KR101865270B1 - Methiod for counting fatigue damage in frequency domain applicable to multi-spectral loading pattern - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 시간 영역에서 피로 손상도를 계측하기 위해 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정한 후 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak count) 방법 등을 이용하여 피로 손상도를 계산하는 기존의 방법들은 정확하기는 하나 불규칙한 랜덤신호가 가진원으로 작용하는 기계 시스템에 대하여는 시간 영역의 방대한 양의 데이터를 처리하기에 어려움이 있고, 이러한 난점을 해소하기 위해 주파수 영역에서 계산하는 종래의 방법들은 조화(harmonic) 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 피로 손상도 계산방법들의 문제점을 해결하여, 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에서 가속도 데이터를 활용한 랜덤(random) 가진상태에서 피로 손상도를 계산하는 방법을 제시하고, 이를 기존의 조화(harmonic) 가진 상태에서의 피로도 계산방법과 연계하여, 랜덤, 조화 및 SOR 가진상태에서 피로 손상도의 계산이 모두 가능하도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법이 제공된다. The present invention relates to a method of calculating fatigue damage in a frequency domain for vibration testing of a mechanical system. According to the present invention, a strain gauge is attached to measure fatigue damage in a time domain, Conventional methods for calculating fatigue damage using a zero-crossing peak count method are accurate, but for a mechanical system with an irregular random signal, a large amount of time-domain data However, the conventional methods of calculating in the frequency domain to solve such a difficulty have solved the problems of the conventional methods of calculating fatigue damage which have limitations applicable only to harmonic excitations, Utilizing acceleration data in a condition with sine-on-random (SOR) representing the spectrum We propose a method to calculate the fatigue damage degree in the random excitation state and calculate the fatigue damage degree in the random, harmonic and SOR excited state in connection with the fatigue calculation method in the existing harmonic excitation state. There is provided a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency region capable of coping with a variety of vibration spectrum patterns configured to be capable of both.

Description

다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법{Methiod for counting fatigue damage in frequency domain applicable to multi-spectral loading pattern} [0001] The present invention relates to a method for calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns,

본 발명은 예를 들면, 자동차 부품 등과 같은 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법에 관한 것으로, 더 상세하게는, 종래, 시간 영역에서 피로 손상도를 계측하기 위해 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정한 후 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak count) 방법 등을 이용하여 피로 손상도를 계산하는 기존의 방법들은 정확하기는 하나 불규칙한 랜덤신호가 가진원으로 작용하는 기계 시스템에 대하여는 시간 영역의 방대한 양의 데이터를 처리하기에 어려움이 있고, 이러한 난점을 해소하기 위해 주파수 영역에서 계산하는 종래의 방법들은 조화(harmonic) 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 피로 손상도 계산방법들의 문제점을 해결하기 위해, 랜덤(random) 및 조화 가진 상태뿐만 아니라 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도를 모두 계산할 수 있도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법에 관한 것이다. BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency domain for vibration testing of a mechanical system such as an automobile part, The conventional methods of calculating the fatigue damage using the zero-crossing peak count method after measuring the strain by attaching the strain gauges are accurate, but in a mechanical system acting as a circle with an irregular random signal It is difficult to process a large amount of data in the time domain. Conventional methods of calculating in the frequency domain in order to solve such a difficulty include the conventional method of calculating the fatigue damage by the harmonic method In order to solve the problem of random and harmonic oscillations, Calculate the fatigue damage in the frequency domain that can cope with various vibration spectrum patterns that are calculated so that the linear system can calculate the fatigue damage degree under the condition of sine-on-random (SOR) ≪ / RTI >

또한, 본 발명은, 상기한 바와 같이 랜덤, 조화 및 SOR 가진 상태에서의 피로 손상도를 모두 계산할 수 있도록 하기 위해, 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR 가진조건에서 가속도 데이터를 활용한 랜덤(random) 가진상태에서 피로 손상도를 계산하는 방법을 제시하고, 이를 기존의 조화(harmonic) 가진 상태에서의 피로도 계산방법과 연계하여, 궁극적으로 랜덤, 조화 및 SOR 가진상태에서 피로 손상도의 계산이 모두 가능하도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법에 관한 것이다.Further, in order to calculate the fatigue damage degree in the random, harmonic, and SOR-excited states as described above, the present invention is characterized in that, in order to calculate the fatigue damage degrees in the random, In this paper, we propose a method to calculate the fatigue damage degree in the state of fatigue damage, and in connection with the fatigue calculation method in the existing harmonic fatigue state, ultimately calculate the fatigue damage degree in the random, And more particularly to a method of calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns to be constructed.

일반적으로, 기계 시스템의 진동 시험은 크게 조화(Harmonic) 가진과 랜덤(Random) 가진으로 나눌 수 있으며, 대상 시스템이 작동 상태에서 어떤 형태의 진동 패턴에 노출되는가에 따라 주파수 성분들이 결정된다. In general, the vibration test of a mechanical system can be roughly divided into harmonic excitation and random excitation, and the frequency components are determined according to the type of vibration pattern of the target system being exposed to the operating state.

예를 들면, 대표적인 기계 시스템인 자동차 부품의 경우, 국제(ISO 16750-3:2007(E) 참조) 또는 국내(KS R 1034(2006v) 참조) 규격에서 대상 부품들에 따라 체계적으로 진동 프로파일을 제안하였으며, 조화 진동 성분과 랜덤 성분이 동시에 발생하는 복합 진동패턴을 나타내는 시스템에 대하여는, 미국 국방 규격에서 SOR(sine-on-random)이라고 명명된 진동 프로파일에 대한 시험방법을 제시하였다(MIL-STD-810G 참조). For example, in the case of automotive parts, which are representative mechanical systems, we propose a systematic vibration profile according to the target parts in the international (see ISO 16750-3: 2007 (E)) or domestic (see KS R 1034 For a system that exhibits a composite vibration pattern in which both harmonic and random components occur at the same time, a test method for a vibration profile named SOR (sine-on-random) is proposed in the US National Defense Standard (MIL-STD- 810G).

