Simcenter Testing Solutions Basic concept of Testlab Tracked Sine Dwell

진동 가진기로 시험 대상체에 사인 주파수를 주어 공진시키는 것은 High Cycle Fatigue(HCF)를 발생 시키는 일반적인 방법으로 알려져 있습니다. 공진 주파수의 경우에 Sweep Sine Test로 확인이 가능하지만, 이러한 공진 주파수는 누적된 데미지와 온도 변화 그리고 시험 대상체의 비선형 거동 등으로 인해서 이동을 하기도 합니다. 시험을 하는 중에 공진 상태를 유지하기 위해서는 이렇게 변화되는 공진 주파수를 트랙킹하면서 이것에 맞게 Dwell Frequency 조절을 하는 것이 중요합니다. 

 

이번 기술자료에서는 Testlab Tracked Sine Dwell을 이용해서 테스트를 하는 방법에 관해서 이야기해 보도록 하겠습니다. Tracked Sine Dwell의 유저 인터페이스는 그림 1과 같습니다. 

 

그림 1: Testlab Tracked Sine Dwell 유저 인터페이스 

 

 

 

 

 

 

그림 2: Tracked Sine Dwell 진동 시험을 위한 셋업

 

 

가진하는 사인파는 시험 대상체의 고유 주파수(natural frequency)와 일치하며, 특정 시간 동안(time duration) 또는 주기 횟수(number of cycles)에 대해서 테스트를 합니다. Tracked Sine Dwell 테스트에서는 사인파 가진의 진폭 및 주파수를 컨트롤하며, 일반적으로 시험 대상체의 피로도 또는 온도 변화가 나타나면, 고유 주파수(natural frequency)는 낮은쪽으로 이동하게 됩니다. Tracked Sine Dwell은 그림 3과 같이 고유 주파수를 조정하고 따라가게 됩니다.

 

 

 

 그림 3: Tracked Sine Dwell 테스트를 하면 시험대상체의 공진 주파수는 일반적으로 손상이 누적됨에 따라 낮아지지만 위상각(phase angle)은 부품이 완전히 피로해질 때까지 일정하게 유지됩니다.

 

 

 

 

고유 주파수를 추적하는 방법에는 여러 가지가 있지만, 가장 일반적인 방법은 컨트롤 가속도계와 측정 가속도계 사이의 주파수 응답 함수에서 위상차를 모니터링하는 것입니다. 가진이 있는 SDOF(Single-Degree-of-Freedom) 시스템의 경우에 고유 주파수는 방정식 1로 정의됩니다.

 

 

 

 

 방정식 1: 질량-스프링 시스템의 고유 진동수

 

여기에서

• • • • • • • • • • • • • • • • • • ωn은 고유 주파수
                                  • k는 강성
                                  • m은 질량

 

 

 

공진 상태에서 SDOF 시스템은 그림 4와 같이 입력과 응답 사이에 90도의 위상 이동을 보입니다.

 

 

그림 4: 베이스 가진의 3가지 경우에 대한 애니메이션 : 공진 주파수 이하, 공진 주파수 이상

 

 

 

고유 주파수 아래에는 0도 위상 이동이 있고 고유 주파수 위에는 180도 위상 이동이 있습니다. Tracked Sine Dwell 는 공진시 위상각을 추적하면서 DUT(Device Under Test)를 공진 상태로 유지하기 위해 사인 가진 주파수 변경이 가능합니다. 이것은 공진 주파수가 바뀔 수 있지만 공진시에도 위상각은 일정하게 유지를 하기 때문에 가능한 것입니다.

 

SDOF 시스템의 고유 진동수는 가진과 응답 사이의 90도 딜레이의 수학적 정의로 표현되지만, 복잡한 구조에서의 위상각은 명확하게 변화를 보이지 않습니다. 예를 들어서 SDOF 시스템에는 하나의 공진 주파수만 있지만 복잡한 구조에는 각 공진에서 위상 변이를 변경하는 주파수에서 서로 근접할 수 있는 여러 공진이 존재합니다.

 

 

Tracked Sine Dwell의 기본 프로세스는 다음과 같습니다.

