다. 반대로 Q 값이 낮으면 진동이 빨리 줄어듭니다. 진동 시험에서 FDS를 계산할 때, 제품의 공진 특성을 반영하기 위해 Q 값을 설정합니다. 보통 제품의 실제 공진 주파수보다 같거나 큰 값을 사용하며, 이를 통해 현실적인 피로 손상 평가가 가능해집니다.

 

 

 

S-N 곡선의 기울기(m)

S-N 곡선은 재료가 얼마나 큰 응력(stress)을 몇 번의 반복 하중(cycle)까지 견딜 수 있는지를 나타낸 그래프입니다. 이 곡선에서 기울기(m)는 응력 수준과 반복 횟수의 관계가 얼마나 민감한지를 의미합니다. 예를 들어, m 값이 크면 작은 응력 증가에도 제품의 수명이 급격히 줄어든다는 뜻입니다. 따라서 m 값은 FDS 계산에서 핵심적인 입력값이며, 제품이 실제 환경에서 얼마나 빨리 손상될지를 예측하는 데 중요하게 작용합니다.

 

 

SN 커브

 

 

 

첨도(Kurtosis)

첨도는 신호가 얼마나 극단적인 진동 피크(peak)를 자주 가지는지를 나타내는 통계적 지표입니다. 일반적인 무작위 진동 제어에서는 가우시안 분포(첨도=3)를 가정하지만, 실제 환경은 가우시안 분포보다 훨씬 큰 진동 피크가 자주 발생하는 경우가 많습니다. 따라서 현실을 더 정확히 모사하려면 첨도를 높여 설정할 수 있습니다. 예를 들어, Kurtosion과 같은 기능을 사용하면 평균 진동 수준은 유지하면서도 극단적인 충격성 진동을 더 자주 발생시킬 수 있어, 실제 환경과 비슷한 조건에서 제품을 시험할 수 있습니다.

 

 

가속도·속도·변위의 관계와 활용

진동을 측정할 때 중요한 물리량은 가속도, 속도, 변위 세 가지입니다. 이들은 수학적으로 서로 연결되어 있어, 가속도는 속도의 시간 변화율이고, 속도를 적분하면 변위가 됩니다. 시험 목적에 따라 어떤 물리량을 사용할지가 달라집니다. 고주파수 진동이나 충격을 분석할 때는 가속도가 유리하고, 구조물의 큰 움직임이나 저주파 진동을 볼 때는 변위가 더 적합합니다. 속도는 이 두 가지의 중간적 성격을 가져, 회전 기계의 진동 분석에서 많이 활용됩니다. 즉, 시험자가 무엇을 알고자 하는지에 따라 적절한 물리량을 선택하는 것이 중요합니다.

 

 

 

ObserVR로 구현하는 실시간 FDS 측정

ObserVR1000 차량 측정 셋업

 

 

ObserVR의 특징

 

ObserVR은 Vibration Research에서 개발한 휴대용 진동 데이터 수집기(Data Acquisition System)입니다. 이 장비는 단순한 레코더가 아니라, 현장에서 바로 분석까지 가능한 스마트 장비라는 특징을 가집니다.

 

• 실시간 FDS 분석
  ObserVR은 데이터를 수집하면서 동시에 FDS를 계산합니다. 따라서 사용자는 특정 환경에서 제품이 받는 누적 피로 손상을 현장에서 바로 확인할 수 있습니다.
• 시간 도메인 기반 분석
  ObserVR은 단순 FFT 분석이 아니라, rainflow cycle counting과 SDOF(단자유도 시스템) 응답 분석을 활용하여 피로 손상을 산출합니다. 따라서 보다 현실적이고 정확한 FDS를 제공합니다.
• 휴대성과 현장 적용성
  랩 환경이 아닌 실제 사용 환경(차량, 항공기, 선박, 산업 현장 등)에서도 장비를 설치하고 곧바로 데이터를 기록·분석할 수 있습니다. 노트북이나 별도의 대형 장비가 필요하지 않으므로, 현장 검증에 매우 적합합니다.
• VibrationVIEW 및 ObserVIEW와 연동ObserVR은 단독으로도 강력하지만, 후처리 및 시험 설계 단계에서는 Vibration Research의 소프트웨어인 VibrationVIEW와 ObserVIEW와 연동됩니다. 이로써 데이터 수집 → 실시간 분석 → 후처리 및 시험 설계라는 전 과정을 하나의 에코시스템 안에서 해결할 수 있습니다.

 

해당 내용과 관련해서 팜테크에서 시스템 솔루션을 제공하고 있습니다.  관심 있으시면 아래 홈페이지 또는 연락처를 통해 문의 주시면 됩니다. :)

 

https://famtech.co.kr/sub04/01_01.php

팜테크