또한, 종래의 연구에서는, SOR 진동시험과 기존의 조화 가진, 랜덤 가진 시험과 피로 손상도 측면에서 비교 분석을 수행하여 대상 시스템이 복합 스펙트럼 패턴을 보일 경우 SOR 시험을 진행하는 것이 타당함이 제시된 바 있다. In addition, in the conventional research, it is suggested that the SOR test should be performed when the target system shows a complex spectrum pattern by performing comparative analysis in terms of the SOR vibration test, the existing harmonic test, the random excitation test, and the fatigue damage have.

즉, 진동 환경에 있어서는, 대상 시스템이 높은 주파수 가진에 노출되기 때문에 변형률 성분의 경우 측정 부위가 매우 취약한 부위임에도 불구하고 잡음 등의 영향을 받아 신뢰도가 떨어지며, 가속도 응답의 경우 신호 크기 측면에서 매우 유리한 입장이지만 가속도 물리량이 직접적으로 피로 손상도 값을 도출하지 못하기 때문에 에너지 등고선 등을 이용한 간접적인 방법 또는 유사 손상도(pseudo damage) 등이 이용되었다. That is, in the vibration environment, since the target system is exposed to a high-frequency excitation, the reliability of the strain component is low due to noise and the like even though the measurement site is very weak. In the acceleration response, However, since the acceleration physical quantity can not directly derive the fatigue damage value, an indirect method using energy contour or the like or pseudo damage is used.

아울러, 가속도 데이터를 활용하여 피로 손상도를 예측하는 과정에서도 시간 영역에서의 카운트 방법과 주파수 영역의 방법이 모두 가능하기 때문에 어떤 방법을 선택하는가에 따라 결과값에 차이가 발생하며, 특히, 에너지 등고선을 활용한 피로 손상도 예측 방법은 변형률 기반의 물리적인 피로 손상도이면서 입력 진동을 정규화하기 때문에 피로 손상도를 서로 비교 평가하는데 높은 신뢰성을 보장할 수 있다. In addition, since the counting method in the time domain and the frequency domain method are all possible in the process of predicting the fatigue damage degree by using the acceleration data, there are differences in the result values depending on which method is selected. In particular, The fatigue damage prediction method utilizing strain is based on the strain - based physical fatigue damage and normalizes the input vibration. Therefore, high reliability can be guaranteed in comparing and evaluating fatigue damage degrees.

여기서, 상기한 바와 같은 부품이나 구조물의 피로 손상도를 계산하는 방법에 관한 종래기술의 예로는, 예를 들면, 먼저, 한국 등록특허공보 제10-1414520호에 따르면, 서로 다른 주파수의 신호들을 둘 다 인가하여 구조물을 진동시키는 단계, 진동에 의해 발생한 구조물의 응답을 디지털 신호로 변환하는 단계, 디지털 신호로부터 주파수 신호들의 고조파 응답과 선형 응답을 제거하고 동기복조하여 일차 변조 신호를 추출하는 단계, 서로 다른 주파수의 신호들의 주파수를 연속 변화시켜 일차 변조 신호들을 추출하고 일차 변조 신호들을 결합하여 제 1 측파대 스펙트로그램(first sideband spectrogram)을 생성하는 단계 및 제 1 측파대 스펙트로그램으로부터 구조물의 균열유무를 판별하는 단계를 포함하여, 초음파의 전압 레벨이 매우 작더라도 손상유무를 정밀하게 판별할 수 있어 센서의 전력 소비를 감소시킬 수 있도록 구성되는 비선형 초음파 모듈레이션 기법을 이용한 구조물의 안전진단방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다. Here, as an example of the prior art relating to a method for calculating the degree of fatigue damage of the above-described parts or structures, for example, according to Korean Patent Registration No. 10-1414520, Converting the response of the structure generated by the vibration into a digital signal, removing the harmonic response and the linear response of the frequency signals from the digital signal, extracting the primary modulated signal by synchronously demodulating the signals, Extracting the primary modulated signals by continuously varying the frequencies of the signals of the different frequencies and combining the primary modulated signals to generate a first sideband spectrogram and generating a first sideband spectrogram from the first sideband spectrogram And determining whether or not the damage is caused even if the voltage level of the ultrasonic wave is very small, It can be determined, it is shown the description of the method for assessing the safety of a structure using a non-linear ultrasonic modulation technique that is configured to be capable of reducing the power consumption of the sensor bar.

또한, 상기한 바와 같은 부품이나 구조물의 피로 손상도를 계산하는 방법에 관한 종래기술의 다른 예로는, 예를 들면, 일본공개특허공보 JP 2014-44221호에 따르면, 내부에 형성된 공간에 부식 매체를 도입한 시험편의 표면에 반복적으로 하중을 부가하고, 하중을 부가한 후의 시험편의 내부 공간의 표면 및/또는 단면을 관찰하도록 구성됨으로써, 금형의 내냉공에 발생하는 부식 피로 손상을 시험편을 사용하여 간편하게 재현할 수 있도록 구성되는 부식 피로 손상의 평가방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다. According to another example of the prior art relating to a method for calculating the degree of fatigue damage of a component or a structure as described above, for example, in JP-A-2014-44221, a corrosion medium The load is repeatedly applied to the surface of the introduced test piece, and the surface and / or the cross-section of the inner space of the test piece after the load is added are observed. Thus, the corrosion fatigue damage occurring in the inner cooling hole of the mold can be easily And a method of evaluating the corrosion fatigue damage constituted so as to be reproducible.

