HALT 진동 테스트와 FDS의 실제 활용 사례(Fatigue Damage Spectrum,Highly Accelerated Life Test,vibration testing,reliability engineering,HASS)

 

목차

 

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HALT 진동 테스트

 

아래 예제는 피로 손상 스펙트럼(FDS, Fatigue Damage Spectrum)을 HALT(Highly Accelerated Life Test) 진동 스텝 스트레스 테스트의 지표를 이용해 비교 및 검증 작업을 수행합니다.

 

캘리브레이션 검증

 

이 예시는 서로 다른 제작사의 구조가 다른 두 대의 HALT 기계를 비교합니다. 두 기계 모두 캘리브레이션 상태가 이상적이지는 않았지만, 비교 자체는 유의미합니다.

 

ObserVIEW FDS(Fatigue Damage Spectrum) 비교, 팜테크

테스트 수요는 6 gRMS, 12 gRMS, 20 gRMS였습니다. 개별 x, y, z 제어 트레이스가 수요에 맞지 않았기에, 두 기계의 x, y, z 벡터 RMS 값을 산출하였습니다. 그 중 6 gRMS에서는 B 기계가 상대적으로 높게 나타났습니다.

우측의 두 개의 FDS 그래프는 작동 주파수 범위의 차이를 보여줍니다. 상단 그래프는 각 스텝 스트레스(6, 12, 20 gRMS)에 대한 x+y+z 결합 FDS입니다. 하단 그래프는 각 스텝 스트레스의 합산 FDS입니다. 그 결과 B 기계가 거의 전 주파수 영역(30 Hz ~ 7,500 Hz)에서 A 기계보다 상당히 더 많은 손상을 주었습니다.

이 비교는 다소 극단적일 수 있지만, 엔지니어들이 HALT 테스트 중 자주 가지는 질문, 예컨대 “왜 내 제품이 기계 B에서는 실패했는데 기계 A에서는 그렇지 않았을까?”라는 질문을 잘 보여줍니다. 두 기계 모두 지정한 시간 동안 6, 12, 20 gRMS로 작동했음에도 불구하고, 부품이 한 기계에서는 연속적으로 실패했고 다른 기계에서는 그렇지 않았습니다.

만약 제품이 25 Hz에서 공진이 있다면, 기계 A에서 훨씬 더 빠르게 실패할 것으로 예상될 수 있지만, 다른 주파수라면 반대의 결과가 나올 수도 있습니다. 이 예시는 HALT 기계가 생성하는 에너지의 스펙트럼 형태를 이해하는 것이 얼마나 중요한지를 보여줍니다.

 

위치별 차이 및 스텝 스트레스 조합의 영향

 

이 예시는 앞선 예보다 캘리브레이션 상태가 더 나은 HALT 기계에서 시행된 여섯 가지 스텝 스트레스를 보여줍니다: 5, 10, 15, 20, 30, 40 gRMS. 제어 센터는 테이블 중앙이었으며, 테이블의 중앙, 가장자리 및 코너에 3축 가속도계를 장착했습니다.

 

ObserVIEW FDS(Fatigue Damage Spectrum) 비교, 팜테크

 

다른 위치(중앙, 코너, 가장자리)에서는 각 스텝 스트레스 수준에서 진폭에 극심한 차이가 있었습니다. 중앙 제어 지점은 수요 RMS 수준에 가까웠지만, 코너 및 가장자리 위치는 진폭이 현저히 낮았습니다.

우측의 두 개의 FDS 그래프는 두 가지 시나리오를 제공합니다. 상단 그래프는 각 스텝 스트레스에서 세 위치에 대한 누적 피로(Accumulated Fatigue)를 보여줍니다. 만약 엔지니어가 제품을 서로 다른 위치에 장착했다면, 서로 다른 피로 손상 수준을 경험했을 것입니다.

하단 그래프에서 파랑 선은 각 스텝 스트레스에서 30분씩 진행하여 3시간 동안 누적된 FDS를 나타냅니다. 보라 선은 40 gRMS에서 3시간 누적된 피로입니다. 이 비교는 동일 시간 동안 최고 스텝 스트레스(40 gRMS)만을 적용했을 때보다 스텝 스트레스를 순차적으로 진행했을 때 제품에 가해지는 손상의 차이를 보여줍니다. 배경의 녹색 하이라이트 구역은 스텝 스트레스 방식이 동일 시간 동안 40 gRMS로만 머무르는 방식보다 더 많은 손상을 유발한 영역입니다. 만약 제품의 공진 주파수가 이 녹색 영역 내에 있다면, 스텝 스트레스 방식이 40 gRMS 단독 방식에서는 발생하지 않을 수도 있는 실패를 유발할 수 있습니다.

