Modeling, Analysis and Propose improved Design of Smart Phone Cradle

(1)

- 42 -

스마트폰 거치대 모델링, 해석 및 설계 개선방안 제안

김영재· 박상진 중앙대학교 기계공학부

Modeling , Analysis and Propose improved Design of Smart Phone Cradle

Young-jea Kim 〮 Sang-jin Park

School of Mechanical Engineering, Chung-Ang University

1. 서 론

1.1 주제 선정 이유

최근 스마트폰 내비게이션 어플의 발달로 많은 사람들이 스마트폰 거치대를 차량에 부착해 이용하고 있다. 거치대를 사용해본 사람이면 잘 알겠지만 차량에 부착하는 데에 많은 문제점이 있다. 고정도 잘 되지 않고, 진동에 취약하기도 하다. 이러한 문제점을 인식하고 개선하고자 스마트폰 거치대를 주제로 선정하였다.

1.2 프로젝트 개요

스마트폰 시장에서 많은 판매를 올리고 있는

‘아이팝 싱크뷰 스마트폰 홀더’를 모델로 선정하였다. FreeCAD 로 전반적인 모델링을 하고, 부족한 부분은 다른 3D 프로그램을 이용하여 보완하였다. 모델링을 완성한 후에 ANSYS 를 사용하여 진동에 취약한 부분을

개선하고, 처짐에도 강한 안전한 모델로 개선해

볼 것이다.

2. 본론

2.1 모델링

우선 ‘아이팝 싱크뷰 스마트폰 홀더’를 참조하여 기본적인 디자인의 틀을 잡았다. 두 가지 Part 로 나누어 FreeCAD 의 Part Design Session 에서 작업을 하였다. FreeCAD 에는 Assembly 기능이 없어서 CATIA 를 사용하여 두 Part 를 접합시켰다.

2.1.1 FreeCAD 를 이용한 Part Design

Free CAD 를 처음 사용해 보는 것이라 기능들을 숙지하고, 이용하는데 어려움이 조금 있었다. 특히 스케치를 할 때, 다른 CAD 프로그램과 스케치 방법과 치수를 부여하는 방법이 많이 달라 혼란스럽기도 했다. 하지만 모델링을 진행할수록 숙련도가 높아져 제법 실제와 비슷한 디자인을 만들 수 있었다.

ABSTRACT:

Thanks to the development of applications, many people are using a smart phone cradle these days. But it has some problems. First of all, it is hard to fix on automobiles. Also, it is vulnerable to external vibration.

Recognizing these problems, we decided to improve this device by using FreeCAD and ANSYS. Because FreeCAD is newly invented software, we used another 3D modeling software to cover shortages of tools in FreeCAD. Also, we used famous analysis software ‘ANSYS’ to analyze bending deformation, modal analysis, and harmonic analysis.

Key Words: Smart phone cradle, Vibration, FreeCAD, Modeling, CATIA, ANSYS, Bending deformation, Modal analysis, Harmonic analysis

452

(2)

- 43 -

그렇다면 다음에서 모델링을 하는데 쓰인 주요 기능들과 그 예를 간략히 설명해 보겠다.

①Pad

가장 쉽지만 가장 많이 쓰이는 것으로 단순히 스케치를 한 면을 밀어내어 입체로 만들어 주는 유용한 기능이다. Fig.1 과 같이 원을 스케치한 후 Pad 를 사용하면 원통 모양을 만들 수 있다.

Fig. 1 Example of Pad

②Revolve

면을 회전시켜 원통 또는 구를 만들 수 있도록 해주는 기능이다. Fig.2 의 예시와 같이 부채꼴모양의 스케치를 Revolve 를 사용하면 볼록 렌즈 모양으로 튀어나온 형상을 만들 수 있다.

Fig. 2 Example of Revolution

③Create an Arc

모델에 곡선이 많아서 스케치를 하는 것이 쉽지 않았지만 이 기능을 사용 하여 여러 개의 호를 그려서 모든 곡선을 나타낼 수 있었다. Fig.

3 의 왼쪽 그림처럼 단순한 형태의 곡선은 물론 오른쪽 그림처럼 여러 곡선으로 이루어진 형상도 쉽게 만들 수 있다.

