KR101426924B1 - 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법 및 그 장치 - Google Patents

편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법 및 그 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유한요소법에 의한 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 사용함에 있어서 편조선이 가지는 형태적 특성을 고려하여 그 굴곡수명을 가장 정확하게 예측할 수 있는 등가모델을 개발하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편조선의 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법은, 편조선 등가 모델링을 위하여 캐드 프로그램을 이용해 일정한 길이를 갖는 원통 형상의 3차원 서피스(3D Surface)를 그리는 단계; 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 편조선의 편조 구조에 대응되도록 지그재그 형태로 트림 라인(Trim Line)을 그리는 단계; 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 두께를 형성하는 단계; 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 그려진 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀을 유한요소 해석을 위한 요소(element)로 모델링하는 단계; 및 상기 각각의 요소에 실제 편조선 시편의 실험을 통해 얻은 물성치를 동일하게 대입하여 상기 편조선의 굴곡수명에 대한 유한요소 해석을 실행하는 단계;를 포함한다.

Description

편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법 및 그 장치{METHOD FOR CONSTRUCTING EQUIVALENT MODEL PREDICTING BENDING ENDURANCE OF BRAIDED WIRE AND THE DEVICE THEREFOR}
본 발명은 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 편조선 제품이 장시간 외부 응력을 받았을 때 그 굴곡 변형에 의해 단선되는데 까지 걸리는 시간을 예측하는데 사용되는 등가모델을 생성하는 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
편조선(Braided wire)은 금속 소재의 소선을 한 가닥 또는 여러 가닥을 모으거나 꼬아서 대편으로 만든 것으로서, 원형과 평면 두 종류가 주로 사용된다. 편조선은 굴곡성이 우수하여 유연성이 요구되는 장소에 사용하기 유리하다. 또한, 많은 기계적 움직임에도 손상되지 않고 대용량의 전류를 흘릴 수 있어 변압기, 덕트 설비용 접지, 발전 설비, 수배전반, 자동차 접지 등에 많이 사용되고 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 편조선은 편조물 구조를 이루어 굴곡성이 우수하다는 장점으로 인해 진동과 같은 기계적 움직임이 반복해서 가해지는 곳에 많이 사용된다. 예를 들어, 자동차 엔진 룸에 접지선으로 사용되는 편조선은 굴곡된 상태로 그 양 끝단이 각각 엔진과 차체 바디에 고정 설치된다. 엔진은 크랭크 축의 반복 회전 등으로 인해 계속하여 롤링이 발생하므로, 접지용 편조선에 반복적인 굽힘 외력을 가하게 된다. 그 결과, 일정 시간이 경과하면 편조선 중에서 최대 응력이 가해지는 부위를 중심으로 단선이 발생하게 된다.
이러한 편조선의 피로 파괴는 편조선이 장착되는 제품의 안전성과 직결되는 문제이므로, 편조선의 굴곡수명을 정확하게 계산하는 것은 매우 중요하다. 편조선의 굴곡수명은 편조선의 규격(물성) 및 그 장착 형태에 따라 다양하게 나타난다. 예를 들어, 같은 규격으로 된 편조선을 사용하더라도 일직선으로 장착되는 것과 굽혀진 형태로 장착되는 것은 외부의 기계적 움직임에 의해 가해지는 최대 응력의 크기와 위치가 달라지기 때문에 단선이 발생하는 굴곡수명 또한 달라지게 된다.
편조선의 굴곡수명을 계산하는 기본적인 방법은 편조선의 시편을 제작하여 실제로 장착되는 환경과 유사한 조건에서 직접 실험해 보는 것이다. 그러나, 이 방법은 편조선의 규격이 달라지거나, 편조선이 장착되는 형태나 환경이 달라질 때마다 일일이 실험을 다시해야 하기 때문에 효율성이 떨어진다.
편조선의 굴곡수명을 계산하는 또 다른 방법은 편조선에 대한 3D 모델을 생성한 후에 유한요소법(Finite Element Method)을 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 굴곡수명을 예측하는 것이다. 그러나, 이 시뮬레이션 방법은 편조선 자체가 복잡한 편조물 구조를 가진다는 점, 직경, 길이, 인장강도, 마찰계수, 허용 전류치 등 고려해야할 물리적 특성이 매우 많다는 점 등으로 인해 이를 정확하게 시뮬레이션할 수 있는 예측방법이 아직 개발되지 못하고 있는 실정이다.
