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.

Table 1.

Conditions of vibration test

Fig. 2.

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

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

Table 2.

Tester specification for vibration test

Fig. 3.

Tester and bed for vibration test

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

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

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.

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

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