Case Study on Improving Vibration Failure of an Aircraft Heat Exchanger Brackets

Seokwoo Ham; Sangrae Lee; Jaehoon Kim; Jeongwoo Kim

doi:10.9766/KIMST.2025.28.1.028

Abstract

Aircraft heat exchangers are devices used to cool the lubricating oil supplied to the gearbox and drive unit by utilizing low-temperature fuel/air. The bracket failure of heat exchanger was occurred while operating in a vibration environment. In this study, the cause of bracket crack was analyzed and an improvement method was proposed. From the results of scanning electron microscope(SEM) observation of the fracture surface, it was confirmed that the crack was initiated and propagated by resonance due to excessive vibration. Finite element analysis including modal and stress analysis of the heat exchanger structure was performed, and a vibration test was performed to compare the analysis and experimental results. Based on these results, an improved bracket thickness was obtained, and the safety factor was 9 or higher as the standard for the shear fatigue strength. The safety and durability of the improved bracket were verified through a vibration test.

Keywords: Aircraft Heat Exchanger(항공용 열교환기), Bracket Failure(브라켓 파손), Vibration Test(진동시험), Stress Analysis(응력해석), Safety Factor(안전율)

서 론

항공기용에 적용되는 열교환기는 항공기의 연료 또는 외부 공기를 이용하여 유압유 및 기어박스에 공급되는 오일을 냉각시키는 주요한 역할을 하고 있다^[1]. 열교환기를 거쳐 공급되는 오일은 기어박스의 마모 및 온도를 감소시켜 정상적으로 비행할 수 있는 역할을 하게 한다. 엔진을 정상적으로 작동하기 위해 열교환기가 주어진 다양한 조건의 환경에서 안전하게 운용되어야만 한다. 한편 열교환기는 장비 및 시스템의 내구성을 평가하기 위하여 환경시험 표준으로 MIL-STD-810 규정에 따라서 검증하고 있다. 그 중, 진동시험은 장비의 신뢰성과 내구성을 보장하는 데 필수적인 역할을 한다. 특히, 진동은 장비의 기계적 결합부, 전체 시스템의 안전성에 큰 영향을 미칠 수 있다. 열교환기의 내구성을 확인하기 위해 MIL-STD-810G w/Change 1^[2]를 인용하여 진동시험을 진행하였으나, 열교환기의 브라켓이 파손되었다. 따라서 항공기에 장착되는 브라켓을 포함한 열교환기에서 진동에 의해 발생한 균열 문제점을 해결하기 위하여 파손의 원인 분석 및 구조 설계의 개선을 목적으로 수행하고자 한다.

본 연구에서는 설계 제작된 항공기용 열교환기의 파손된 브라켓에 대한 SEM을 관찰하여 파손 원인을 분석하였으며 브라켓 재료의 피로시험을 수행하여 내구 한도를 평가하였다. 또한 열교환기의 브라켓을 포함한 구조물의 공진 여부를 판단하기 위한 모달 해석과 진동시험을 모사하기 위한 임의 진동해석을 수행하였으며, 얻어진 임의 진동해석 및 진동시험 결과를 서로 비교·분석하였다. 이를 통해 개선된 설계안을 도출하고, 진동시험을 통하여 건전성 및 내구성을 검증하였다.

열교환기

열교환기는 Fig. 1과 같이 헤더와 코어로 구성되어 있으며 각 부품은 용접하여 접합되어 있다. 열교환기를 시스템에 장착할 수 있도록 4개의 브라켓으로 볼트에 의해 고정된다. 열교환기의 중량은 1.05 kg이며, 헤더의 중량은 약 0.3 kg, 그리고 코어의 중량은 약 0.75 kg이다.

Fig. 1.

Shape of heat exchanger

2.1 진동시험

브라켓을 포함한 열교환기에 대한 진동시험 조건은 MIL-STD-810G w/Change 1 method 514.7, category 16을 인용하였다. 해당 시험 조건은 항공기 탑재 장비에 대한 진동 조건을 시뮬레이션하여, 비행 중에 발생할 수 있는 다양한 진동 환경에서 장비의 성능을 검증하는 시험이다. 이 시험은 항공기 안전성과 장비 신뢰성을 확보하는 데 중요한 역할을 한다. 자세한 진동시험 조건 및 프로파일은 각각 Table 1과 Fig. 2와 같다.

Fig. 2.

Vibration test profile of MIL-STD-810G w/Change method 514.7 category 16

Table 1.