본 발명은 이러한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 유한요소법에 의한 컴퓨터 시뮬레이션 방법을 사용함에 있어서 편조선이 가지는 형태적 특성을 고려하여 그 굴곡수명을 가장 정확하게 예측할 수 있는 등가모델을 개발하는데 주된 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편조선의 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법은, 편조선 등가 모델링을 위하여 캐드 프로그램을 이용해 일정한 길이를 갖는 원통 형상의 3차원 서피스(3D Surface)를 그리는 단계; 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 편조선의 편조 구조에 대응되도록 지그재그 형태로 트림 라인(Trim Line)을 그리는 단계; 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 두께를 형성하는 단계; 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 그려진 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀을 유한요소 해석을 위한 요소(element)로 모델링하는 단계; 및 상기 각각의 요소에 실제 편조선 시편의 실험을 통해 얻은 물성치를 동일하게 대입하여 상기 편조선의 굴곡수명에 대한 유한요소 해석을 실행하는 단계;를 포함한다.
또한, 상기 트림 라인 형성 단계는, 상기 편조선의 편조 구조가 소선의 묶음 단위인 번들이 지그재그로 편조되어 만들어지는 것이고, 상기 트림 라인은 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 모양과 대응되도록 그려지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 요소 모델링 단계는, 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀은 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 셀과 대응되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 요소 모델링 단계는, 상기 번들이 지그재그로 편조될 때 각 번들 사이에 형성되는 공간에 의한 영향 팩터를 반영하여 모델링하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 유한요소 해석 단계는, 실제 편조선 시편의 실험을 통해 얻은 상기 물성치를 각각의 편조선 규격에 따른 데이터베이스로 구축하고, 이 데이터베이스로부터 해당되는 편조선 시편의 물성치를 입력받아 유한요소 해석을 실행하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 데이터베이스는 편조선 소재 및 편조선 자체에 대한 기계적 물성치를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편조선의 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성장치는, 편조선 소재 및 편조선 자체에 대한 기계적 물성치를 저장하는 데이터베이스 유니트; 상기 편조선 자체의 편조 구조에 대응하는 3차원 등가모델을 생성하는 모델링 유니트; 상기 데이터베이스로부터 해당 편조선 규격에 따른 물성치를 입력받고, 상기 3차원 등가모델의 모든 요소에 대해 상기 입력받은 편조선 물성치를 동일하게 대입하여 상기 편조선의 굴곡수명에 대한 유한요소 해석을 실행하는 유한요소 해석 유니트; 및 상기 유한요소 해석의 결과를 출력하는 출력 유니트;를 포함한다.
또한, 상기 데이터베이스 유니트는 편조선 번들에 대한 기계적 물성치도 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 모델링 유니트는, 편조선 등가 모델링을 위하여 캐드(CAD) 프로그램을 이용해 일정한 길이를 갖는 원통 형상의 3차원 서피스(3D Surface)를 그리는 모듈, 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 상기 편조선 자체의 편조 구조에 대응되도록 지그재그 형태로 트림 라인(Trim Line)을 그리는 모듈, 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 두께를 형성하는 모듈, 및 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 그려진 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀을 유한요소 해석을 위한 요소(element)로 모델링하는 모듈을 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 트림 라인 형성 모듈은, 상기 편조선의 편조 구조가 소선의 묶음 단위인 번들이 지그재그로 편조되어 만들어지는 것이고, 상기 트림 라인이 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 모양과 대응되도록 그리는 것이 바람직하다.
또한, 상기 요소 모델링 모듈은, 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀이 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 셀과 대응되도록 해주는 것이 바람직하다.
또한, 상기 요소 모델링 모듈은, 상기 번들이 지그재그로 편조될 때 각 번들 사이에 형성되는 공간에 의한 영향 팩터를 반영하여 모델링하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법 및 그 장치에 따르면, 편조선의 규격 또는 사용 형태에 따른 굴곡수명을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 보다 정확히 예측할 수 있는 등가모델을 제공한다.
따라서, 본 발명에서 제공되는 등가모델을 사용하면 편조선의 규격이나 외부 환경 및 장착 형태가 달라지더라도 이를 일일이 시편 실험을 통해 굴곡수명을 측정할 필요가 없으며, 변화되는 데이터만을 입력하고 본 발명의 등가모델을 이용하여 유한요소 해석함으로써 정확한 굴곡수명을 예측할 수 있다.
