A Study on the Shock Analysis of the Multi-Function Console According to the Shock Response Spectrum Requirements of the Elastic Platform

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◆ 특집 ◆ 방산제품 설계 및 시험

탄성플랫폼 충격응답 스펙트럼 기준에 따른 다기능콘솔 충격해석 연구

박재훈^1,, 김원형¹, 김현실², 최영철² Jae Hoon Park^1,, Won Hyung Kim¹, Hyun Sil Kim², and Young Cheol Choi²

1 한화탈레스 기구기술팀 (Mechanical Engineering Team, Hanwha Thales) 2 국방과학연구소 (Agency for Defense Development)

Corresponding author: [email protected], Tel: +82-54-460-8813 Manuscript received: 2016.7.15. / Revised: 2016.9.9. / Accepted: 2016.9.13.

Prior to installation in a navy ship, shipboard equipment should be qualified by shock test requirements. The multi-function console mounted on the elastic platform of the ship should also withstand given shock loads. In this study, both real shock test methods, as well as numerical computer simulations using the finite element method were used to verify structural durability under shock load conditions. First, we used domestic test facilities to perform possible shock tests, including an impact hammer test, a drop table test and a shaker shock test. Full model tests satisfying the shock response spectrum level were performed. Thereafter, an analytical model of the complex console structure was built by the finite element method. Finally, numerical results were verified by modal test results of the real product and an FEA analysis was also performed with a full model transient response analysis.

KEYWORDS: Elastic platform (탄성 플랫폼), Shock response spectrum (충격 응답 스펙트럼), Modal test (모달 테스트), Transient response analysis (과도 응답 해석)

기호설명

σy= Yield stress of the material σvon= Von misses stress of the material g= Gravitational acceleration

1. 서론

함정 전투체계에 탑재되는 다기능콘솔은 실시 간으로 처리된 전술정보를 전시 및 관리하고, 운 용자가 각종 전술에 대응하도록 여러 장비의 연동 기능을 제공하는 장비이다.

다기능콘솔과 같은 함정에 탑재되는 임무 장비 들은 수중폭발에 대한 충격하중을 견딜 수 있도록 설계되어야 하며 충격 인가 후에도 장비자체의 성 __________

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능에 문제가 없어야 한다.¹

더불어, 함정에 탑재되는 콘솔은 장착되는 함 정에 따라 장착 형태가 다르며, 그에 따른 설계 요구 조건도 달라진다. 충격 하중으로 함정 탑재 장비의 안정성을 확보하고 전달되는 충격에너지를 흡수하기 위해서 탑재장비 장착부에 탄성 마운트 를 설치할 수도 있다.² 본 연구에서는 Fig. 1과 같 이 장비에 직접 설치되는 단독 탄성마운트가 아닌 탄성 플랫폼에 장착이 되는 다기능콘솔의 충격 성 능 평가 방안에 대하여 연구하였다.

충격 성능을 평가하기 위한 기준 중 하나인 독 일 해군의 BV-043에 따르면 성능 평가를 위해서 실제 장비의 실험을 우선시 하도록 되어 있다. 하 지만, 설비의 크기, 비용, 하중 등의 제약이 존재 하는 경우 컴퓨터 시뮬레이션을 통한 해석으로 대 체할 수 있으며, 충격에 의해 발생되는 응력과 항 복응력을 비교하여 충격 성능을 평가하도록 규정 되어 있다.³

본 연구에서는 제시된 요구조건을 기준으로 다 기능콘솔의 내 충격성을 평가하기 위해 국내에서 실제 가능한 충격 시험 방법들에 대해 검토하였으 며, 검토된 시험 방법을 적용하여 다기능콘솔 시 제작품의 개발시험을 수행하였다. 더불어, 실제 시 험이 불가한 경우에 대해서는 유한요소해석을 이 용하여 다기능 콘솔 장비의 해석모델을 구성하고 충격해석을 통해 충격 성능을 검증하였다.

2. 충격 성능 입증방법 검토

BV 043에 규정된 함정의 충격 성능 평가 기준 에 의하여 도출된 탄성플랫폼의 충격응답 스펙트 럼 규격은 Table 1과 같다.