 

• FRF 계산을 해서 가진기에서 DUT(Device Under Test)의 공진에서 위상각 식별을 하며, 이것은 일반적으로 주파수 범위에서 sine sweep을 통해서 진행됩니다.
• 확인된 공진 주파수와 위상각 정보를 가지고 드웰 테이블을 구성합니다.
• 테이블의 각 드웰에 진폭과 지속 시간을 추가합니다.
• 일반적으로 하한 주파수는 DUT가 HCF(High Cycle Fatigue) 유형 테스트의 요구 사항을 충족할 만큼 충분히 피로한 값과 관련이 있습니다.

 

 

2. Tracked Sine Dwell 시작하기

 

Simcenter Testlab 폴더의 Simcenter Testlab Environmental 폴더에서 Tracked Sine Dwell을 찾습니다. (그림 5).

 

 

그림 5: Tracked Sine Dwell은 Simcenter Testlab Environmental 폴더에 있습니다.

 

 

SCADAS 프런트 엔드를 연결하고 그림 2의 구성과 같이 PC와 시험 대상체가 연결되어 있는지 확인이 필요합니다. Testlab 실행 후 좌측 상단에 있는 흰색 아이콘(그림 6)을 클릭하여 새로운 프로젝트를 오픈합니다.

 

 

 그림 6: Simcenter Testlab의 좌측 상단에 있는 흰색 아이콘을 클릭하면 새로운 프로젝트가 열림

 

 

 

 새로운 프로젝트가 생성되면 SCADAS 하드웨어와 통신이 되며, 소프트웨어는 사용 가능한 하드웨어를 체크하고 채널 설정을 적절히 구성합니다.

 

 

3. 채널 설정

 

그림 7과 같이 Channel Setup 워크시트에서 최소 2개의 가속도계 설정이 필요합니다. 

 

그림 7: Tracked Sine Dwell은 채널 셋업 워크시트에 최소 2개의 가속도계 설정이 필요하고, 이 설정에서 컨트롤 가속도계는 Z 방향 모니터링과 측정 가속도계는 3방향(X, Y, Z)으로 측정을 합니다.

 

 

그림8에서 1개의 컨트롤 가속도계와 1개의 측정 가속도계(3축)로 설정을 하였습니다.

 

 

그림 8: 캔틸레버 빔에서 컨트롤과 측정 가속도계 설정을 해서 Tracked Sine Dwell 셋업

 

이 경우에 DUT(Device Under Test)는 컨트롤과 측정 가속도계를 부착한 캔틸레버 빔이 됩니다. FRF(Frequency Response Function)는 고유 주파수 확인과 트랙킹을 하기 위해서 2채널 사이에서 계산이 수행됩니다. 측정 가속도계는 DUT의 고유 주파수를 더 잘 찾기 위해서 컨트롤 가속도계에서 멀리 떨어진 위치에 설치해야 합니다. 일반적으로 컨트롤 가속도계는 DUT(Device Under Test)가 아닌 셰이커 테이블에 부착 합니다. 간단한 캔틸레버 빔을 사용한 이 예시에서는 별도의 셰이커 테이블이 없기 때문에 컨트롤 가속도계는 빔이 셰이커에 장착된 위치 근처에 부착하였습니다. 테스트 중에 추가적으로 채널 측정이 가능하지만 가진과 응답 사이의 위상 변화를 체크하려면 최소 2개의 채널이 있어야 합니다.

 

 