도 1은 편조선의 편조 구조를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제1 단계를 예시한 도면.
도 3은 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제2 단계를 예시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제3 단계를 예시한 도면.
도 5는 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제4 단계를 예시한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제5 단계를 예시한 도면.
도 7은 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제6 단계를 예시한 도면.
도 8은 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제7 단계를 예시한 도면.
도 9는 본 발명에 따른 편조선 등가모델 예측 결과를 나타낸 도면.
도 10은 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 적용방법을 예시한 도면.
이하에서 첨부된 도면을 참조로 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 보다 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 모델링 대상인 편조선의 일부를 찍은 사진이다. 편조선(A)은 앞서 설명한 바와 같이 금속 소재의 소선을 한 가닥 또는 여러 가닥을 모으거나 꼬아서 대편으로 만든 것이다. 소선이 여러 가닥 모이면 번들(B, Bundle)을 구성하고, 이 번들(B)이 서로 지그재그 형태로 짜여져서 편조 구조를 갖는 편조선이 만들어진다. 따라서, 편조선은 금속 소선(기본 형태) -> 번들(중간 형태, 소선의 묶음) -> 편조선(최종 형태, 번들의 편조물)으로 구성된다.
본 발명자들은 편조선의 굴곡수명을 정확하게 계산하기 위한 등가 물성 및 해석 모델링 방법을 다음과 같은 과정을 통해 개발하였다. 먼저, 다양한 규격을 갖는 편조선 시편을 제작하고, 인장시험 등을 통해 각 편조선 시편의 기계적 물성을 측정하였다. 즉, 편조선 소재(금속 소선), 번들, 편조선 자체의 각 규격별 기초 강도시험을 통해 응력-변형율 그래프를 도출하고, 이를 데이터베이스화 하였다. 데이터베이스화 된 편조선 소재, 번들, 편조선의 규격별 기계적 물성치를 이용하여 실제 편조선 시편과 가장 유사한 거동을 나타내는 등가모델을 개발하였다. 마지막으로, 이 등가모델을 이용해 실제 편조선 제품의 제조공정 해석, 편조선 제품의 장착 형태의 구조적 해석 등을 통해 실제 편조선 제품이 해당 환경 조건(외부 응력, 장착 형태 등)에서 단선에 이르게 되는 시간, 즉 굴곡수명을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 정확히 예측하는 방법을 개발한 것이다.
편조선 시편에 대한 등가모델을 개발하기 위해 1) 편조선 소재 기반의 등가모델, 2) 번들 기반의 등가모델, 3) 편조선 자체 기반의 등가모델과 같이 3가지 예상 등가모델을 수립하였다. 상기 세 가지 등가모델을 적용하여 미리 측정된 편조선 시편의 응력-변형율 그래프와 비교해 본 결과, 편조선 소재 기반의 등가모델은 편조선 시편의 응력 대비 변위 곡선의 거동 경향과의 차이가 매우 크게 나타났고, 번들 기반의 등가모델은 응력 대비 변위 곡선의 소성 구간의 거동 경향은 유사하나 초기 탄성 구간 및 항복 응력 구간에서의 거동 경향은 상이한 것으로 나타났다. 그 이유는 위 2가지 모델이 마찰력 등과 같이 편조선의 구조적 특징에서 오는 영향 인자를 반영하지 못하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 이 2가지 모델은 컴퓨터 시뮬레이션 용으로 적합하지 않았다.
따라서, 편조선의 실제 형상을 유사하게 모델링한 상세 모델을 이용하여 등가모델을 구축하는 것이 바람직하다. 이러한 편조선 자체 기반의 등가모델은 어떻게 편조선의 실제 형상 및 거동과 가장 유사한 모델을 개발할 수 있는가 여부가 매우 중요하다. 본 발명은 이를 위해 종래와는 상이한 형태의 편조선 상세 모델링 방법을 구현하였는 바, 이를 도 2 내지 도 8을 차례로 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제1 단계를 예시한 것으로서, 이는 편조선 등가 모델링을 위하여 캐드 프로그램 등을 이용해 중심점(0,0,0)으로부터 일정한 지름(D) 및 길이(L)를 갖는 원통 형상의 3차원 서피스(3D Surface, 10)를 그리는 단계이다. 이와 같이, 본 발명은 기본적으로 편조선 자체의 모델링을 위하여 원통형 기학적 구조(Geometry)를 이용한다.