아울러, 상기한 바와 같은 부품이나 구조물의 피로 손상도를 계산하는 방법에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 국제공개특허공보 WO 2013/160055호에 따르면, 롤링-요소 베어링의 롤링접촉에 의해 발산되는 고주파수 응력파 이벤트의 발생의 크기 및/또는 주파수를 측정하는 단계, 측정 데이터를 기록 데이터로서 기록하는 단계 및 기록 데이터 및 ISO(International Organization for Standardization) 롤링-요소 베어링 수명 모델을 이용해 상기 롤링-요소 베어링의 잔여 수명을 예측하는 단계를 포함하여, ISO 롤링-요소 베어링 수명 모델의 누적 피로 손상에 대한 값을 이용하는 대신에 베어링의 롤링 접촉에 의해 발산되는 고주파수 응력파의 크기 및/또는 횟수의 측정치로부터 누적 피로 손상을 결정하여 베어링의 잔여수명을 예측하도록 구성되는 베어링 모니터링 방법 및 시스템에 관한 기술내용이 제시된 바 있다. Another example of the prior art relating to a method for calculating the degree of fatigue damage of a component or a structure as described above is disclosed in, for example, International Publication No. WO 2013/160055, in which the rolling contact of a rolling- Measuring the magnitude and / or frequency of occurrence of a high frequency stress wave event which is divergent by the magnetic field, recording the measurement data as recording data, and recording data using the recording data and ISO (International Organization for Standardization) rolling-element bearing lifetime model Instead of using the value for the cumulative fatigue damage of the ISO rolling-element bearing lifetime model, including the step of predicting the remaining life of the rolling-element bearing, the size and / or frequency of the high frequency stress wave Which is configured to determine the cumulative fatigue damage from the measured values of the bearing life This technique has been suggested about the sintering method and system.

더욱이, 상기한 바와 같은 부품이나 구조물의 피로 손상도를 계산하는 방법에 관한 종래기술의 또 다른 예로는, 예를 들면, 한국 등록특허공보 제10-0305723호에 따르면, 발전 설비에 있어서, 운전중 응력집중 및 파손이 예상되는 부위의 기계설비에 변형률측정센서와 열전대를 취부하고, 열전대로부터 검출되어 입력되는 온도와 변형률측정센서로부터 검출되어 입력되는 응력-변형률을 연속적으로 측정하여, 신호변환장치를 통해 디지털화한 후 컴퓨터에서 소성에너지 및 변형률 분할을 통해 히스테리시스 루프를 해석하여 히스테리시스 루프로부터 크리프와 소셩변형량의 실시간 분률, 총 횟수를 이용하여 피로수명을 평가하는 단계; 루프의 내부면적인 소성변형에너지를 이용하여 피로수명을 평가하는 단계; 루프의 탄성변형과 소성변형이 합산된 총변형율을 이용하여 피로수명을 평가하는 단계; 루프로부터 분석된 응력과 온도를 크리프 파라메타와 크리프 수명 소비선도를 이용하여 크리프 수명을 평가하는 단계; 크리프-피로 상호작용지수를 계산하여 복합하중이 작용하는 기계설비의 수명을 실시간, 누적 처리하는 단계를 포함하여 구성됨으로써, 복잡한 하중을 받는 기계설비의 사용수명을 정확히 측정하여 설비의 안전운전을 도모하고 기계설비의 교체시기를 정확히 예측할 수 있도록 구성되는 변형률을 이용한 복합하중을 받는 기계설비의 자동 수명 평가방법에 관한 기술내용이 제시된 바 있다. Further, as another example of the prior art relating to the method for calculating the degree of fatigue damage of the above-described parts or structures, for example, in Korean Patent Registration No. 10-0305723, in a power generation facility, A strain measuring sensor and a thermocouple are attached to the machinery where stress concentration and breakage are expected, and the stress and strain, which are detected and inputted from the temperature and strain measuring sensors detected and input from the thermocouple, are continuously measured, And then evaluating the fatigue life of the hysteresis loop using the real time fraction and the total number of creep and small deformation amounts from the hysteresis loop by analyzing the hysteresis loop through the plasticizing energy and the strain fractionation in the computer. Evaluating fatigue life using plastic deformation energy which is an internal area of the loop; Evaluating the fatigue life using the total strain at which the elastic deformation and the plastic deformation of the loop are summed; Evaluating the stress and temperature analyzed from the loop using creep parameters and creep lifetime consumption diagrams; And the creep-fatigue interaction index is calculated so that the lifetime of the mechanical equipment in which the complex load acts is accumulated and processed in real time. Thus, the lifetime of the mechanical equipment subjected to a complex load is accurately measured to ensure safe operation of the equipment And a method for evaluating the automatic life span of a mechanical equipment subjected to a combined load using a strain that is configured to accurately predict a replacement time of the mechanical equipment.

상기한 바와 같이, 종래, 기계 부품이나 구조물의 피로 손상도를 계산하기 위한 여러 가지 기술내용들이 제시된 바 있으나, 상기한 바와 같은 종래기술의 방법들은 다음과 같은 문제점이 있는 것이었다. As described above, various techniques for calculating the degree of fatigue damage of a mechanical part or a structure have been proposed. However, the above-described conventional methods have the following problems.

더 상세하게는, 자동차 부품 등과 같은 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법에 있어서, 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정한 후 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak count) 방법 등을 이용하여 피로 손상도를 계산하는 종래기술의 시간 영역에서의 피로 손상도 계측방법은, 다른 방법들에 비해 가장 정확한 결과값을 얻을 수는 있으나, 불규칙한 랜덤신호가 가진원으로 작용하는 기계 시스템에 대하여는 시간 영역의 방대한 양의 데이터를 처리하기에 어려움이 있었다. More particularly, the present invention relates to a method of calculating fatigue damage in a frequency region for vibration testing of a mechanical system such as an automobile part, comprising the steps of measuring a strain by attaching a strain gauge, and then performing a zero-crossing peak count method The fatigue damage measurement method in the time domain in the prior art for calculating the fatigue damage degree using the above method can obtain the most accurate result value as compared with other methods. However, in the case of the mechanical system acting as a circle having an irregular random signal It has been difficult to process vast amounts of data in the time domain.