4. 사인 스윕과 전달 함수

DUT(Device Under Test)의 드웰 주파수를 확인하기 위해서 식별된 주파수 범위안에서 사인 스윕이 작동 됩니다. 이 부분은 DUT의 고유 주파수를 잘 알고 있다고 하더라도 중요한 절차입니다. DUT(Device Under Test)의 공진 결과는 시험 환경의 경계 조건으로 인해서 단품 시험 일때의 고유 주파수와 다를 수 있습니다. 예를 들어서 DUT(Device Under Test)가 어셈블리의 일부분이고 셰이커가 시험 대상체에서 DUT의 장착을 모방하도록 만들어진 경우 해당 결합 구조의 공진 주파수는 free-free boundary 조건 또는 현장 테스트에서 DUT의 고유 주파수하고는 다릅니다. 사인 스윕은 셰이커와 연결된 DUT의 고유 주파수 확인을 하는 데 사용됩니다. 스윕 범위는 DUT의 작동 조건(예: 0 ~ 3000 rpm), 해석 모델로 확인된 공진 또는 모든 잠재적인 공진 체크를 하기 위해서 전체 주파수 범위를 가진기로 간단히 스윕하여 결정할 수 있습니다(예: 5 ~ 2500Hz). Swept Sine 셋업은 Sine Setup 워크시트에서 설정하고 일부 주요 파라미터는 그림 9에 나타나 있습니다.

 

 

 

그림 9 사인 셋업 워크시트에서 설정할 주요 파라미터에는 주파수 범위와 sine estimator가 포함됩니다.

 

 

 

1. Control Frequencies : 주파수 단계를 포함해서 스윕할 최대, 최소 주파수를 설정 하며, 이것은 관심 주파수 범위를 포함해야 합니다. 그리고 컨트롤 채널의 estimator도 선택합니다.
2. Measurement Channels : 측정 채널과 추가 측정에 대한 estimator, FRF, THD(Total Harmonic Distortion) 설정이 포함되며, Activate recording을 체크해서 시험을 할때 타임 데이터 저장이 되게 할  있습니다. Tools → Add-ins에서 Time Recording during Sine Dwell을 체크 합니다.
3. Measure FRF : Measurements 섹션에서 Measure FRF의 체크는 선택 사항이며, FRF는 DUT 공진 응답의 위상 정보를 제공합니다.

 

 

사인 스윕 주파수 범위에 대한 대상 진폭 레벨은 그림 10과 같이 "Edit reference profile..." 버튼에 입력해야 합니다. 파라미터를 입력한 후 셀프체크를 수행할 수 있습니다.

 

 

 

 그림 10: Edit reference profile 버튼에서 사인 스윕의 대상 레벨을 설정합니다.

 

 

 5. 셀프 체크

사인 스윕을 실행하기 전에 셀프체크 워크시트에서 잠재적인 문제에 대해 테스트 설정 및 예상 수준을 확인할 수 있습니다( 그림 11).

 

 

 그림 11: 테스트를 실행하기 전에 셀프체크를 통해 모든 가속도센서가 제대로 측정될 수 있는지 확인합니다. 셀프체크가 성공적으로 통과되면 상태가 "OK"로 표시되어야 합니다.

 

 

셀프체크는 낮은 레벨의 랜덤가진으로 쉐이커와 테스트 대상체를 가진시킵니다. 측정된 응답을 기반으로 Simcenter Testlab에서 다음을 확인합니다.

 

 

• Open: Open 또는 작동하지 않는 측정 채널이 없습니다. 예를 들어 가속도계가 떨어졌거나 와이어 연결이 끊어졌을 수 있습니다.
• Overload: 테스트가 전체 레벨에서 실행될 때 오버로드될 수 있는 모든 채널을 식별하고 표시를 합니다.
• Excessive Noise: 성공적인 테스트 실행을 방해할 수 있는 바람직하지 않은 소음이 시스템에 있는지 확인합니다.

 

 

 6. 사인 컨트롤

 

그림 12와 같이 사인 컨트롤 워크시트로 이동하여 사인 스윕을 진행 합니다.

 

 

 

그림 12: 드웰 테스트에 대한 관심 주파수를 식별하는 데 도움이 되도록 테스트 항목의 관심 주파수 범위에 대해 사인 컨트롤 워크시트에서 사인 스윕이 수행됩니다.

 

 

사인 스윕을 위해서 다음의 순서로 진행합니다.

 

1. Arm: "Arm" 버튼을 누르면 SCADAS 하드웨어가 테스트를 실행할 준비가 됩니다. Arm 이후에는 사인컨트롤 워크시트를 제외하고 모든 워크시트가 비활성화 됩니다.

2. 사인 컨트롤 테스트 실행을 위해서 Start 버튼을 누르십시오.