이는 편조선이 편조기를 통해 일정한 지름을 갖는 원통 형상으로 편조된 후에 이를 압착하여 제조되는 실제 제조공정을 그대로 반영한 것으로서, 캐드 작업 및 유한요소 모델링 과정에서 소실될 수 있는 실 공정상의 모든 절차를 반영하는 편조선 자체 기반의 등가모델을 제공한다.
도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제2 및 제3 단계를 예시한 것으로서, 이는 제1 단계에서 생성된 원통 형상의 3차원 서피스(10) 위에 트림 라인(Trim line)을 입히는 단계이다.
도 3에 도시된 바와 같이 편조선의 편조 구조에 대응되도록 지그재그 형태로 트림 라인(20)을 생성한다. 상기 원통 형상의 3차원 서피스(10)를 4등분하고, 원통의 바깥쪽에 수직한 라인(12)을 생성한다. 이 수직 라인(12)을 일정한 각도로 서로 교차하도록 하여 복수개의 트림 라인(20)을 형성하고, 도 4에 도시된 바와 같이 원통 형상의 3차원 서피스(10)의 정면 및 측면에 상기 트림 라인(20)을 입힌다.
트림 라인(20)을 입힌 후에는 4등분의 경계선인 수직 라인(12)과 트림 라인(20)이 맞는 점(14)이 실제 편조선에는 존재하지 않는 부분이므로 이를 수정할 필요가 있다. 이 밖에, 원통 형상의 3차원 서피스(10) 중에서 실제 편조선과 비교하여 불필요한 부분을 제거한다.
상기 편조선의 편조 구조는 소선의 묶음 단위인 번들이 지그재그로 편조되어 만들어지고, 상기 트림 라인(20)은 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 모양과 대응되도록 그려진다.
도 5는 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제4 단계를 예시한 것으로서, 이는 트림 라인(20)이 입혀진 상기 원통 형상의 3차원 서피스(10)에 두께(T)를 형성하는 단계이다. 이 두께(T)는 실제 모델링하고자 하는 편조선의 규격과 대응되도록 형성한다. 원통 형상의 3차원 서피스(10)에 두께(T)를 형성하는 것은 서피스 오프셋(Surface offset) 기능을 이용하여 원통의 안쪽으로 원하는 두께만큼 오프셋하여 서피스를 생성하는 것이다.
이 단계를 통하여 상기 원통 형상의 3차원 서피스(10)는 기본의 바깥쪽 및 안쪽면뿐만 아니라 위쪽면, 옆쪽면, 아래쪽면이 추가로 생성된다. 그 결과, 원통 형상의 3차원 서피스(10)는 편조 직후의 편조선 구조와 실제적으로 동일하게 된다.
이 트림 라인(20)이 입혀진 원통 형상의 3차원 서피스(10)는 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀을 이용하여 유한요소 해석을 위한 요소(element)로 모델링된다. 이러한 모델링 작업은 도 6 및 도 7에 의해 예시된 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 제5 및 제6 단계를 통해 이루어진다.
먼저, 제5 단계는 도 6에 도시된 바와 같이 상기 트림 라인(20)이 입혀진 원통 형상의 3차원 서피스(10)로부터 볼륨 솔리드(Volume Solid, 30)를 생성한다[도 6의 (B)]. 이 볼륨 솔리드(30)는 상기 원통 형상의 3차원 서피스(10)의 일부분만을 절단하여 만들어지는 것으로 모델링을 위한 패턴 셀을 포함하는 기본 대상이 된다. 본 실시예에서는 상기 볼륨 솔리드(30)는 원통 형상의 3차원 서피스(10)의 1/4만을 사용하여 만들어진다[도 6의 (A)].
제6 단계는 도 7에 도시된 바와 같이 생성된 볼륨 솔리드(30)에서 편조선의 편조 구조와 동일한 패턴을 갖는 셀 단위를 하나의 요소(element, 32)로 분리한다[도 6의 (A)]. 이 때, 해석과정의 효율성을 고려하거나 해석에 사용되는 프로그램의 특성에 따라 상기 요소는 솔리드 요소(Solid element)로 분리될 수도 있고, 셀 요소(Shell element) 등으로도 분리할 수 있다.
이 요소(32)는 실제 편조선의 편조 구조와 대응되도록 좌측 및 우측으로 복수개의 셀로 생성된다. 결과적으로, 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀은 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 셀과 대응된다.