이에, 상기한 바와 같이 방대한 양의 데이터가 요구되는 시간 영역에서의 계산방법의 단점을 해소하기 위해, 종래, 변형률(응력) 데이터를 PSD 변환하여 주파수 영역에서 물리적인 손상도를 계산하는 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법이 제시되어 현재 많은 상용 프로그램들에 의해 제공되고 있으나, 이러한 종래기술의 주파수 영역 계산방법들은, 대상물이 조화(harmonic) 가진 상태인 경우에만 적용 가능하고, 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도는 계산할 수 없는 한계가 있는 것이었다. In order to solve the disadvantage of the calculation method in the time domain in which a large amount of data is required as described above, conventionally, in the frequency domain in which the strain (stress) data is PSD-converted and the physical damage degree is calculated in the frequency domain However, the frequency domain calculation methods of the prior art are applicable only when the object is in a harmonic excitation state, and in the frequency domain, the linear system The fatigue damage degree under the condition of sine-on-random (SOR) conditions showing different frequency spectra has a limit that can not be calculated.

따라서 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여는, 기존의 랜덤(random) 및 조화(harmonic) 가진 상태뿐만 아니라, 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에서 피로 손상도의 계산이 모두 가능하도록 구성됨으로써, 방대한 양의 데이터를 처리하기에 어려움이 있었던 종래기술의 시간영역에서의 피로 손상도 계산방법과, 조화 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법의 문제점을 모두 해결할 수 있도록 구성되는 새로운 구성의 피로 손상도 계산방법을 제시하는 것이 바람직하나, 아직까지 그러한 요구를 모두 만족시키는 장치나 방법은 제공되지 못하고 있는 실정이다.Therefore, in order to solve the problems of the related art as described above, there is a need for a method and a system for estimating fatigue damage (hereinafter referred to as " fatigue ") in a condition having a random and harmonic excitation state as well as a sine- The calculation method of the fatigue damage in the time domain of the prior art in which it is difficult to process a large amount of data and the method of calculating the fatigue damage in the frequency domain of the prior art It is desirable to suggest a new fatigue damage calculation method which is configured to solve all of the problems of the fatigue damage calculation method. However, a device or a method that satisfies all of such requirements has not yet been provided.

1. 한국 등록특허공보 제10-1414520호 (2014.06.26.)1. Korean Registered Patent No. 10-1414520 (June 26, 2014) 2. 일본공개특허공보 JP 2014-44221호 (2014.03.13.)2. JP-A-2014-44221 (Mar. 3. 국제공개특허공보 WO 2013/160055호 (2013.10.31.)3. International Patent Publication No. WO 2013/160055 (Oct. 31, 2013). 4. 한국 등록특허공보 제10-0305723호 (2001.08.01.)4. Korean Patent Registration No. 10-0305723 (Aug. 01, 2001)

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 따라서 본 발명의 목적은, 예를 들면, 자동차 부품 등과 같은 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법에 있어서, 시간 영역에서 피로 손상도를 계측하기 위해 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정한 후 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak count) 방법 등을 이용하여 피로 손상도를 계산하는 기존의 방법들은 정확하기는 하나 불규칙한 랜덤신호가 가진원으로 작용하는 기계 시스템에 대하여는 시간 영역의 방대한 양의 데이터를 처리하기에 어려움이 있고, 이러한 난점을 해소하기 위해 주파수 영역에서 계산하는 종래의 방법들은 조화(harmonic) 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 피로 손상도 계산방법들의 문제점을 해결하기 위해, 랜덤(random) 및 조화 가진 상태뿐만 아니라 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도를 모두 계산할 수 있도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 제공하고자 하는 것이다.  SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a method of calculating fatigue damage in a frequency domain for vibration testing of a mechanical system such as an automobile part, Existing methods of calculating fatigue damage by measuring the strain by attaching a strain gauge to measure fatigue damage in the time domain and then using a zero-crossing peak count method are accurate For a mechanical system acting as a circle with one irregular random signal, it is difficult to process vast amounts of data in the time domain. Conventional methods for calculating in the frequency domain to solve this difficulty are only for harmonic ones Solves the problem of the fatigue damage calculation methods of the prior art which had applicable limitations (Sine-on-random) conditions in which the linear system exhibits different frequency spectra in the frequency domain as well as the random and harmonic states, so that the fatigue damage degree can be calculated And a method of calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns.