Conditions of vibration test

Item	Value
Frequency [Hz]	15 ∼ 2,000
Acceleration [g]	13.49
Test axis	X, Y, Z
Test time [min. per axis]	60

진동시험에 사용된 장비는 FAMTECH사의 GT1200M 이며, 장비의 상세한 사항은 Table 2와 같다. 열교환기는 Fig. 3과 같이 열교환기 4개의 모서리 부분에 브라켓을 각각 볼트로 고정하였다.

Fig. 3.

Tester and bed for vibration test

Table 2.

Tester specification for vibration test

Item	Value
Frequency [Hz]	5 ∼ 2,700
Max. acceleration [g]	100
Max. displacement [mm]	76

시험 방법은 다음과 같다. 진동시험 전에 표준대기 조건에서 열교환기의 외관 상태를 확인한다. 그리고, 열교환기를 진동시험 장비에 설치하고 시험 조건을 입력 후, 시험을 진행하며, 진동시험 종료 후에 표준대기 조건에서 열교환기의 외관 상태를 확인한다. 진동시험은 X, Y 및 Z축 순으로 진행하였다.

Fig. 4에서 파란색 선은 시험 장비의 센서에 의해 측정된 진동 프로파일이며, 녹색 파선은 허용 범위를 나타내는 선으로 진동 프로파일이 이 선을 넘어설 경우, 구조물에 공진이나 과도 진동이 발생할 수 있다. 그리고 빨간색 선은 구조물이나 시험 장비의 보호를 위해 시험을 즉각 중단해야 하는 임계선이다. Fig. 4(c)에서와 같이 Z축 시험을 40분 진행한 시점에서 공진 발생으로 인해 시험을 중단하였다. 이 결과에서 알 수 있듯이 Z축의 진동 프로파일에서 약 1,500 Hz 부근의 영역에서 안전범위를 벗어난 것을 확인할 수 있었다. 과도 진동의 발생으로 인하여 진동시험을 중단하고 열교환기의 외관을 관찰하였으며, Fig. 5와 같이 브라켓의 형상이 변화되는 취약부에서 발생한 크랙을 볼 수 있었다. 이와 같은 브라켓의 크랙 발생으로 인해 공진이 발생한 것으로 판단하였다.

Fig. 4.

Profiles of vibration tests before improvement

Fig. 5.

Crack on bracket

2.2 파손 원인 분석

2.2.1 SEM

파손 원인 분석을 위해 Fig. 6과 같이 브라켓 크랙 손상 부분을 강제로 파괴시켜 SEM(Scanning Electron Microscope)을 이용하여 파단면을 관찰하였다. Fig. 7은 파단면의 위치에 따라 SEM 분석한 것이다. 피로균열 진전영역은 Fig. 7의 위치 ①, ⑤, ⑦이고, 해당 위치에서 스트라이에이션(striation)이 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 피로균열의 파단방향은 Z방향 기준으로 전단피로에 의해 파손된 것을 확인하였다. 또한, Fig. 7의 위치 ⑧에서 파단 형상은 인장에 의한 딤플을 볼 수 있었다. 이는 SEM을 관찰하기 위해 브라켓을 인장 파단시킨 영역이다.

Fig. 6.

Fracture surface of bracket with crack

Fig. 7.

SEM images of fractured surface (Arrows indicate the direction of crack propagation)

2.2.2 피로시험

브라켓의 기계적 특성을 파악하기 위하여 헤더 브라켓에 이용된 재료인 Al5083-H112에 대하여 ASTM규정에 따라 인장시험^[3] 및 피로시험^[4]을 수행하였다. Fig. 8은 각각 인장 및 피로 시편의 형상과 크기를 나타낸 것이다. 시험 장비는 유압식 피로시험기 MTS 810을 사용하였다.

Fig. 8.

Configuration of test specimen

인장시험 결과는 Fig. 9와 같이 인장강도는 310 MPa, 항복강도는 160 MPa, 연신률은 22.8 %로 나타났다. 피로시험 결과로부터 Fig. 10에서 알 수 있듯이 Al5083- H112의 피로한도는 57.43 MPa로 산출되었다. 전단 피로한도는 Goodman식^[5,6]을 이용하여 계산할 수 있으며, 이들 결과로부터 전단 내구 한도는 42.81 MPa을 얻었다.

Fig. 9.

Engineering stress-strain curve of Al5083-H112

Fig. 10.