한편, 3차원 서피스를 2차원으로 모델링하기 위해 각 요소(32)에 대하여 중간면(Mid-Surface, 34)를 생성할 수도 있다[도 6의 (B)].
도 7에 도시된 바와 같이, 각 요소(32)는 서로 높이가 다르게 표현되고, 각 중간면(34)은 둘 사이에 공간이 만들어지도록 서로 이격되게 표현되어 질 수 있다. 이는 실제 편조선의 번들 사이에서 벌어진 공간이 존재하고, 이 공간에 의한 번들 사이의 완충 또는 마찰 작용이 편조선의 굴곡수명에 미치는 영향을 반영하기 위함이다. 이와 같이, 본 발명에서는 번들이 지그재그로 편조될 때 각 번들 사이에 형성되는 공간에 의한 영향 팩터도 최대한 반영하여 실제 편조선의 거동과 최대한 동일하도록 구성한다.
도 8은 본 발명에 따른 편조선 등가모델의 마지막 제7 단계를 예시한 것으로서, 실제 편조선 굴곡수명을 예측하기 위한 유한요소 해석 모델링 단계이다. 유한요소 해석용 모델(40)은 상기 요소의 중간면(42)을 오토 메싱(Auto mesh) 기능을 이용하여 작업함으로써 생성된다[도 8의 (A)]. 이에 의해 만들어지는 최종 형태의 요소(44)는 실제 편조선의 번들과 동일하게 지그재그 형태의 편조 구조를 가지게 된다[도 8의 (B)].
이와 같은 과정을 통해 생성된 상기 각각의 요소(44)에 실제 편조선 시편의 실험을 통해 얻은 물성치를 동일하게 대입하여 상기 편조선의 굴곡수명에 대한 유한요소 해석을 실행하게 되는 것이다.
본 발명에서는, 편조선 시편에 대한 기초 강도 시험을 통해 얻은 기계적 물성치, 예를 들어 편조선 시편의 인장강도(인장 실험에서 단선을 발생시키는 인장응력)는 시편의 편조 구조를 이루는 모든 번들의 인장강도와 동일하다고 가정하고, 이 인장강도를 등가모델의 각 요소에도 동일하게 대입하게 된다. 그 결과, 모든 요소(44)에 대입되는 값을 각 편조선의 규격에 따라 미리 측정된 물성치로 결정할 수 있기 때문에 모델링 작업을 단순화 할 수 있다.
이러한 가정은 편조선의 번들은 지그재그 형태로 서로 짜여있기 때문에 외부에서 가해지는 인장응력이 편조선 전체로 균일하게 전달될 것이라는 전제 하에서 적용된 것이다. 도 9에 도시된 바와 같이 편조선 제품을 대상으로 한 인장시험 결과와 그 요소에 동일한 물성치를 반영한 등가모델의 해석 결과는 필요충분하게 부합되므로 위 가정을 등가모델의 적용하는 것은 상당히 유용한 것으로 판명되었다.
상기 유한요소 해석 단계는, 실제 편조선 시편의 실험을 통해 얻은 상기 물성치를 각각의 편조선 규격에 따른 데이터베이스로 구축하고, 이 데이터베이스로부터 해당되는 편조선 시편의 물성치를 입력받아 유한요소 해석을 실행하도록 구성될 수 있다. 이 때, 상기 데이터베이스는 편조선 소재, 번들, 편조선 자체에 대한 다양한 기계적 물성치를 포함할 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명에 따른 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법을 구현하는 장치에 대해 간단히 설명한다.
본 발명의 등가모델 생성장치는, 편조선 소재 및 편조선 자체에 대한 기계적 물성치를 저장하는 데이터베이스 유니트; 상기 편조선 자체의 편조 구조에 대응하는 3차원 등가모델을 생성하는 모델링 유니트; 상기 데이터베이스로부터 해당 편조선 규격에 따른 물성치를 입력받고, 상기 3차원 등가모델의 모든 요소에 대해 상기 입력받은 편조선 물성치를 동일하게 대입하여 상기 편조선의 굴곡수명에 대한 유한요소 해석을 실행하는 유한요소 해석 유니트; 및 상기 유한요소 해석의 결과를 출력하는 출력 유니트;를 포함한다.
상기 모델링 유니트는 캐드(CAD) 프로그램 등을 통하여 제작된 3차원 편조선 제품 데이터를 입력받아 생성할 수도 있고, 자체 내장된 3차원 제품 모델링 프로그램을 통해 실행될 수도 있다.