충격응답 스펙트럼에 해당하는 충격량을 인가

들에 대하여 제시된 탄성플랫폼의 충격응답 스펙 트럼의 기준치를 만족할 수 있는 시험방법에 대한 검토를 하였으며 가능한 시험들은 실제 시스템 시 험을 실시하였다.

해머 충격 시험방법은 해머의 높이, 시험장비 의 형태, 시험기/시험장 환경 등에 의해 제품에 인 가되는 충격응답 결과가 달라지므로 다수의 사전 시험을 통하여 장비 별, 축 별로 해머높이 등을 결정하여야 한다. 또한, 시험 대상 장비 및 시험 치구를 포함하여 시험기에 설치해야 하기 때문에 대상이 중량물일 경우 시험에 따른 설치와 분해가 까다롭고 상대적으로 많은 시간과 인력이 소모된 다. 더욱이, 다기능콘솔은 바닥면에 고정부가 있기 때문에 종축과 횡축 시험을 위해 치구에 장착할 경우 중력방향으로 자중에 의한 콘솔 구조물의 정 적 처짐이 발생하고, 다기능 콘솔을 장착하는 치 구의 크기도 커져야 하기 때문에 시험에서 제외하 였다.

진동/충격복합시험기를 이용한 방법은 국내 현 존하는 장비 중 시험용량이 가장 큰 설비를 이용 하여 사전시험을 진행하였다. 종축 방향에서는 Fig.

2와 같이 충격 조건을 만족함을 확인하였으나 횡 축 방향에서는 Fig. 3과 같이 7 Hz 미만의 저주파 에서 충격량이 충격 규격의 하한치보다 낮게 측정 되어 규격을 만족할 수 없었다. 그리고, 수직 방향 으로는 300 m/s²의 충격가속도와 장비 및 치구의 총 무게를 곱하였을 경우 진동/충격복합시험기의 가용 시험용량보다 크게 산출되어 충격 시험을 진 행할 수 없었다.

낙하충격 시험방법은 진동/충격복합시험기를 이용한 시험 방법에 비해 가속도와 지속시간을 크 고 길게 설정하는 것이 가능하여, 수직방향에 대 한 시험조건을 만족함을 확인하였다. 그러나 장비 의 횡축과 종축 시험에서는 해머 충격 시험방법과 마찬가지로 다기능콘솔의 바닥면을 고정한 채 장 Fig. 1 Multi-Function Console

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비를 90도 기울여 시험을 수행해야 하고 그에 따 른 자중에 의한 구조물의 정적인 처짐과 부가적인 응력이 발생하기 때문에 오로지, 충격에 의한 대 상 장비의 내 충격성을 평가하기 불가능하다. 더 불어, 다기능콘솔을 수직방향으로 기울여서 장착 해야 하는 시험 치구의 크기를 고려할 경우 낙하 시험장비의 공간적인 용량이 부족하였다.

언급된 세 가지 시험방법에 대해 대상 장비의 충격 성능 평가가 가능한지 검토를 진행하였으며 Table 2에 축별로 가능한 충격 성능 평가 방법을 정리하였다.

특히, 횡방향의 경우 시험으로 충격 성능을 평 가하는 것이 불가능한 것으로 확인되었다. 횡축에 대해서는 유한요소해석 (FEA: Finite Element Analysis)을 활용하여 충격에 대한 구조의 성능을 입증하고 충격 해석을 통해 다기능콘솔 내부 구성 품의 충격 특성을 계산하도록 한다. 그리고, 계산

된 결과를 토대로 내부 구성품별 단품 충격 시험 을 추가로 수행하고, 시험 후 구성품의 정상 작동 여부를 확인하여 충격 성능을 최종적으로 평가하 기로 한다.

3. 충격 시험 평가

3.1 진동/충격 복합시험기 충격 시험

진동/충격 복합시험기는 가진기에 연결된 장착 대에 제품을 연결하고 가속도 제어를 통해 주어진 파형에 맞도록 제품을 가진하는 장비이다. 본 연 구에서는 국내 최대 용량의 진동/충격 복합시험기 를 이용하여 Fig. 3과 같이 시험을 수행하였다.

