방진마운트 적용 장비의 진동규격 분석절차에 관한 연구

이 연구와 관련된 연구를 살펴보면, MIL-STD-810은 무기체계의 수명단계(life phase)에 따라 진동 노출 상황을 생산/정비단계(manufacture/maintenance phase), 운송단계(transportation phase), 작전단계(operational phase), 추가단계(supplemental phase)의 4개로 구분한다. 생산/정비단계는 제조사의 제조공정 상에서 노출될 수 있는 진동환경을 지칭하며 조립‒정비 공정/선적취급/ESS(environmental stress screening) 시험으로 구분될 수 있다. 운송단계는 무기체계가 제조사로부터 제작완료되어 이동수단에 의해 전방공급지역(FSA)까지 운반되는 상황시 노출되는 진동에 대해 무기체계에 요구하고 있으며 이동수단 형태별로 다양한 측정결과의 프로파일을 제공하고 있다. 작전단계는 무기체계가 운용환경 수명싸이클 기간 동안 노출되는 진동 수준에 대해 플랫폼별로 카테고리를 분류하여 그 특성과 관련규격을 제시하고 있다⁽¹⁾.

장진 등은 시험조건이 만들어진 배경과 변화의 흐름을 전반적으로 이해하여 목적에 맞는 시험조건으로 테일러링하는 것이 중요하다고 하였다⁽²⁾.

이종학 등은 진동 프로파일을 고려하지 않는 방진마운트 적용은 오히려 부품의 파손을 야기시키기 때문에 진동 특성을 고려한 분석이 필요하며 최적화 설계시 부피 및 질량을 절감하고 더 나아가 방진마운트를 배제하는 방안도 얻을 수 있다고 하였다⁽³⁾.

손동훈 등은 차량 탑재 방식으로 발생하는 진동 입력 조건시 캐비닛 구조물 설계에서는 미 군사 규격에서 제시하는 진동규격을 통해 요구되는 시스템 주파수를 선정하고 이를 수치해석으로 분석하여 구조적 강건성을 확인하는 것이 필요하다고 하였다⁽⁴⁾.

이에 따라 무기체계가 노출되는 진동 환경을 관련 규격을 통해 목적에 맞는 조건을 정립하고 적절한 방진마운트 선정 및 신뢰성 있는 검증이 필요하다.

통상 개발되는 무기체계는 개발 단계 초기에는 전체 수명단계가 완성되지 못하기 때문에 우리는 MIL-STD-810에 제시되어 있는 미국의 사례와 측정결과를 적용하는 것이 일반적이다. 실측데이터를 사용할 수 없는 차륜형 차량 탑재 장비의 진동 가진 프로파일로 지정되는 Category-4 composite wheeled vehicle의 경우도 운송단계(무기체계의 배송)를 대표하며 804 km 당 각 축당 40분씩의 가진시간을 제시하고 있다.

미국의 경우 항만집결지역(PSA) ~ 전방공급지역(FSA)의 거리가 일반적으로 804 km를 적용하고 있다. 한국의 경우는 국토가 작기 때문에 제조사에서 사용부대까지 운반되는 경우 항공/선박에 의한 이동은 거의 없으며, 대부분 최대 450 km 이하의 육상 도로를 이용한 이동형태이므로 측정결과가 없다면 MIL-STD-810을 활용하여 실제보다 악조건으로 검토를 수행할 수 있다.

작전단계에서도 실측데이터를 사용할 수 없는 경우에는 Figure 514.7C-4 프로파일을 적용하는 것을 제시하고 있다. 그러나 가능하다면 실제 노출되는 진동환경의 동특성 실측데이터를 적용하는 것이 운송단계와 작전단계 모두 규격에서 추천되는 방법이다. 통상 무기체계의 개발단계에서는 시제장비가 제작되는 과정이므로 개발시험평가 시에는 규격에서 제시되는 프로파일을 적용하여 진동시험을 수행하며, 시제장비가 통합된 이후에 포장/비포장/야지 주행시험시 동특성 실측데이터를 확보할 수 있으므로 향후 양산품에 테일러링된 진동규격을 적용하게 된다.