3. View: 컨트롤 가속도계 및 limiting이 기본적으로 표시됩니다.

 

 

그림 13과 같이 사인스윕 중에 컨트롤 외에 다른 측정 채널을 모니터링하는 것도 가능합니다. 분홍색 그래프는 공진 피크를 나타내는 측정 채널 중 하나입니다. 파란색의 컨트롤 채널은 비교적 평평합니다.

 

 

 

그림 13: Data Explorer(1)에 있는 " Online Data " 폴더(2)의 데이터는 사인 스윕 중에 추가 채널을 표시하는 데 사용됩니다.

 

 

 

추가 채널을 보는 방법은 아래와 같습니다.

1. Data Explorer: Data Explorer를 엽니다. 도구 모음에서 빨간색/노란색/흰색 사각형이 있는 아이콘을 선택하거나 기본 메뉴에서 Data → Data Explorer를 선택합니다. Online Data 폴더를 찾은 다음 Sweep에서 Harmonic Spectrum을 찾습니다.

2. 측정 채널을 찾으면 디스플레이로 드래앤 드롭을 합니다. 

 

 

7. 드웰 설정

 

시스템의 FRF 측정을 하고나서 드웰 설정을 하면 그림 14와 같이 테스트할 공진 주파수를 확인 할 수 있습니다.

 

그림 14: 드웰 설정 워크시트에서 사인 드웰을 타겟으로 하는 주파수는 각각의 지속 시간으로 식별됩니다.

 

 

1. Identify Potential Frequencies for Dwell: " Data source "에서 사인 스윕 FRF를 선택하고 테스트할 잠재적 공진 수를 선택합니다. 테스트할 수 있는 피크를 식별하는 데 도움이 되도록 FRF와 커서가 디스플레이에 나타나야 합니다.

2. Dwell 테스트 주파수 선택: 왼쪽 목록에서 오른쪽 마지막 목록까지 화살표 키를 사용하여 테스트할 주파수를 선택합니다.

3. Dwell Overview: 각 드웰 주파수에 대한 진폭 증폭 계수, 드웰 criterion(위상, 진폭,...) 및 주파수 대역을 설정합니다. 이것을 드웰 테이블이라고 합니다.

4. Tracked Channels: 선택한 채널에 대해 " over time " 그래프를 활성화하려면 Tracked Channels을 확인하십시오.

5. Between Dwells: 선택한 드웰 주파수 사이를 전환하는 method를 선택합니다.

• Sweep: 스윕 사인 테스트처럼 주파수 사이를 스윕합니다.
• Step: 테스트는 하나의 공진 주파수에서 감소하고 다음 공진 주파수 근처에서 다시 증가하여 드웰 주파수 사이를 단계적으로 이동합니다. 이 방법은 대부분의 Tracked Sine 드웰 테스트에 일반적입니다.

 

 

 

화면 오른쪽에서 그림 15와 같이 X축 설정을 변경하여 드웰 기간을 time 또는 number of cycles로 표시할 수 있습니다. 시험 스펙에 따라서 time 또는 number of cycles로 선택할 수 있습니다. 예를 들어 cycles은 일반적으로 항공기 터빈 블레이드 드웰 테스트에 사용됩니다.

 

 

 

그림 15: Time 또는 Number of Cycles로 설정

 

 

Dwell Amplitude Control

Dwell test amplitude는 테스트의 스윕 사인 동안 사용되는 컨트롤 가속도계 대신 측정 가속도계의 응답을 기반으로 합니다. 측정 가속도계를 기반으로 컨트롤을 설정하려면 Dwell Setup → Dwell Overview>Ref Amplitude(%)에서 기본 진폭을 측정 지점에서 원하는 레벨보다 높은 값으로 설정합니다. 그런 다음 사인 셋업 워크시트의 노치 프로파일을 사용해서 실제 진폭 타겟을 설정합니다. Ref Amplitude를 원하는 것보다 높게 설정하면 노치 프로파일 레벨이 테스트 중에 진폭을 컨트롤합니다( 그림 16).