시험 결과 종방향 인가 충격에 대한 시험은 주 어진 가속도 충격응답 스펙트럼 기준의 하한치를 상회하였으며, 지속 시간도 만족하였다. 또한, 충 격 이후 장비의 정상 작동을 확인하였다. 다만, 가 진된 충격이 일부 주파수대역에서 충격응답스펙트 럼의 상한치를 상회하였으나 시험의 목적이 수중 폭발 공격에도 장비의 정상 작동 여부를 확인하는 것이기 때문에 충격 기준에서 하한 공차만 만족하 면 된다는 요구사항이 있었다.

3.2 낙하 충격시험기에 의한 충격시험

낙하 충격시험기는 하중의 크기와 속도 및 충 Fig. 2 Shaker shock test (Transverse direction)

Table 2 Shock verification methods Direction Shock verification method

Vertical Drop table test Transverse FEA + Component drop table test Longitudinal Shaker shock test

Fig. 3 Shaker shock test (Longitudinal direction)

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격자의 형상을 바꿔가며 충격에너지를 설정할 수 있는 장비이다. 함정 탑재장비의 충격시험 가운데 고전적인 시험방법이지만, 가속도와 지속시간을 설정할 수 있고 시험장비의 구조 상 수직방향의 가진 시 적절한 방법이기 때문에 Fig. 4와 같이 수 직방향의 시험을 실시하였다.

시험 결과 수직방향 인가 충격에 대한 시험은 주어진 가속도 충격응답 스펙트럼 기준의 하한치 를 상회함과 동시에 지속시간도 만족하였으며, 장 비도 정상 작동함을 확인하였다.

4. M&S 활용한 충격 성능 평가

시험을 통해 실시할 수 없었던 횡방향 충격시 험은 M&S를 활용하여 Fig. 5의 절차에 따라 충격 성능을 평가하기로 하였다. 먼저, 유한요소해석을 위한 모델을 구성하고 해석 모델의 신뢰성을 입증 하기 위해 모달 시험과 모드 해석의 결과를 비교 하고 검증하였다. 검증된 해석모델을 이용하여 과 도응답해석을 수행하였으며, 전반적인 응력분포와 안정성을 평가하였다. 또한, 내부 구성품의 속도 및 가속도 응답을 측정하였다. 해석에서 측정된 내부 구성품의 속도 및 가속도 값을 이용하여 단 위 구성품별로 낙하 충격시험도 수행하여 구성품 레벨의 충격 성능을 평가하였다.

Fig. 5 M&S Procedure

Fig. 6 Modal test and results

4.1 유한요소해석 모델 구성

본 연구에서는 Hypermesh를 이용하여 유한요소 해석 모델을 구성하였으며, 상용 솔버인 Optistruct 을 이용하여 해석을 수행하였다. 구조물을 제외한 단위 구성품들은 집중질량으로 대체하였으며, 신 뢰성 있는 해석을 위해 복잡한 콘솔 구조물의 연 결부를 모두 표현해주었다.

4.2 해석 모델의 검증 4.2.1 Modal Test

모달 시험은 해석 모델의 모드 형상을 참조하 여 Fig. 6와 같이 주요 부위에 가속도 센서를 장착 하고, 측면 방향과 정면 방향에서 구조물을 해머 로 각각 가진하였다. 시험 전 입력된 구조물의 형 상 정보와 가속도 센서의 결과에 따라 모드 형상 과 주파수를 확인할 수 있었으며, 3차 모드까지 Fig. 6에 모드형상과 주파수를 정리하였다.

Fig. 4 Drop table test (Vertical direction)

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1차 모드는 25 Hz로 구조물이 종방향으로 병진 하는 모드 형상을 나타냈으며, 2차 모드는 44 Hz로 구조물이 횡방향으로 병진하는 모드 형상을 나타 냈다. 3차 모드는 94 Hz의 고유진동수에서 구조물 이 양측이 뒤틀리면서 병진하는 형상의 모드 형상 으로 측정되었다.