이 연구에 적용한 무기체계는 Fig. 1과 같이 군용 트럭 적재부에 쉘터 형태로 탑재되는 전자장비 시스템으로 지휘통제, 통신, 감시정찰, 교전/통제 분야에 일반적으로 적용되는 유형이다. 이러한 탑재 형태는 랙장비가 시스템의 전자적/전기적 핵심 구성품으로 적용되며 이동 간 입력되는 노면의 진동으로부터 보호하기 위해 방진마운트를 통해 저감시키는 방법을 주로 적용하고 있다.

Fig. 1

Mobile system of shelter type

통상적으로 약 20 U(1 U = 44.45 mm) 이상의 랙 높이를 갖게 되는 랙조립체는 Fig. 2와 같이 하부와 후면의 방진마운트를 적용하고 있다.

Fig. 2

Application of isolator (wire rope)

따라서, 주행 중 노면을 통해 입력되는 진동은 Figs. 3~4와 같이 지면 → 차량 샤시 → 차량 적재부 → 구조물 또는 쉘터 → 랙조립체 하부/후면 방진마운트 → 랙장비에 이르는 경로로 전달되며 랙조립체의 방진마운트에서 대부분의 진동을 저감하게 된다.

Fig. 3

Vibration transfer of outside the shelter

Fig. 4

Vibration transfer of inside the shelter

이렇게 방진마운트 적용 구조에 적용되는 장비를 진동시험으로 검증하기 위한 프로파일은 통상 노면과 차량에 의해 적재부로 입력되는 시스템 진동 수준을 적용해 왔다. 이는 방진마운트의 적용 유무에 따라 설계변경을 예방하기 위해 보수적이고 과도한 시험으로 검증하였다는 것이다.

그러나 최근 장비는 첨단화, 소형화, 경량화의 요구가 높기 때문에 진동 프로파일이 실제 랙장비에 전달되는 수준을 예측하여 방진마운트에 의해 저감된 수준을 적용하는 것이 합리적이다.

차량 탑재형 쉘터시스템의 수송 중 진동은 실 장비의 제작 전에 정립되어야 하며 탑재차량 및 적용장비의 제원이 무기체계별로 상이하기 때문에 입력 진동의 실측데이터 확보가 불가능하여 Fig. 5, Table 1과 같이 MIL-STD-810규격에서 제시하는 Catregory-4 Composite wheeled vehicle vibration exposure 프로파일을 따르는 것이 일반적이다.

Fig. 5

Vibration profile (MIL-STD-810, category 4)

Table 1

Vibration profile (data)

무기체계의 개발 프로세스상 환경시험에 해당하는 진동사양은 실제 장비가 구현되지 않는 상세설계 단계에 정립되어야 한다. 특히, 진동 사양은 각 장비가 다양한 설계방안을 검토하게 되는 시스템 설계 초기단계에서부터 설정되어야 부품 선정, 설계 구조를 결정하게 된다. 따라서, 다양한 기계적 설계 사양이 가설정 형태로 정립되는 설계 초기 단계에서 1차적 진동 응답을 예측하는 방법은 랙조립체를 단순 하부 방진마운트만 반영된 1자유도계로 간주하여 빠르고 쉽게 획득하는 것이 효과적이다.

랙장비조립체는 내부 가진요소없이 주행시 차량에 의한 외부 가진만 받는 구조이다. 따라서, 1자유도계 진동모델은 대상물(m)인 랙장비조립체를 질량으로 표현하고 외부 가진에 의한 입력 변위가 발생하는 바닥을 기준으로 강성요소와 댐핑요소에 연결된 Fig. 6좌측 그림과 같이 나타낼 수 있으며, Fig. 6우측 그림으로 단순화하면 식 (1)~ 식 (2)와 같이 표현할 수 있다. 이 때, 상대변위 x‒ y= z로 치환하면 식 (3)~ 식 (4)로표현할 수 있고 감쇠율과 고유주파수로 치환하면 식 (5)를 얻을 수 있다⁽⁵⁾.