또한, 본 발명의 다른 목적은, 상기한 바와 같이 랜덤, 조화 및 SOR 가진 상태에서의 피로 손상도를 모두 계산할 수 있도록 하기 위해, 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR 가진조건에서 가속도 데이터를 활용한 랜덤(random) 가진상태에서 피로 손상도를 계산하는 방법을 제시하고, 이를 기존의 조화(harmonic) 가진 상태에서의 피로도 계산방법과 연계하여, 궁극적으로 랜덤, 조화 및 SOR 가진상태에서 피로 손상도의 계산이 모두 가능하도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 제공하고자 하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a method and apparatus for calculating randomness, harmonics, and fatigue damage in the SOR state as described above, random, and fatigue damage calculations in the presence of harmonics and ultimate control of fatigue damage in random, harmonic, and SOR states. And to provide a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns configured to be capable of both.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 자동차 부품을 포함하는 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산시, 처리해야 하는 데이터의 양이 많아지는 단점이 있었던 종래기술의 시간 영역에서의 피로 손상도 계산방법과, 조화(harmonic) 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법의 문제점을 해결하기 위해, 랜덤(random) 및 조화 가진 뿐만 아니라 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도를 모두 계산할 수 있도록 구성되는 처리를 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 실행시키도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법에 있어서, 상기 처리는, 분석하고자 하는 진동환경에 대응하는 주파수 입력조건을 설정하는 입력조건 설정단계; 상기 입력조건 설정단계에서 설정된 주파수 입력조건에 따라 대상물에 진동을 인가하여 응답 데이터로서 가속도 데이터를 취득하는 데이터 수집단계; 및 상기 데이터 수집단계에서 얻어진 가속도 데이터에 근거하여, 가속도 기반의 유사 손상도(pseudo damage) 방법에 의해 상기 대상물의 피로 손상도를 계산하는 피로 손상도 계산단계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법이 제공된다. In order to achieve the above object, according to the present invention, there is a disadvantage that the amount of data to be processed increases when calculating fatigue damage in the frequency domain for vibration testing of a mechanical system including an automotive part In order to solve the problems of the fatigue damage calculation method in the time domain of the technique and the fatigue damage calculation method in the frequency domain of the prior art, which has limitations applicable only to harmonic excitations, In addition, it is also possible to execute a process on the computer or dedicated hardware to calculate the fatigue damage degree under the condition that the linear system in the frequency domain is exposed to the sine-on-random (SOR) A method of calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns On, the input condition setting step of setting a frequency input condition corresponding to the vibration of the process is to analyze; A data collecting step of applying vibration to an object according to a frequency input condition set in the input condition setting step and acquiring acceleration data as response data; And a fatigue damage degree calculating step of calculating a fatigue damage degree of the object by an acceleration based pseudo damage method based on the acceleration data obtained in the data collecting step There is provided a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency region capable of coping with a vibration spectrum pattern.

여기서, 상기 입력조건 설정단계는, 단일 주파수 입력조건, 랜덤 주파수 입력조건 및 두 가지 조건이 복합적으로 작용하는 SOR(단일 + 랜덤) 입력조건을 필요에 따라 선택적으로 설정하여, 각각의 입력조건에 따라 상기 대상물에 각각 서로 다른 다양한 진동 스펙트럼을 인가하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. Here, the input condition setting step sets a single frequency input condition, a random frequency input condition, and an SOR (single + random) input condition in which two conditions operate in combination according to need, And a process of applying various vibration spectrums different from each other to the object is performed.

또한, 상기 데이터 취득단계는, 상기 대상물에 가속도 측정장치를 부착하여, 상기 입력조건 설정단계에서 설정된 주파수 입력조건에 따라 인가되는 진동에 따른 상기 대상물의 가속도에 대한 데이터를 실시간으로 측정하여 수집하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The data acquisition step may include a step of attaching an acceleration measurement device to the object and measuring and collecting data on the acceleration of the object in real time in accordance with the vibration applied in accordance with the frequency input condition set in the input condition setting step Is performed.

아울러, 상기 피로 손상도 계산단계는, 상기 입력조건 설정단계에서 설정된 각각의 단일 주파수 입력조건, 랜덤 주파수 입력조건 및 SOR 입력조건에 따라 각각 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다.  The fatigue damage degree calculating step may be configured to calculate the fatigue damage degree according to each of the single frequency input condition, the random frequency input condition, and the SOR input condition set in the input condition setting step. do.

즉, 상기 피로 손상도 계산단계는, 상기 입력조건 설정단계에서 설정된 입력조건이 단일 주파수 입력조건인 경우, 이하의 수학식을 이용하여 상기 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. That is, in the fatigue damage degree calculation step, when the input condition set in the input condition setting step is a single frequency input condition, the process of calculating the fatigue damage degree is performed using the following equation do.

Figure 112017067151888-pat00001
Figure 112017067151888-pat00001

(여기서, N은 이산화된 주파수 영역의 성분들의 합의 숫자, ωi는 주파수, Ti는 총 가진시간, b 및 S0는 대상물의 S-N 선도 관련 기울기와 절점(intercept) 응력, ai는 가속도를 각각 나타냄) (Where, N is the agreement of the components of the discrete frequency domain, the number, ω i is the frequency, Ti is the time with the total, b, and S 0 is SN curve associated slope and the joints (intercept) the stress of the object, a i are each an acceleration )

또한, 상기 피로 손상도 계산단계는, 상기 입력조건 설정단계에서 설정된 입력조건이 랜덤 주파수 입력조건인 경우, 응력의 제곱평균제곱근 값을

Figure 112017067151888-pat00002
, 파고율을
Figure 112017067151888-pat00003
라 하고, 최대 크기의 기대값을 이하의 수학식으로 나타낼 때, Also, the fatigue damage degree calculation step may include calculating a root-mean-square value of the stress when the input condition set in the input condition setting step is a random frequency input condition
Figure 112017067151888-pat00002
, Crest factor
Figure 112017067151888-pat00003
And the expected value of the maximum size is expressed by the following equation,

Figure 112017067151888-pat00004
Figure 112017067151888-pat00004

Figure 112017067151888-pat00005
Figure 112017067151888-pat00005

이하의 수학식을 이용하여 상기 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. The process of calculating the fatigue damage degree is performed using the following equation.