Fig. 3 Example of Create an Arc

④Mirroring

좌우가 대칭인 형태의 구조물을 한쪽만 디자 인한 후 Mirroring 을 사용하면 쉽게 다른 한쪽도 완성할 수 있다. Fig.4 의 예시는 보강재를 한쪽만 디자인 하고 다른 쪽은 Mirroring 을 사용하여 완성한 것이다. 우리가 모델링한 거치대는 좌우가 대칭인 형상이어서 특히 많이 쓰인 기능이다.

Fig. 4 Example of Mirroring

⑤Pocket

구멍을 뚫거나 원하는 모양대로 파내고 싶을 때 사용하는 기능이다. Fig.5 의 예시처럼 길게 파내고 싶을 때에도 Pocket 을 사용하면 된다.

Fig. 5 Example of Pocket

⑥Pattern

같은 모양이 일정한 간격으로 반복될 때 한번만 디자인한 후 이 기능을 사용하면 쉽게 반복되는 패턴을 구현할 수 있다. Fig. 6 의 예시는 톱니모양의 패턴을 만들기 위해 하나의 톱니를 Pocket 으로 만든 다음 Pocket 을

Pattern 을 이용해 여러 개의 톱니를 만든 것이다.

453

(3)

- 44 -

Fig. 6 Example of Pattern

위와 같은 기능들을 주로 사용하고 이외의 여러 기능들을 사용하여 Fig. 7, Fig. 8 과 같이 모델링을 완성할 수 있었다. 이번 모델링을 하면서 느꼈던 FreeCAD 에서 부족하고, 아쉬웠던 점들을 아래에 정리해 두었다.

Fig. 7 First Part of the Smart Phone Cradle

Fig. 8 Second Part of the Smart Phone Cradle 2.1.2 CATIA 를 이용한 Assembly

FreeCAD 에는 Assembly 기능이 존재하지 않아서 어쩔 수 없이 다른 3D 모델링

소프트웨어를 사용하였다. CATIA 가 Assembly 를 하기 편해서 이것을 사용하기로 했다.

FreeCAD 에서 STEP 파일 형식으로 Export 하고 CATIA 에서 이를 Import 하니 잘 호환이 되었다.

Assembly 를 사용하여 Fig. 9 와 같이 최종적으로 핸드폰 거치대의 모델링을 완성하였다.

Fig. 9 Modeling Completed Using by Assembly 하지만 Assembly 과정에서 한 가지 문제점이 발생하였다. Joint 부분이 한 쪽은 구가 튀어나온 형태이고, 다른 한 부분은 구가 파인 형태로 맞물리는 형태인데 구를 파내는 기능을 찾을 수가 없어서 Fig. 10 과 같이 불완전하게 결합시킨 채로 마무리 하였다.

-FreeCAD 문제점- 1. 곡면에 포켓 생성 불가능 2. Spline 곡선 생성 불가능

3. 스케치 평면 생성 시 Offset 이 축 방향으로만 가능해 각도를 부여할 수

없음.

4. Pad 시 시작점과 끝점 설정 불가능 5. 속이 빈 Shape 형상을 Solid 형상으로

바꿔주는 기능 부재

454

(4)

- 45 -

Fig. 10 Problem with Assembly

2.2 구조 해석

Assembly 를 통해 최종적으로 완성한 모델(Fig.

9)을 구조 해석 소프트웨어인 ANSYS 에서 Mesh 를 생성하고 조건을 준 후에 해석을 해보았다. 하지만 복잡한 구조 때문인지 아니면 Fig. 10 에서의 문제점 때문인지 해석이 되지 않았다. 그래서 차선책으로 처짐과 진동에 약해 보이는 Fig. 8 에 보이는 Part 만 해석을 하는 방식으로 프로젝트를 수행하기로 하였다.

해석에 관한 세부 설정 내용들은 Table1 에 자세히 정리해 두었다.