Fig. 6

Single-degree of freedom system

상대변위(z)를 z= x- y로 표현하면,

(c/m) = 2ξω_n, (k/m) = ω_n²이므로

가진을 조화함수로 간주하여 라플라스 변환을 통해 식을 정리하고 감쇠된 고유주파수의 변수로 식 (6)~ 식 (7)을 적용하면 상대변위의 함수는 식 (8)과 같이 정리할 수 있다.

식 (8)을 활용하여 시스템 초기의 가정조건을 반영한 랙장비에 전달되는 진동 응답 수준을 분석한 결과는 Table 2, Figs. 7~ 9와 같다. 시스템 설계 초기에는 랙장비조립체의 고유주파수를 알 수 없기 때문에 가선정된 방진마운트의 고유주파수와 가선정한 방진마운트의 카탈로그 제시 감쇠비를 반영하였다.

Table 2

Input & Results of calculation

Fig. 7

Results of calculation (vertical)

Fig. 8

Results of calculation (transverse)

Fig. 9

Results of calculation (longitudinal)

계산결과 5 Hz ~ 30 Hz 구간에서 입력 대비 높은 PSD(power spectrum density)값으로 나타났다. 이것은 3축 모두 입력 프로파일이 5 Hz ~ 15 Hz에서 높은 수준으로 가진되고 있으며 입력한 시스템의 고유주파수 21 Hz이기 때문에 나타나는 경향을 나타나는 결과라 볼 수 있다. 시스템 고유주파수를 21 Hz로 선정한 이유는 외란주파수가 5 Hz ~ 15 Hz 범위에서 높게 입력되기 때문에 외란/고유 주파수 비를 최대한 낮게 설정하여 진동 전달률을 1에 근접하도록 설계하였기 때문이다. Fig. 10진동 전달률 그래프에서 나타나는 바와 같이 외란/고유 주파수 비가 $$ \sqrt{2}$$이상이어야 진동 감쇠가 일어나지만 외란주파수가 5 Hz ~ 15 Hz와 같이 범위를 갖는 저주파수 대역일 경우 5 Hz 이하에서는 $$ 1/\sqrt{2}$$배인 3.54 Hz 이하의 고유주파수를 갖는 방진마운트를 적용해야 하는데 군용 환경조건을 만족하면서 요구되는 특성을 만족하는 방진마운트 형태가 없다. 따라서 외란주파수의 상한인 15 Hz를 기준으로 주파수 비의 반대방향인 낮은 주파수 비로 설계하는 것이 현실적인 방법이다.

Fig. 10

Vibration transmissibility

무기체계 개발 중 설계 확정 후 제작진행 단계에서는 실물과 거의 유사한 형태가 정립되기 때문에 시스템 초기에 할 수 없었던 구체적인 분석을 진행할 수 있다. 설계된 장비의 형상, 제원, 물성값 등을 활용하여 방진마운트의 사양, 위치 등을 CAE를 통해 모델링하고 모드해석 및 랜덤진동해석을 수행함으로써 방진 대상 장비인 랙조립체의 모드특성과 가진 입력 프로파일이 랙장비에 전달하는 진동 응답을 Table 3, Figs. 12~ 14와 같이 얻을 수 있다.

Table 3

Natural frequency & mode shape

Fig. 11

CAE analysis model

Fig. 12

Shape of 1st. mode (12.8 Hz)

Fig. 13

Shape of 2nd. mode (20.4 Hz)

Fig. 14

Shape of 3rd. mode (23.9 Hz)

해석모델은 각각의 랙장비의 물성값을 모델링하여 무게중심과 제공된 예상중량을 반영하였으며, 랙장치대와 기계적인 인터페이스는 구속조건을 활용하여 반영하였다. 방진마운트도 제조사에서 제공되는 방향별 강성값을 반영하여 설계와 동일한 인터페이스에 적용하였다.