Figure 112017067151888-pat00006
Figure 112017067151888-pat00006

아울러, 상기 피로 손상도 계산단계는, 상기 입력조건 설정단계에서 설정된 입력조건이 SOR 입력조건인 경우, 조화 가진과 랜덤 가진이 주파수

Figure 112017067151888-pat00007
에 대해 각각 Th,i, Tr,i 만큼 인가되는 것으로 할 때, 반복 횟수는 Nh,i, Nr,i (Nh,i < Nr,i)로 계산되고, Nh,i 횟수 동안 응력의 크기는 랜덤과 조화가진 크기가 중첩되며, 나머지 반복횟수 동안에는 랜덤 가진 크기만 영향을 주게 되는 것에 근거하여, 이하의 수학식을 이용하여 상기 주파수
Figure 112017067151888-pat00008
에서 상기 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 한다. In addition, the fatigue damage degree calculation step may include calculating the fatigue damage degree based on at least one of a harmonic excitation and a random excitation frequency when the input condition set in the input condition setting step is the SOR input condition.
Figure 112017067151888-pat00007
Each for T h, i, T r, when being i applied by, the number of iterations is N h, i, N r, i (N h, i <N r, i) is calculated to be, N h, i On the basis of the fact that the magnitude of the stress during the number of times is superimposed on the random and harmonic magnitudes and only the magnitude of the random magnitude influences the remaining number of iterations,
Figure 112017067151888-pat00008
And a process of calculating the fatigue damage degree is performed in the control unit.

Figure 112017067151888-pat00009
Figure 112017067151888-pat00009

더욱이, 상기 계산방법은, 상기 피로 손상도 계산단계에서 계산된 피로 손상도를 상기 시간 영역에서의 피로 손상도 계산방법 및 상기 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법을 포함하는 종래기술의 계산방법에 의해 구해진 피로 손상도와 비교하여 오차를 검증하는 검증단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. Further, the calculation method may further include calculating a fatigue damage degree calculated in the fatigue damage degree calculation step according to a method of calculating a fatigue damage degree in the time domain and a method of calculating fatigue damage degree in the frequency domain And a verification step of verifying the error in comparison with the fatigue damage obtained by the verification step.

또한, 본 발명에 따르면, 상기에 기재된 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 수행시키도록 구성되는 프로그램이 기록된 컴퓨터에서 판독 가능한 기록매체가 제공된다. According to the present invention, there is also provided a computer-readable recording medium on which is recorded a program configured to perform a method of calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns described above on a computer or dedicated hardware .

아울러, 본 발명에 따르면, 자동차 부품을 포함하는 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산시, 처리해야 하는 데이터의 양이 많아지는 단점이 있었던 종래기술의 시간 영역에서의 피로 손상도 계산방법과, 조화(harmonic) 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법의 문제점을 해결하기 위해, 랜덤(random) 및 조화 가진 뿐만 아니라 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도를 모두 계산할 수 있도록 구성되는 피로 손상도 계산시스템에 있어서, 분석하고자 하는 진동환경에 대응하는 주파수 입력조건을 설정하고 입력하기 위한 입력부; 상기 입력부를 통해 입력된 입력조건에 따라 대상물에 진동환경을 인가하고 상기 대상물로부터 측정된 응답데이터를 수집하는 진동시험부; 상기 진동시험부에 의해 수집된 상기 응답데이터에 근거하여 상기 대상물의 피로 손상도를 계산하기 위한 분석부; 및 상기 분석부에 의해 분석된 분석결과를 시각적으로 표시하기 위한 표시부를 포함하여 구성되고, 상기 분석부는, 상기에 기재된 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 수행하여 상기 대상물의 피로 손상도를 계산하고 분석하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 피로 손상도 계산시스템이 제공된다. In addition, according to the present invention, in calculating fatigue damage in the frequency domain for vibration testing of a mechanical system including an automotive part, there is a disadvantage that the amount of data to be processed increases, In order to solve the problem of the fatigue damage calculation method in the frequency domain of the prior art, which has limitations applicable only to harmonic excitation methods, a linear system in the frequency domain as well as a random and harmonic excitation A fatigue damage calculation system configured to calculate fatigue damage degree in a state exposed to a sine-on-random (SOR) condition having different frequency spectra, the system comprising: An input unit for setting and inputting a condition; A vibration testing unit for applying a vibration environment to an object according to an input condition input through the input unit and collecting response data measured from the object; An analysis unit for calculating a fatigue damage degree of the object based on the response data collected by the vibration testing unit; And a display unit for visually displaying an analysis result analyzed by the analyzing unit, wherein the analyzing unit performs a calculation method of a fatigue damage degree in a frequency region corresponding to the various vibration spectrum patterns described above, And calculating and analyzing the fatigue damage degree of the fatigue damage calculation system.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진조건에서 가속도 데이터를 활용한 랜덤(random) 가진상태에서 피로 손상도를 계산하는 방법을 제시하고, 이를 기존의 조화(harmonic) 가진 상태에서의 피로도 계산방법과 연계하도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법이 제공됨으로써, 자동차 부품 등과 같은 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법에 있어서, 시간 영역에서 피로 손상도를 계측하기 위해 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정한 후 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak count) 방법 등을 이용하여 피로 손상도를 계산하는 기존의 방법들은 정확하기는 하나 불규칙한 랜덤신호가 가진원으로 작용하는 기계 시스템에 대하여는 시간 영역의 방대한 양의 데이터를 처리하기에 어려움이 있고, 이러한 난점을 해소하기 위해 주파수 영역에서 계산하는 종래의 방법들은 조화 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 피로 손상도 계산방법들의 문제점을 해결할 수 있다. As described above, according to the present invention, a method of calculating a fatigue damage degree in a random excitation state using acceleration data under a sine-on-random (SOR) excitation condition showing different frequency spectra is presented, And a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns configured to be linked to a fatigue calculation method in a state of existing harmonic excitation, In the fatigue damage calculation method in the region, strain gauges are attached to measure the fatigue damage in the time domain, and then the fatigue damage is measured using a zero-crossing peak count method The existing methods for computing the error are accurate, but they act as a circle with an irregular random signal In the mechanical system, it is difficult to process vast amounts of data in the time domain. Conventional methods of calculating in the frequency domain to solve this difficulty have been limited by the prior art fatigue damage calculation method Can be solved.