4.2.2 Normal Mode Analysis

모드 해석을 위한 유한요소모델은 모달 시험 장비와 동일하도록 구성하였다. 모드 해석의 결과 는 전반적인 유효질량을 비교하여 국부적인 모드 를 제외한 글로벌 모드에 대해서 Table 3에 정리하 였다.

구조물의 고유진동수 중에 저차의 고유진동수 에 의해 전반적인 구조물의 동특성이 결정이 되고 유효질량이 큰 모드가 구조물의 동특성에 대한 기 여도가 높다.⁴ 따라서, 해석결과에서 저차 모드들 중에 유효질량이 큰 모드는 관심있게 검토되어야 한다.

Table 3의 1차 모드에서는 종방향으로 유효질량 이 크고 동일 방향으로 병진하는 형상으로 나타났 으며, 2차 모드에서는 횡방향으로 유효질량이 크고 병진하는 형상으로 나타났다. 3차 모드는 종방향의 유효질량이 뒤틀리는 형상으로 나타났다. 시험결 과와 비교하면 3차 모드까지 시험과 해석의 모드 의 형상은 동일했으며, 고유진동수 차이는 10% 미 만의 오차를 보여주었다.

해석 모델이 볼트로 체결되어 있는 복잡한 조 립체로 구성되어 있으며 보정작업에 따라 3개 모 드의 값이 각각 변화하였기 때문에 3개의 주파수 를 모두 정확히 보정하는 것은 불가하였으며 모드 별 정확성은 절충이 필요하였다. 따라서, 전반적인 오차를 최소화하는 목표로 모델을 보정하고, 보정 결과 1차 모드의 주파수 오차는 다소 높게 나왔지 만, 횡방향에 대한 충격 해석의 신뢰성을 보증하 기 위해서 횡방향에 대한 주요 모드인 2차 모드의 오차가 최소화되도록 해석모델을 보정하였다.

다기능콘솔 하우징은 여러 부품들이 복잡하게 체결되는 구조를 가지는 구조물임에도 불구하고 시험과 해석의 보정 작업을 통해 보다 신뢰성 있 는 유한요소모델을 구성할 수 있었다.

4.3 Transient Response Analysis

모드 해석에서 검증된 유한요소모델을 이용하 여 전체 시스템 레벨의 충격 해석모델을 구성하였

다. 시간 영역의 충격해석 수행을 위해서 충격응 답스펙트럼에 상응하는 반정현파 충격하중을 계산 하여 다기능콘솔 장착부를 기저 가진하는 형태로 설정하였다.

m 0.8N

j i

j M ≥ i m

∑ ∑ (1) M : Total number of modes to be considered

N : Total number of masses

과도응답해석은 모달법을 적용하였으며 정확한 해의 산출을 위하여 수식 1과 같이 해석에 포함된 모드 차수는 유효질량의 합이 적어도 구조 질량의 80% 이상이 되도록 설정하였다.²

과도응답해석의 감쇠비는 일반적으로 0.05를 적용하지만, 다기능콘솔장비는 체결구조로 연결된 알루미늄 구조물임을 감안하여 0.03의 감쇠비를 적용하였다.^5,6

BV043 규정에 따르면 충격성능에 대한 해석적 인 입증 방법은 충격에 의해 발생되는 구조물의 응력이 항복응력보다 작음을 확인하는 것이다.³ 구 조적인 안정성을 평가하기 위해서 각 구성품별 응 력분포를 계산하였으며 최대응력 값과 항복응력을 Table 4와 Fig. 7에서 비교하였다. 결과 분석을 통해 시험이 불가했던 횡방향 충격에 대한 다기능콘솔 구조물의 충격 성능은 유한요소해석을 통해 입증 하였다.

