가전제품 도어 힌지 강성 해석 사례를 통해 정적 구조해석(Static Structural Analysis) 정보를 확인하십시오.
1. 해석 사례 :
가전제품 도어 힌지(Door Hinge) 정적 구조해석을 통한 강성/강도 해석 사례
2. 해석 목적 :
가전제품 도어는 일상생활 중 반복적으로 열고 닫는 거동을 반복하므로 일정 수준 이상의 강성을 확보하지 않으면 수년에 걸쳐 마모 및 피로 파괴될 수 있으므로 고객사에서 요구하는 성능 수준을 만족할 수 있도록 강성/강도 해석을 통해 안정성을 확보
본 해석과는 별도로 반복 하중에 따른 피로손상 해석(Fatigue Analysis)이 추가 수행되어야 함
3. 해석 내용 :
안녕하세요? 이엔지베이 입니다.
이번에 소개드릴 해석 사례는 정적 구조해석(Static Structural Analysis)으로, 일상생활에서 쉽게 접할 수 있는 가전제품 도어 힌지의 강성/강도 해석 사례를 소개합니다. 일반적으로 강성/강도 해석을 통해 얻게 되는 결과 데이터는 해석 대상물의 변형(Deformation), 응력(Stress)이고 해당 데이터를 통해 구조물의 안정성을 판단하게 됩니다.
냉장고, 스타일러, 식기세척기, 세탁기, 건조기에 이르기까지 매우 많은 가전제품에 힌지 구조가 적용됩니다. 이러한 가전제품의 경우 매우 다 빈도로 반복 하중이 작용하기 때문에 안정성을 확보하기 위해 최종적으로 피로에 대한 검토가 이뤄질 필요가 있으나, 해석의 편의성을 위해 검증된 기존 제품을 기준으로 하여 비교 검증을 통한 안정성 검증이 이뤄질 수 있습니다.
만약, 검증된 비교 제품이 없거나 보다 창조적인 목적으로 최적 설계를 위한다면 반복 하중 거동에 따른 마멸 해석과 피로 해석을 통한 신뢰성 판단이 필요합니다. 이를 통해 개발자는 원가절감, 경량화, 소형화의 성과를 얻을 수 있습니다.
본 해석에서는 단순 비교 검토 목적으로 정적 구조해석을 수행한 사례를 소개 드리며, 향후 마멸 해석 및 피로 해석에 대한 신뢰성 분석 사례를 소개할 수 있도록 하겠습니다.
<정적 해석 (Static Analysis) 이란?>
구조해석에 있어 정적 해석(Static Analysis)이란, 해석하고자 하는 구조물이 시간에 따라 변하지 않는 정적 하중을 받을 때 발생하는 응력과 변형상태를 규명하는 것을 말합니다.
최초 하중이 작용하는 순간에는 충격에 의해 구조물이 변동하였다가, 일정 시간이 지나면 안정화되어 더 이상 움직이지 않게 됩니다. 이렇게 움직이지 않게 된 상태 즉, 구조물에 하중이 작용하여 충분한 시간이 흘러 정적평형 상태에 이르렀을 때. 이때의 응력과 변형상태를 확인하는 것을 정적 해석이라 합니다.
정적 해석은 일반적인 강도 해석(Structural Analysis)과 함께 좌굴 해석(Buckling Analysis)도 정적 해석을 통해 검증할 수 있습니다.
Step1) 재료 물성치
힌지 구조에 주로 사용되는 재료는 탄소강으로 판금 및 분말야금을 사용합니다.
| 항목 | 값 | 단위 |
| Density | 6800 | kg/m3 |
| Young's Modulus | 205 | GPa |
| Poisson's Ratio | 0.3 | - |
| Tensile Strength | 490 | MPa |
<분말야금 SMF-4050의 물성치>
| 항목 | 값 | 단위 |
| Density | 7850 | kg/m3 |
| Young's Modulus | 205 | GPa |
| Poisson's Ratio | 0.3 | - |
| Yield Strength | 365 | MPa |
탄소강 SM50C(N)의 물성치
일반적으로 흔하게 사용되는 판금물과 달리 분말야금은 취성이 있어 가공이 어려우나, 소결 과정에서 형태를 만들 수 있고 표면강도 및 마모에 강한 성질이 가지므로 반복적인 쓸림 하중이 발생 하는 힌지 구조에 효과적입니다.
※ 참조 규격 : KS D 7046, KS D 3752
Step2) 경계 조건
도어 힌지의 경계조건은 힌지와 바디와의 체결부를 Fixed 하고, 힌지의 각 Pin 체결부에 Revolute Joint를 부여하여 회전방향 자유도를 갖도록 하였습니다. 끝으로 하중 조건을 무게 중심에 작용하도록 하여 도어의 최대 하중 상태에서 구조물의 최대 변형과 등가 응력을 확인할 수 있도록 하였습니다.
Step3) 해석 수행
본 해석은 정적 해석을 수행하였습니다. 힌지 구조의 경우 핀 구속과 해당 구속에서 발생하는 응력 성분이 해석 결과를 결정짓게 하므로 핀 구속의 해석기법을 어떻게 가져갈지 신중히 선정할 필요가 있습니다.
본 해석에서는 핀 접촉부에 접촉 비선형 조건을 부여하여 핀과 판금물 사이에 작용하는 찍힘 또는 들뜸 현상을 구현하여 실제 하중 거동을 묘사할 수 있도록 하였습니다.
이렇게 되면 들뜸 효과에 의해 보다 정밀한 변형량을 도출할 수 있는 장점이 있고, 도출된 변형량은 파트 간의 간섭을 결정짓는 중요한 결과물로 활용됩니다.
4. 해석 결과 :
| 항목 | 값 | 단위 |
| 최대 변형량 | 2.742 | mm |
| 최대 상당응력 | 대외비 | MPa |
| 변형 후 파트간 간섭 | OK | |
| 강도기준 안전도 | OK |
힌지 구조물 정적 구조해석 결과 강성 및 강도 안전도가 확보됨을 확인하였습니다.
앞서 언급한 데로, 힌지 구조물은 많은 반복 하중이 작용하므로 정적 기준으로 안전도가 확보되었다고 하여, 구조적 신뢰성을 달성하였다고 보긴 어렵습니다.
추가적인 실험 또는 피로/마멸 해석이 수행되어야 할 것으로 판단됩니다.
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