또한, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 랜덤 및 조화 가진 상태뿐만 아니라 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도의 계산이 모두 가능하도록 구성됨으로써, 다양한 가진 상황에서 발생하는 응답 가속도와 응답 변형률 사이의 선형성이 보장되는 어떠한 선형 시스템에 대하여도 적용이 가능하며, 가진 상태에서 측정된 가속도 데이터만을 활용하여 랜덤, 조화 및 SOR 상태에서 모두 적용이 가능한 장점을 가지는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 제공할 수 있다. Also, according to the present invention, as described above, the fatigue damage degree in a state where the linear system is exposed to the sine-on-random (SOR) excitation condition in which the linear system exhibits different frequency spectra in the frequency domain as well as the random and harmonic excitation state By using the acceleration data measured in the excitation state, it is possible to apply randomly, harmonically, and / or logically to any linear system in which the linearity between the response acceleration and the response strain generated in various excitation situations is guaranteed. It is possible to provide a method of calculating a fatigue damage in a frequency region that can cope with various vibration spectrum patterns having an advantage that all of them can be applied in the SOR state.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 성능을 검증하기 위한 진동 시험에 사용된 노치가 있는 단순 시편의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 성능을 검증하기 위한 진동 시험을 실시하기 위해 실제 제작된 시편의 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 성능을 검증하기 위한 진동 시험에 적용된 진동 프로파일의 구체적인 내용을 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 5는 시간 영역의 계측 데이터를 활용하여 기존의 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak counting) 방법으로 변형률 및 가속도 데이터에 대한 구간별 반복횟수를 계산한 결과를 그래프로 나타내는 도면이다.
도 6은 변형률 기반 손상도 및 3가지 다른 기울기에 대한 가속도 기반의 손상도를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
도 7은 변형률 및 가속도 데이터를 활용하여 주파수 영역에서 계산된 피로 손상도를 표로 정리하여 나타낸 도면이다.
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a diagram schematically showing the overall configuration of a method of calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns according to an embodiment of the present invention; FIG.
2 is a view schematically showing the overall configuration of a notched simple specimen used in a vibration test for verifying the performance of a method of calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns according to an embodiment of the present invention .
3 is a view schematically showing a specimen actually manufactured to perform a vibration test for verifying the performance of a method of calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a table showing specific contents of a vibration profile applied to a vibration test for verifying the performance of a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency region that can cope with various vibration spectrum patterns according to an embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a result of calculating the number of repetitions of strain and acceleration data for each section by using a zero-crossing peak counting method using the measurement data in the time domain.
FIG. 6 is a table showing the degree of damage based on acceleration versus strain-based damage and three different slopes.
FIG. 7 is a table showing the fatigue damage calculated in the frequency domain using the strain and acceleration data.

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 구체적인 실시예에 대하여 설명한다. DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, a description will be given of a specific embodiment of a method of calculating fatigue damage in a frequency region that can cope with various vibration spectrum patterns according to the present invention.

여기서, 이하에 설명하는 내용은 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예일 뿐이며, 본 발명은 이하에 설명하는 실시예의 내용으로만 한정되는 것은 아니라는 사실에 유념해야 한다. Hereinafter, it is to be noted that the following description is only an embodiment for carrying out the present invention, and the present invention is not limited to the contents of the embodiments described below.

또한, 이하의 본 발명의 실시예에 대한 설명에 있어서, 종래기술의 내용과 동일 또는 유사하거나 당업자의 수준에서 용이하게 이해하고 실시할 수 있다고 판단되는 부분에 대하여는, 설명을 간략히 하기 위해 그 상세한 설명을 생략하였음에 유념해야 한다. In the following description of the embodiments of the present invention, parts that are the same as or similar to those of the prior art, or which can be easily understood and practiced by a person skilled in the art, It is important to bear in mind that we omit.

즉, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 예를 들면, 자동차 부품 등과 같은 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법에 있어서, 시간 영역에서 피로 손상도를 계측하기 위해 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정한 후 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak count) 방법 등을 이용하여 피로 손상도를 계산하는 기존의 방법들은 정확하기는 하나 불규칙한 랜덤신호가 가진원으로 작용하는 기계 시스템에 대하여는 시간 영역의 방대한 양의 데이터를 처리하기에 어려움이 있고, 이러한 난점을 해소하기 위해 주파수 영역에서 계산하는 종래의 방법들은 조화(harmonic) 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 피로 손상도 계산방법들의 문제점을 해결하기 위해, 랜덤(random) 및 조화 가진 상태뿐만 아니라 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도를 모두 계산할 수 있도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법에 관한 것이다. That is, the present invention relates to a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency domain for vibration testing of a mechanical system such as, for example, an automobile part, as described later. In order to measure the degree of fatigue damage in the time domain, The conventional methods of calculating the fatigue damage using the zero-crossing peak count method after measuring the strain by attaching the strain gauges are accurate, but in a mechanical system acting as a circle with an irregular random signal It is difficult to process a large amount of data in the time domain. Conventional methods of calculating in the frequency domain in order to solve such a difficulty include the conventional method of calculating the fatigue damage by the harmonic method In order to solve the problem of random and harmonic oscillations, Calculation of fatigue damage in the frequency domain that can cope with various vibration spectrum patterns that can be calculated to calculate the fatigue damage degree under the condition that the linear system is exposed to the sine-on-random (SOR) &Lt; / RTI &gt;