 

A/B 비교 또는 HASS용 수요 산출

 

수요를 산출하는 것은 여러 응용 분야에서 유용합니다. 예컨대 엔지니어는 FDS 수요를 생성해 제품 개정품을 비교하거나 스크리닝용으로 사용할 수 있습니다.

 

ObserVIEW FDS(Fatigue Damage Spectrum) 비교, 팜테크

개발 초기 단계(R&D)에서 엔지니어는 초도 설계를 시험하고, 제품이 실패하면 설계를 변경한 뒤 다시 HALT 기계에 투입하여 실패까지 테스트를 진행합니다. FDS 그래프는 새 설계가 누적된 피로 지속량이 얼마나 변화했는지를 판별해 줍니다. 만약 엔지니어가 실패까지 테스트를 진행 중이라면, 이제 실패를 발생시키는 데 필요한 시간 및 새 설계가 추가로 견딜 수 있는 상대적 손상량을 알 수 있습니다.

또 다른 응용은 고가속스트레스스크리닝(HASS, Highly Accelerated Stress Screening)을 위한 HALT 비율(예: 10%)을 정의하는 것입니다. 엔지니어는 HALT 수준을 누적하고, 결합된 FDS를 생성한 뒤 이를 특정 비율(이 경우 10%)까지 축소할 수 있습니다. 이 새로운 수준을 HASS의 테스트 수요로 사용할 수 있습니다. HASS를 통과하기 위해서는 누적된 피로가 이 수준을 초과해야 하며, 이는 테스트가 원하는 수명의 10% 이상을 만족했음을 보여줍니다. 이 응용은 주로 설계 개정품 비교, HALT 수준 결정, 기계 간 비교 등과 같은 비교 목적에 사용됩니다.

 

 

HALT와 시험 사양 비교

 

이 예시는 여러 시험 사양이 실행된 여러 번의 테스트와 각 테스트의 FDS를 보여줍니다. 이는 다음과 같은 질문에 답하는 데 도움이 됩니다: “나는 내 제품을 HALT에서 생존시키기 위해 설계하고 있는가, 아니면 인증의 일부로서 시험 사양을 만족하도록 검증하려 하고 있는가?”

 

시험 규격과 HALT 테스트 비교, 팜테크

우리는 시험 사양의 FDS 수준과 HALT 테스트의 FDS를 비교할 수 있습니다. 이 비교는 여기서 자극된 주파수 범위의 차이를 보여줍니다. 상단 FDS 그래프는 6 단계 스텝 스트레스에서 10 분씩 실행한 누적 FDS입니다. 우리는 이를 시험 사양의 FDS 수준과 비교할 수 있으며, 또한 10 분 스텝 스트레스와 1시간 스텝 스트레스 간의 차이를 보여주도록 FDS를 스케일링하였습니다.

 

 

HALT와 필드 데이터 비교

 

이 비교는 앞선 것과 유사하지만 HALT 데이터와 현장(field) 데이터를 비교한다는 점이 다릅니다. 이 경우 자동차 관련 데이터가 10,000시간(즉 1 라이프타임)으로 스케일링 되어 있습니다. 만약 제품이 이 시점에서 실패했다면, 엔지니어는 해당 자동차가 실제 사용 환경을 끝까지 견딜 수 있는지 우려하게 됩니다.

 

FDS는 넓은 주파수 범위에 걸친 잠재적 손상을 고려합니다. 이 접근 방식은 HALT 기계 또는 HALT 진동 테이블의 특성이 변경되더라도 제품에 최소 수준의 피로가 도입되도록 보장합니다. FDS는 HASS에도 HALT와 똑같이 적용 가능하며, 엔지니어가 장착 위치나 방향, 기계 변경 등 HALT 내 다양한 시나리오를 효과적으로 비교할 수 있게 해줍니다. 또한 실제 사용 환경과의 비교, 여러 제품 버전 간 비교를 통해 설계 변경을 검증하는 데에도 유용합니다.

 

 

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