S-N curve of Al5083-H112

2.2.3 유한요소해석

효율적인 해석을 위해 더미 코어를 실제 코어와 동일한 중량으로 만들기 위하여 밀도 값을 변경하여 입력하였다. 브라켓은 시스템과 볼트로 조립된다. 해당 조건을 모사하기 위하여, Fig. 11과 같이 볼트 머리와 브라켓이 닿는 영역 및 브라켓과 진동시험의 시스템이 닿는 영역을 고정(fix support)으로 설정하였다.

Fig. 11.

Boundary conditions of FE analysis

열교환기의 FE 모델링은 Fig. 12에 나타난 것과 같이 절점 수는 523,752개이며 요소 수는 359,120개이다. Fig. 4에서 브라켓의 형상이 변화되는 취약한 영역에 대하여 요소의 최대 크기를 약 1 mm로 설정하였으며, 코어는 약 2.3 mm로 설정하였다. 헤더와 코어에 사용된 재질은 각각 Al5083-H112, Al3003-H12이며 기계적 물성치는 Table 3에 나타내었다^[7,8].

Fig. 12.

FE models of heat exchanger

Table 3.

Material properties

Item	Header	Dummy core
Material	Al5083-H112	Al3003-H12
Density [kg/m³]	2,660	1,657
Young's modulus [GPa]	70	68.95
Poission's ratio	0.33	0.33
Yield strength [MPa]	163	100
Tensile strength [MPa]	310	130

진동시험에서 공진 여부를 판단하기 위하여 모달 해석을 진행하였다. 진동 모드는 6차까지 진행하였으며, 고유 진동수와 질량 참여율을 분석하였다.

고유 진동수 범위는 Table 4와 같이 2,762∼5,572 Hz 로 나타났으며, 이는 진동시험(15∼2,000 Hz)에서 가진 주파수와 다른 영역으로 나타나 공진이 발생하지 않을 것으로 판단되었다. 그리고 모든 방향에 대하여 6차 모드 이내에서 질량 참여율(mass participation ratio)이 90 % 이상 발생하였다. 질량 참여율은 X방향에 대해서 2차 모드에서 약 90 %, Y방향에 대해서 3차 모드에서 약 62 %, 5차 모드에서 34 %, Z방향에 대해서 1차 모드에서 약 95 %로 나타났다.

Table 4.

Natural frequency and mass participation factor before improvement

Mode	Natural frequency [Hz]	Mass participation factor
Mode	Natural frequency [Hz]	X	Y	Z
1	2,763	0.0352	0	0.9474
2	3,114	0.9077	0	0.0353
3	3,719	0	0.6243	0
4	4,501	0.0494	0	0
5	5,068	0	0.3430	0
6	5,572	0	0.0115	0

임의 진동해석(random vibration analysis)을 진행하였다. 가진 프로파일은 앞서 진행한 진동시험과 동일한 시험 조건으로 수행하였다. 그 결과, Fig. 13에 나타난 것과 같이 X, Y 및 Z 방향으로 가진 되었을 때, 취약부로 예상되는 부분에서는 각각 최대 6.73 MPa, 5.67 MPa 그리고 11.13 MPa로 나타났으며, 안전율은 각각 6.36, 7.55, 및 3.85 이었다.

Fig. 13.

Effective stress contours of heat exchanger before improvement

알루미늄 합금과 같은 연성 재료에서 진동시험과 같은 반복하중이 작용할 때는 안전율은 9 이상으로 설계되어야 한다고 알려져 있으며^[9], 이 안전율을 적용해 보았을 때, 안전율 9 이상을 가지는 브라켓으로 설계가 개선되어야 할 것으로 판단된다.

개선 방안 및 검증

3.1 개선안 도출

초기에 두께 5 mm로 설계된 브라켓은 Z 방향 진동의 영향으로 전단에 의한 피로균열이 발생하였다. 이를 방지하기 위해서는 전단 응력이 집중되는 부분을 재설계하여 응력 분포를 보다 낮추어 설계하고, 전단 응력의 크기를 줄이는 것이 필요하며, 이를 위해서는 단면적을 증가시켜야 한다. 본 논문에서는 단면적을 증가시키기 위하여 Fig. 14와 같이 브라켓의 두께를 Z 방향으로 6 mm 증가시켰으며, 전단 피로한도를 기준으로 산출된 안전율은 약 9.39이다. 그리고 증가된 브라켓에 의한 열교환기의 중량은 1.06 kg로 브라켓 초기 설계모델보다 약 10 g 증가하였다.

Fig. 14.