상기 유한요소 해석 유니트는 3차원 등가모델의 모든 요소에 동일한 물성치를 대입함으로써 모델링을 매우 단순화하였는 바, 이러한 가정은 편조선의 편조 구조를 반영한 것으로서 등가모델의 적용 결과 매우 유용한 것으로 판명되었음은 상기한 바와 같다.
또한, 상기 데이터베이스 유니트는 편조선 번들에 대한 기계적 물성치도 포함할 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면 다양한 규격의 편조선 시편에 대하여 다양한 기초 강도 실험을 실시함으로써, 편조선 소재인 금속 소선, 번들, 편조선 자체에 대한 여러가지 물성치를 모두 데이터베이스하고, 이러한 물성치를 유한요소 해석 과정에서 모두 반영함으로써 보다 정확한 굴곡수명 예측이 가능하도록 해준다.
또한, 상기 모델링 유니트는, 편조선 등가 모델링을 위하여 캐드 프로그램을 이용해 일정한 길이를 갖는 원통 형상의 3차원 서피스(3D Surface)를 그리는 모듈, 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 상기 편조선 자체의 편조 구조에 대응되도록 지그재그 형태로 트림 라인(Trim Line)을 그리는 모듈, 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 두께를 형성하는 모듈, 및 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 그려진 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀을 유한요소 해석을 위한 요소(element)로 모델링하는 모듈을 포함한다.
이 때, 상기 트림 라인 형성 모듈은, 상기 편조선의 편조 구조가 소선의 묶음 단위인 번들이 지그재그로 편조되어 만들어지는 것이고, 상기 트림 라인이 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 모양과 대응되도록 그리는 것이 바람직하다.
상기 요소 모델링 모듈은, 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀은 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 셀과 대응되도록 해주는 것이 바람직하다. 또한, 상기 요소 모델링 모듈은, 상기 번들이 지그재그로 편조될 때 각 번들 사이에 형성되는 공간에 의한 영향 팩터를 반영하여 모델링하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명에 따른 편조선 자체 기반 등가모델을 이용하여 자동차 엔진의 접지용 그라운드 전선의 굴곡수명을 예측하는 방법을 나타낸다. 편조선 제품 모델(50)은 그 일단에 압착된 바디 부 단자(52)가 차체 바디(60)의 지점 a에 고정 장착되고, 타단에 압착된 어스 부 단자(54)는 엔진 케이스(70)의 지점 b에 장착된다. 편조선 제품 모델(50)은 편조선으로 된 그라운드 전선이 실제로 장착되는 조건을 그대로 반영하기 위해 일정하게 굴곡된 형태로 모델링된다. 엔진은 피스톤의 왕복 운동이 크랭크 축(72)의 회전 운동으로 전달되고, 이 크랭크 축(72)의 회전 운동은 엔진 자체의 롤링을 일으킨다. 이러한 엔진의 반복되는 기계적 움직임은 엔진과 연결된 그라운드 전선에 그대로 전달된다.
상기한 장착 환경 하에서 그라운드 전선의 굴곡수명을 예측하기 위하여 먼저, 본 발명에 따른 편조선 등가모델을 적용하여 제품 모델링 한 다음 등가모델의 각 요소에 아래 표 1에 예시된 실제 편조선의 규격 및 기계적 물성치를 동일하게 반영한다.
편조선 종류 SQ(mm2) 탄성계수 푸아송비 항복응력
편조선 A 15.0 9000 0.343 217.06
비록 초기 요소에 대입되는 물성치는 동일하지만 도 10에서 보는 바와 같이, 해당 제품의 장착 환경(굴곡 장착 형태, 롤링 응력의 전달 경로 등)에 따라 유한요소 해석 과정에서 각 요소의 물성치는 달라지게 된다.
유한요소 해석은 해당 그라운드 전선의 제조 공정 및 장착 내구성 해석 과정으로 이루어진다. 상기 제조 공정 해석은 편조선 자체의 제조 공정뿐만 아니라 편조선의 양쪽에 단자가 압착되는 과정도 포함한다. 상기 장착 내구성 해석은 도 10과 같은 장착 환경 하에서 엔진의 롤링 응력을 장기간 받은 경우에 그라운드 전선의 어느 부위에서 최대 외부 응력이 걸리고, 편조선 자체의 피로 강도를 고려하여 이 최대 외부 응력에 의해 단선이 발생되기까지의 시간을 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 최종 계산하게 된다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.