Table 1 Stipulation of Certain Terms

항목 설정내용

해석 시스템 Static Structural, Modal, Harmonic 단위 시스템 Metric (kg, mm)

적용 재질 Polyethylene 하중 조건 외력, 외부 가진 2.2.1 처짐 해석

우선 외부 가진이 없을 경우, 즉 자동차가 멈춰 있는 상황에서 해석을 해보았다. 거치대에 Fig. 7 에 보이는 Part 의 무게를 60g, 스마트폰의 무게를 140g 이라고 가정하여 총 200g 의 무게를 고려하여 F = 1.96N 의 힘을 해석 조건에 넣어주었다. 그리고 바닥면은 자동차에

부착되어 있으므로 Fixed support 시켜주었으며 마지막으로 중력을 추가했다. (Fig. 11 참고)

Fig. 11 Analysis Settings

그 결과, Fig.12 에서 보이는 바와 같이 joint 부분에서 최대 9.2mm 의 처짐이 발생하는 것을 확인하였다. 생각보다 많은 처짐이 발생하여 추후에 설계 개선방안을 고안해 줄여 볼 것이다.

Fig. 12 Total Deformation by Static Condition 2.2.2 모달 해석(Modal Analysis)

다음으로 모델의 진동 모드 형상과 고유진동수를 구하기 위해 모달 해석을 수행하였다. 진동을 일으키는 자동차 안의 상황을 만들기 위하여 거치대 밑에 얇은 판을 생성하여 옆면은 고정시키 위아래로 떨리도록 설정해 주었다. 그러고 나서 모달 해석을 수행 한 결과 Fig. 13 과 같이 1~6 차 모드 shape 에 따른 각자의 고유진동수들이 구해졌다. 1 차 모드의 고유진동수는 16Hz 이며, 모드 형상은 Fig. 14 과 같았다.

455

(5)

- 46 -

Fig. 13 Modal Graph and Tabular Data

Fig. 14 Total Deformation by First Modal analysis 2.2.3 하모닉 해석(Harmonic Analysis)

자동차 주행시 발생하는 주기적인 진동에 대한 모델의 진동 응답을 알아보기 위해 하모닉 해석을 수행하였다. 얇은 판 부분에 1N 의 주기적인 가진력이 작용하도록 Fig. 15 와 같이 조건을 부여하였다.

Fig. 15 Harmonic Analysis Settings 다음으로 모달 해석에서 얻은 6 개 모드의 고유진동수 전체 영역에 대해서 공진 여부를 확인하기 위해 진동수 범위를 0~ 200Hz 로 설정하였다.

Fig.16 에서 보이는 바와 같이 Frequency Response 를 확인하니 16Hz 일 때 Amplitude 가 최대이고, 26Hz 에서 두 번째 피크점이

발생하였다. 앞의 Modal 해석에서 1 차와 2 차 모드에서 공진이 발생했음을 알 수 있다.

Fig. 16 Frequency Response

최대 응답 주파수 16Hz 에서의 실제 변위는 아래의Fig. 17 에서 볼 수 있듯이 47mm 가 변화하여 파단됨을 알 수 있다. 이 역시 처짐과 마찬가지로 개선이 필요한 부분이므로 설계 디자인을 바꾸어 진동으로 인한 파단을 막아 보도록 할 것이다.

Fig. 17 Total Deformation by Harmonic Force 2.3 개선 방안

앞서 보았듯이 기존의 디자인은 처짐이 9.2mm 발생할 뿐만 아니라 1 차 mode 에서 공진이 발생하는 지점이 16Hz 로 자동차의 주행 평균 rpm 이 1000~3000 이므로 이를 60 으로 나누면 15~50Hz 인 구간에 있으므로 공진으로 파괴될 위험이 있다. 이를 피하기 위해서는 공진 지점을 15~50Hz 구간 밖으로 빼내야 하므로 개선이 시급하다.

2.3.1 첫 번째 개선 아이디어

456

(6)

- 47 -

처짐과 진동에 취약한 부분을 개선하기

위해서 가장 쉬운 방법은 재료를 바꾸면

되겠지만 가격이 많이 오를 수 있는 비효율적인 방법이므로 디자인만 바꿔 보기로 하였다.

우리가 고안한 첫 번째 아이디어는 Fig. 18 의 동그라미 쳐진 부분과 같이 보강재를 더 길게 만들어 주는 것이다. 보강재가 길어지면

구부러지는 것을 막는 힘이 더 강해질 것이라고 생각하였기 때문이다.