Shape of heat exchanger with improved bracket

3.2 유한요소해석을 통한 검증

두께를 6 mm 증가시켜 개선된 설계로 제작한 열교환기의 FE 해석을 위한 절점 수는 534,403개이고, 요소 수는 365,666개로 모델링하였다. Fig. 15와 같이 브라켓의 형상이 변화되는 취약한 영역에 대하여 요소의 최대 크기를 약 1 mm로 설정하였으며, 코어는 약 2.3 mm로 설정하였다. 경계 조건은 초기 설계모델과 동일하게 수행하였다.

Fig. 15.

FE models of heat exchanger with improved bracket

진동시험에서 공진 발생에 대한 여부를 판단하기 위하여 모달 해석을 진행하였다. 모드는 6차까지 진행하였고, 고유 진동수와 질량 참여율을 분석하였다.

고유 진동수 범위는 Table 5와 같이 3,494∼6,518 Hz 로 나타났으며, 이는 진동시험(15∼2,000 Hz)에서 가진 주파수와 다른 영역으로 나타나 공진이 발생하지 않을 것으로 판단되었다. 그리고 모든 방향에 대하여 6차 모드 이내에서 질량 참여율(mass participation ratio)이 90 % 이상 발생하였다. 질량 참여율은 X방향에 대해 2차 모드에서 약 90 %, Y방향에 대해 3차 모드에서 약 79 %, 5차 모드에서 14 %, Z방향에 대해 1차 모드에서 약 89 %로 나타났다.

Table 5.

Results of Modal analysis for vibration

Mode	Natural frequency [Hz]	Mass participation factor
Mode	Natural frequency [Hz]	X	Y	Z
1	3,494	0.0624	0	0.8952
2	3,745	0.9052	0	0.0619
3	4,500	0	0.7945	0
4	5,846	0.0178	0.0001	0
5	6,248	0	0.1412	0
6	6,518	0	0.0273	0

브라켓 개선 후 모델을 검증하기 위하여, 임의 진동해석을 진행하였다. 그 결과, Fig. 16에 나타난 것과 같이, X, Y, Z 방향의 가진에서 최대 등가응력이 각각 4.17 MPa, 3.26 MPa, 그리고 4.56 MPa로 나타났다. 안전율이 각각 9.71, 13.13 및 9.39로 도출되어 브라켓이 진동 환경에서 안전하게 설계되었다고 판단되었다.

Fig. 16.

Effective stress contours of heat exchanger with improved bracket

3.3 진동시험을 통한 검증

2.3절과 동일한 시험 조건으로 진동시험을 진행하였으며, 진동시험 결과는 Fig. 17에 나타난 것과 같이 모든 방향에서 프로파일이 안전한 영역 안으로 나타났으며, Fig. 18과 같이 외관을 확인하였을 때, 손상 또는 크랙이 없음을 확인할 수 있었다.

Fig. 17.

Profiles of vibration tests after design improvement

Fig. 18.

Random vibration tests of heat exchanger

결 론

본 연구에서는 항공기용 열교환기의 브라켓이 진동시험에 의해 파손된 원인에 대하여 분석하였다. 파손 원인을 확인하고자 SEM을 이용하여 균열부 파단면을 분석하였으며, 피로시험을 수행하였다. 그리고 열교환기의 브라켓을 포함하여 구조물의 유한요소해석을 수행하고 응력해석 및 모달 해석을 진행하였다. 또한 브라켓의 개선 전·후에 진동시험을 수행하여 그 결과를 해석과 비교하였다. 이를 통해, 개선된 설계안을 도출하였으며, 브라켓의 건전성 및 내구성을 검증하여 얻어진 결론은 다음과 같이 요약된다.

1) 열교환기 브라켓의 크랙은 과도 진동에 의한 피로 균열이 발생하고 진전하여 발생한 것으로 SEM분석으로 확인되었다.
2) 초기 설계모델의 열교환기 브라켓에서, 해석으로 구한 Z축 방향의 등가응력은 피로시험으로 얻은 전단 내구 한도와 비교하여 안전율이 3.85이다. 이는 동적 반복응력의 안전율을 만족하지 않아 과도 진동으로 균열이 발생하여 파손된 것이다.
3) 브라켓의 두께를 증가시켜 개선된 모델은 응력해석에 의한 등가응력 기준으로 안전율이 9.39이다. 따라서 개선 모델은 안전하게 설계되어 진동시험에서 균열 발생이 없는 것으로 검증되었다.
4) 개선된 브라켓은 설계의 변경으로 다양한 진동 환경에서 항공기용 열교환기에 대한 건전성 및 내구성을 확보할 수 있다.