모드해석 검토결과 Fig. 5, Table 1의 가진 입력 프로파일의 주파수 중 높은 PSD가 입력되는 5 Hz ~ 16 Hz 구간을 최대한 회피하기 위해 설계 변경을 반복하였으나 1차 모드는 12.8 Hz로 불가피하게 중첩되어 있음을 확인할 수 있다. 랙조립체는 일반적으로 6면이 개방된 형상의 타워형으로 무게중심이 높고 전방에 치우쳐져 있기 때문에 1차 모드 고유주파수를 20 Hz 이상 높이는 것은 매우 어려운 조건이 필요하다. 형상 설계 초기 1차 ~ 5차까지 입력 주파수와 중첩하였으나 탑재 랙장비의 설계 확정 및 그에 맞는 방진마운트 및 프레임의 설계 변경을 반복한 결과 좋은 특성을 보이는 설계방안을 도출할 수 있었다. 결론적으로 Fig. 12의 1차 모드 거동은 축방향에 직접적인 방진마운트가 없는 가로방향 / 12.8 Hz에서 발생하고 있고, Fig. 132차 모드 거동은 무게중심의 전방 쏠림현상과 후면 방진마운트 2개소에 의한 전후방향 / 20.4 Hz에서 발생하고 있다. 끝으로 Fig. 143차 모드 거동은 수직방향 / 23.9 Hz에서 발생하고 있다.

다음으로 랜덤 진동해석을 수행하여 차량을 통해 입력되는 진동 프로파일은 Table 4, Figs. 15~ 17과 같이 10 Hz ~ 20 Hz 구간에서 증폭되며 30 Hz를 기점으로 크게 감쇠되는 경향을 나타내고 있다.

Table 4

Input information of analysis

Fig. 15

Results of CAE analysis (vertical)

Fig. 16

Results of CAE analysis (transverse)

Fig. 17

Results of CAE analysis (longitudinal)

저주파수에서 증폭되는 현상은 대상 랙조립체의 유효질량분포가 높은 1차 모드 ~ 3차 모드가 각각 12.8 Hz, 20.4 Hz, 23.9 Hz에서 발생하기 때문으로 해석된다. 증폭 현상에 의한 응력 수준을 살펴보면 3시그마 조건에서도 랙프레임 재질인 알루미늄의 항복응력 270 MPa을 넘지 않는 수준으로 랙조립체 구조 및 전자모듈에 응력을 가하고 있기 때문에 문제를 발생시키지 않을 것으로 판단된다.

결국 산출된 응답은 장비가 방진마운트를 통과하여 저감된 진동 수준으로 전달됨을 나타내며, 장비의 단독 진동시험 검증 시에는 이 프로파일이 입력 프로파일로 적용되어 적합성에 대한 판단을 수행할 수 있다. Table 4의 감쇠비는 상세설계간 최종 선정된 방진마운트의 제조사 제시 감쇠비이며, 적색 응답그래프는 개별 질량으로 반영한 랙장비 중 높은 PSD와 응력을 나타낸 최상단 랙장비의 무게중심을 기준으로 도시하였다. 실제 진동시험 입력 프로파일로 적용 시에는 산출된 경향을 포함할 수 있으며 보다 단순화된 그래프 형태로 보완이 필요하다.

Table 2, Figs. 7~ 9와 Table 4, Figs. 15~ 17을 비교한 결과 Table 5와 같이 2개의 진동 응답 결과는 가로방향을 제외한 나머지 2개 방향에서 매우 유사한 경향을 나타내고 있다. 가로방향에서 차이를 보이는 이유는 대상 랙조립체가 입력 프로파일 주파수와 중첩되는 12.8 Hz에서 좌/우 모드의 공진이 발생하기 때문으로 해석된다. 30 Hz 이상 주파수 대역에서 발생하는 차이는 그 수준이 미미하기 때문에 무시하였다.

Table 5

Results of calculation

결과적으로 이 논문에서 제안하는 설계 초기 1자유도 계산 추정 후 CAE 해석 검증 방안은 대상물의 공진주파수 특성을 제외하면 매우 유사한 결과를 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 단지, 대상물의 고유주파수는 PSD가 높은 입력 주파수 대역을 충분히 회피하도록 설계 최적화를 수행해야 하며, 불가피하게 중첩되는 주파수에 대해서는 그 수준을 보고 설계 확정 여부를 결정해야 한다.