Table 3 Normal mode analysis and comparison Mode 1^st mode 2^nd mode 3^rd mode

Mode shape

Longitudinal translation

Transverse translation

Twist

Frequency

(Analysis) 27.7 Hz 44.9 Hz 87 Hz Frequency

(Test) 25 Hz 44 Hz 94 Hz Error rate 9.6% 2.3% 4.3%

Effective

mass 61.3% 63.1% 5.1%

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Fig. 7 Stress results of the components

4.4 단위 구성품 충격 시험

과도응답해석의 시스템 해석모델은 해석의 효 율성을 고려하여 내부 탑재되는 복잡한 단위 구성 품들에 대해서는 집중질량 (Lumped Mass)으로 표 현할 수 밖에 없는 한계 사항이 있으며, 이에 따 라 단위 구성품의 기능 요소들은 충격에 따른 모 든 응답특성을 파악할 수 없다. 따라서, 단위 구성 품의 내충격 성능을 입증하기 개별 충격시험을 실 시하였다.

과도응답해석의 결과물로 충격에 따른 단위 구 성품 장착부의 가속도 및 속도 응답을 Fig. 8과 같 이 구하였다. 구해진 응답그래프를 이용하여 구성 품별 최대 응답 가속도 및 속도를 Table 5에 정리 하였다.

산출된 결과를 각각의 충격응답스펙트럼으로 변환하여 낙하충격시험을 위한 기준치로 설정하였 다. 아래 수식을 이용하여 충격응답스펙트럼의 변 곡점을 계산하면 Fig. 9의 그래프와 같이 구할 수 있다.

Fig. 8 Acceleration and Velocity Results Table 5 Acceleration and Velocity Results Component Acceleration

(m/s²)

Velocity (m/s) Control deck 123.9 3.26 Display module 119.8 3.31 Lower rack structure 110.0 3.26 Upper rack structure 120.2 3.31

Fig. 9 Drop Table Test of the Components

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2

Acceleration f = Velocity

Π • (2)

그래프를 이용하여 Fig. 9와 같이 단위구성품의 충격시험을 수행하였으며, 충격 시험 후의 장비의 정상동작을 확인함으로써 모든 충격 가진 축에 대 한 다기능콘솔의 충격 성능을 입증하였다

5. 결론

본 논문에서는 다기능콘솔의 내 충격 성능을 입증하기 위한 방법론에 대해 연구하였다. 실제 국내에서 해상장비의 충격시험이 가능한 시험장비 와 범위에 대한 시험결과를 소개하였으며, 이는 유사한 연구개발 과정에 참고가 될 수 있을 것이 라 생각된다.

더불어, 시험이 불가한 항목들은 해석을 통해 내 충격 성능을 입증하였으며, 해석으로 부족한 단위 부품레벨의 평가는 해석결과를 바탕으로 단 위 구성품별 충격시험을 수행하였다.

다기능콘솔의 충격시험과 단위구성품별 충격시 험 후 최종적으로 장비의 정상동작을 확인함으로 써 충격 성능을 만족함을 입증하였다.

후 기

본 연구는 방위사업청 및 국방과학연구소 주관 으로 한화탈레스에서 다기능콘솔 시제 개발사업의 일환으로 수행되었습니다.

REFERENCES

1. Chung, J., Kim, B., and Chung, T., “Performance Evaluation Methods for Shock-Proof of Navy Shipboard Equipment,” Bulletin of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 33, No. 2, p. 41, 1996.

2. NAVSEA 0908-LP003-3010, “Shock Design Cirteria for Surface Ships”, 1995.

3. BV 043, “Shock Resistance-Experimental and Mathematical Proof,” Building Specification for Ships of the Federal Armed Forces, 1985.

4. Yeon, J. H., Woo, S. H., and Yoon, H. S., “The Relationship between Modal Effective Mass and Dynamic Characteristics of a Structure Under Vibration Test,” Proc. of the Korean Society for

Aeronautical and Space Sciences Autumn Conference, pp. 982-985, 2007.

5. Irvine, T., “An Introduction to the Shock Response Spectrum,” Revision S, http://www.vibrationdata.

com/tutorials2/srs_intr.pdf (Accessed 21 September 2016)

6. Irvine, T., “Damping Properties of Materials,”

Revision C, https://www.scribd.com/document/45504 213/Damping-Properties-of-Materials (Accessed 21 September 2016)