10: 3차원 서피스(3D Surface) 20: 트림 라인(Trim line)
30: 볼륨 솔리드(Volume Solid) 40: 유한요소 해석용 모델
50: 편조선 제품 모델

Claims (12)

  1. 편조선 등가 모델링을 위하여 캐드 프로그램을 이용해 일정한 길이를 갖는 원통 형상의 3차원 서피스(3D Surface)를 그리는 단계;
    상기 원통 형상의 3차원 서피스에 편조선의 편조 구조에 대응되도록 지그재그 형태로 트림 라인(Trim Line)을 그리는 단계;
    상기 원통 형상의 3차원 서피스에 두께를 형성하는 단계;
    상기 원통 형상의 3차원 서피스에 그려진 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀을 유한요소 해석을 위한 요소(element)로 모델링하는 단계; 및
    상기 각각의 요소에 실제 편조선 시편의 실험을 통해 얻은 물성치를 동일하게 대입하여 상기 편조선의 굴곡수명에 대한 유한요소 해석을 실행하는 단계;를 포함하되,
    상기 트림 라인 형성 단계는, 상기 편조선의 편조 구조가 소선의 묶음 단위인 번들이 지그재그로 편조되어 만들어지는 것이고, 상기 트림 라인은 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 모양과 대응되도록 그려지는 것이며,
    상기 요소 모델링 단계에서, 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀은 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 셀과 대응되는 것을 특징으로 하는 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 요소 모델링 단계는, 상기 번들이 지그재그로 편조될 때 각 번들 사이에 형성되는 공간에 의한 영향 팩터를 반영하여 모델링하는 것을 특징으로 하는 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 유한요소 해석 단계는, 실제 편조선 시편의 실험을 통해 얻은 상기 물성치를 각각의 편조선 규격에 따른 데이터베이스로 구축하고, 이 데이터베이스로부터 해당되는 편조선 시편의 물성치를 입력받아 유한요소 해석을 실행하는 것을 특징으로 하는 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 데이터베이스는 편조선 소재 및 편조선 자체에 대한 기계적 물성치를 포함하는 것을 특징으로 하는 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성방법.
  7. 편조선 소재 및 편조선 자체에 대한 기계적 물성치를 저장하는 데이터베이스 유니트;
    상기 편조선 자체의 편조 구조에 대응하는 3차원 등가모델을 생성하는 모델링 유니트;
    상기 데이터베이스로부터 해당 편조선 규격에 따른 물성치를 입력받고, 상기 3차원 등가모델의 모든 요소에 대해 상기 입력받은 편조선 물성치를 동일하게 대입하여 상기 편조선의 굴곡수명에 대한 유한요소 해석을 실행하는 유한요소 해석 유니트; 및
    상기 유한요소 해석의 결과를 출력하는 출력 유니트;를 포함하되
    상기 모델링 유니트는, 편조선 등가 모델링을 위하여 캐드(CAD) 프로그램을 이용해 일정한 길이를 갖는 원통 형상의 3차원 서피스(3D Surface)를 그리는 모듈, 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 상기 편조선 자체의 편조 구조에 대응되도록 지그재그 형태로 트림 라인(Trim Line)을 그리는 모듈, 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 두께를 형성하는 모듈, 및 상기 원통 형상의 3차원 서피스에 그려진 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀을 유한요소 해석을 위한 요소(element)로 모델링하는 모듈을 포함하며,
    상기 트림 라인 형성 모듈은, 상기 편조선의 편조 구조가 소선의 묶음 단위인 번들이 지그재그로 편조되어 만들어지는 것이고, 상기 트림 라인을 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 모양과 대응되도록 그리고,
    상기 요소 모델링 모듈은, 상기 트림 라인에 의해 형성되는 셀이 상기 번들이 지그재그로 편조됨으로써 형성되는 셀과 대응되도록 해주는 것을 특징으로 하는 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 데이터베이스 유니트는 편조선 번들에 대한 기계적 물성치도 포함하는 것을 특징으로 하는 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성장치.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 청구항 7에 있어서,
    상기 요소 모델링 모듈은, 상기 번들이 지그재그로 편조될 때 각 번들 사이에 형성되는 공간에 의한 영향 팩터를 반영하여 모델링하는 것을 특징으로 하는 편조선 굴곡수명을 예측하는 등가모델 생성장치.
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