 

진폭을 컨트롤하는데 사용할 측정 채널의 Notching에서 상자를 선택하고 Edit notch profile 버튼을 클릭하여 Notching profile 창을 불러옵니다. Notching profile 창에서 원하는 주파수의 진폭에 대한 적절한 값을 입력 합니다. 아래 그림에서의 예를 살펴보면 79.8Hz 공진은 0.5mm 진폭으로 설정되었고, 282Hz 공진은 0.05mm 변위로 설정되었습니다. Dwell Setup 워크시트의 Dwell Overview에 설정된 상한 및 하한 주파수와 동일한 주파수로 값으로 설정하는 것이 좋습니다.

 

그림 16: 사인 셋업 워크시트에서 측정 채널의 타겟 레벨을 설정합니다.

 

 

 8. 드웰 컨트롤

 

드웰 및 측정 지점 진폭 설정이 완료되면 드웰 테스트를 실행할 준비가 된 것입니다. 그림 17과 같이 Dwell Control 워크시트로 이동합니다.

 

Arm 버튼을 누르면 SCADAS 하드웨어가 테스트를 실행할 준비가 됩니다. Arm 클릭이후에는 드웰 컨트럴 워크시트를 제외하고 모든 워크시트가 비활성화 됩니다. 테스트를 실행하려면 "Start 버튼을 누르십시오. 그리고 시험을 하면서 실시간으로 진폭, 주파수, 위상을 모두 모니터링할 수 있습니다.

 

그림 17: Dwell Control 워크시트는 

 

 

 

그림 18의 첫 번째 그래프는 각 테스트의 시간 경과에 따른 위상 결과입니다. 두번째 그래프는 79.8Hz 드웰의 시간 경과에 따른 주파수, 진폭의 결과입니다. 세번째 그래프는 282Hz 드웰의 시간 경과에 따른 주파수와 진폭의 결과입니다. 그래프는 모두 컨트롤러가 수행하는 초기 settling 작업을 명확하게 보여줍니다. 시험이 시작되었을 때 컨트롤러는 드웰 주파수에 있지 않음을 인식하고 공진 상태가 되기 위한 올바른 위상이 정보가 없기 때문에 드웰 주파수를 조정해서 공진 상태를 유지하게 됩니다. 이 짧은 settling 이후에 Testlab은 시험 시간 동안에 공진 상태를 유지합니다.

 

 

 

그림 18: 79.8Hz 드웰(주황색) 및 282Hz 드웰(녹색)의 시간 경과에 따른 위상(Top).

79.8Hz 드웰에서 시간 경과에 따른 진동의 주파수(빨간색) 및 진폭(파란색).(Middle)

282Hz 드웰에서 시간 경과에 따른 진동의 주파수(빨간색) 및 진폭(파란색).(Bottom)

 

 

 

이것이 중요한 이유는 무엇일까요? 공진의 강력함으로 인해서 드웰 테스트시 고정 주파수에서 진행이되는 경우에, DUT는 테스트가 tracked dwell 주파수에서 수행되는 경우보다 약 50% 적은 언더 테스트를 겪게됩니다(그림 19) 이런 현상이 일어나는 이유는 모두 상대적 변위로 때문입니다. DUT가 공진 주파수에서 진동에 노출되면 컨트롤 지점과 측정 지점 사이에는 큰 상대 변위가 있습니다. DUT가 공진에서 가진된 경우 쉐이커는 측정 지점에서 필요한 변위를 얻기 위해 기본 가진 레벨을 높여야 합니다. 이렇게 하면 컨트롤 지점과 측정 지점 사이의 상대적 변위가 줄어 들게 됩니다. 스트레인은 변위에 비례하므로 상대 변위가 낮아지게 되면 DUT의 스트레인도 낮아지게 됩니다. Undertest 테스트는 DUT의 수명 주기를 전체적으로 과대 평가(over-estimate)할 수 있습니다.

 

 

그림 19: 컨트롤(파란색) 대비 79.8Hz에서 측정 응답(빨간색)의 공진 피크가 높음을 보여주는 스윕 사인 결과