Fig. 18 First Idea for Improvement 2.3.2 두 번째 개선 아이디어

두 번째 아이디어로 Fig. 19 와 같이 원래는 평평했던 부분을 물결 모양으로 바꾸어 주었다.

종이로 치면 단순히 평평한 종이는 쉽게 구부러지지만 물결모양의 종이는 위 아래로 흔들어도 구부러지기 어렵다는 원리를 이용한 것이다.

Fig. 19 Second Idea for Improvement 이 두 가지 아이디어를 적용하여 ANSYS 로 해석을 해보았다. 그 결과 처짐은 3.5mm 로 많이 개선이 되었지만(Fig. 20 참고), 진동 해석 결과 최대 응답 주파수가 2 차 모드에서 40Hz (Fig. 21 참고)로 공진이 일어나 34mm 의

deformation 이 발생하는 것을 확인하였다. 이 역시 자동차의 평균 진동수인 15~50Hz 에 속하므로 여전히 개선이 필요하다.

Fig. 20 Total Deformation of Improved Design

Fig. 21 Frequency Response of Improved Design

Fig. 22 Harmonic Response of Improved Design 2.3.3 세 번째 개선 아이디어

세 번째 아이디어로는 Fig. 23 의 동그라미 쳐진 부분을 더 두껍게 해주는 것이다. 곡선 부분을 지탱해주는 부분의 두께를 두껍게 해준다면 진동을 좀 더 흡수할 수 있을

것이라고 생각하였기 때문이다. 이를 통해 또한 처짐도 더욱 개선 될 것이라고 생각한다.

457

(7)

- 48 -

Fig. 23 Third Idea for Improvement

이를 ANSYS 에서 처짐 해석과 진동 해석을 한 결과, 처짐은 3.36mm 로 기대보다 조금 개선되었지만(Fig. 24 참고) 진동에 의한 응답은 Fig. 25 와 같이 15~50Hz 구간 사이에서 공진이 발생하지 않는 것을 발견하였다. 그리고 최대 응답 주파수인 37.5Hz 에서 deformation 을 분석한 결과 6mm 밖에 발생하지 않았다.

마침내 자동차에 부착하여도 안전하다고 할 수 있는 디자인이 완성된 것이다.

Fig. 24 Total Deformation of Finished Design

Fig. 25 Frequency Response of Finished Design

Fig. 26 Harmonic Response of Finished Design

3. 결 론

스마트폰 거치대가 가진 취약점을 분석하기 위해서 FreeCAD 로 모델링을 하고, ANSYS 로 처짐 해석과 진동 해석을 진행하였다.

그 결과 스마트폰을 지지하는 부분의 처짐이 허용범위를 넘어 쳐짐이 발생했고 자동차의 주 주행 진동수대에서 공진현상이 발생하여 적합하지 않은 디자인을 가지고 있었다.

우리는 거치대의 과도한 처짐을 보완하기 위해 자동차 대쉬보드와 연결된 거치대의 몸통부분과 스마트폰을 연결해주는 보를 지지하는 보강재의 길이를 길게 늘이고 그 두께를 조절하였다 또한 그 보의 형태를 물결모양으로 수정하여 수직방향 하중에 좀 더 저항을 가질 수 있게끔 수정하였다.

공진 현상을 제외한 전반적인 진동에 대한 진폭은 허용할 수 있는 범위 내에 있었으므로 충진재와 감쇠설계를 통해 진폭을 줄이는 방법 보다는 거치대의 고유 진동수를 바꾸어 자동차의 주 주행 진동수 내에서 공진현상이 벗어날 수 있도록 설계하였다. 보강재의 두께와 길이를 조절하는 과정에서 처짐에 대한 저항과 원하는 구역에서 공진이 일어나지 않는 설계구조를 발견 할 수 있었고 이 모델을 최종 수정 모델로 선정하였다.

자재의 교체 없이도 처짐과 진동을 보완 할 수 있었다는 점에서 최초설계의 중요성을 알 수 있었다. 이러한 점을 인지하고 설계단계에 적용한다면 좀 더 저렴하고 안전한 모델을 얻을 수 있을 것이다.

감사의