아울러, 본 발명은, 후술하는 바와 같이, 랜덤, 조화 및 SOR 가진 상태에서의 피로 손상도를 모두 계산할 수 있도록 하기 위해, 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR 가진조건에서 가속도 데이터를 활용한 랜덤(random) 가진상태에서 피로 손상도를 계산하는 방법을 제시하고, 이를 기존의 조화(harmonic) 가진 상태에서의 피로도 계산방법과 연계하여, 궁극적으로 랜덤, 조화 및 SOR 가진상태에서 피로 손상도의 계산이 모두 가능하도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법에 관한 것이다. In order to calculate the fatigue damage degree in the random, harmonic, and SOR states as described later, the present invention uses random data obtained by using the acceleration data under the SOR condition having different frequency spectra, In this paper, we propose a method to calculate fatigue damage in an excited state, and it is possible to calculate fatigue damage in random, harmonic and SOR states by connecting it with the existing method of calculating fatigue with harmonic excitation. To a method of calculating a fatigue damage in a frequency region that can cope with various vibration spectrum patterns constituted by a plurality of vibration spectrum patterns.

즉, 랜덤(random) 및 조화(harmonic) 가진이 동시에 인가되는 SOR(sine-on-random) 시험은, 진동시험 기간을 단축시킬뿐만 아니라 이동수단 기계 시스템의 실제 진동 환경과 유사하여 최근에는 국방 분야에 적용되고 있으며, 시험의 가혹도를 나타내거나 현재 가진 조건이 실제 어떤 작동조건을 상사할 수 있는지를 계산하기 위해 피로 손상도를 계산하는 것이 필요하다. That is, the sine-on-random (SOR) test, in which random and harmonic excitations are applied at the same time, not only shortens the vibration test period, but is also similar to the actual vibration environment of the moving machine system, And it is necessary to calculate the fatigue damage degree in order to calculate the degree of severity of the test or to calculate what operating conditions the actual conditions have in practice.

그러나 기존의 랜덤 또는 조화 가진의 경우에는 해당 조건에 적합한 주파수 영역의 피로 손상도 계산 방법이 개발되어 있으나, SOR 조건에서는 기존의 방법들을 적용하기에 적합하지 않아 새로운 주파수 영역의 피로 손상도 계산 방법이 필요한 실정이다. However, in the case of the existing random or harmonic excitation, the frequency domain fatigue damage calculation method suitable for the corresponding conditions has been developed. However, since the SOR condition is not suitable for the conventional methods, a new frequency domain fatigue damage calculation method It is necessary.

이에, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는, 가속도 데이터를 활용하여, 주파수 영역에서 선형 시스템이 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 경우의 피로 손상도를 계산하기 위해 우선 랜덤(random) 가진 상태에서 계산 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 방법과 관련된 수식을 제안하고, 이와 동시에 기존에 알려져 있는 조화 가진 상태에서의 피로 손상도 방법과 연계하여 SOR 상태에서 계산 가능한 피로 손상도 계산 방법을 제시하였으며, 또한, 신뢰성을 확인하기 위해 노치가 있는 간단한 시편을 활용하여 진동 시험을 수행하고, 스트레인게이지를 통해 시간 영역에서 계산한 기존의 전통적인 방법과 비교하여 가속도 데이터를 활용하여 주파수 영역에서 예측한 피로 손상도가 충분히 신뢰성이 있음을 나타내었다. Therefore, in the embodiment of the present invention described below, in order to calculate the fatigue damage degree when the linear system is exposed to the sine-on-random (SOR) condition in the frequency domain using the acceleration data, In this paper, we propose a new fatigue damage method which can be computed in a frequency domain with a random state, and at the same time, a fatigue damage calculation method which can be calculated in the SOR state in conjunction with the previously known fatigue damage method In order to confirm the reliability, vibration test is carried out using simple notched specimen and compared with the conventional method calculated in the time domain through strain gauge, Fatigue damage degree is sufficiently reliable.

더 상세하게는, 이하에 설명하는 본 발명의 실시예에서는, 진동시험 환경에서 진동 시험 가속도 데이터 기반의 피로 손상도가 변형률 기반의 피로 손상도 대비 어느 정도의 신뢰성을 보이는지를 비교 평가하였으며, 이를 위해, 노치가 있는 간단한 선형 시편을 활용하여 한쪽 방향의 가진 시험을 수행하여, 가진 프로파일 스펙트럼 패턴은 랜덤, 조화함수 및 SOR의 3가지로 선정하고, 진동 시편에 가속도 센서 및 스트레인게이지를 부착하여 데이터를 실시간으로 계측하였으며, 계측된 응답 데이터를 활용하여 피로 손상도를 계산하였다. More specifically, the embodiment of the present invention described below compares and evaluates to what extent the fatigue damage degree based on the vibration test acceleration data shows a certain degree of reliability as compared with the strain-based fatigue damage degree in the vibration test environment. , One-way excitation test was performed using a simple linear specimen with a notch. The excitation profile spectral pattern was selected as random, harmonic function and SOR, and an acceleration sensor and a strain gauge were attached to the vibration specimen. The measured fatigue damage was calculated by using the measured response data.

또한, 시편의 취약 부위에서 계측된 변형률 데이터를 활용하여 시간 영역에서 손상도를 계산한 후 가속도 기반의 피로 손상도와 비교 평가하였으며, 본 발명의 실시예에 있어서, 진동 시험에 기인한 피로 손상도의 경우 평균값이 0인 반복하중(R = -1)에 의해 변형률의 크기가 작고 높은 주파수 값을 나타냄으로 인해 재료의 취약 부위에서 탄성영역에서 피로 누적에 의해 균열이 발생되므로, 피로 손상도의 계산 방법은 Minor 법칙에 의해 응력 기반의 S-N 선도로부터 계산하는 방식으로 한정하였다. In addition, the degree of damage was calculated in the time domain using the strain data measured at the weak portion of the specimen, and then compared with the fatigue damage based on the acceleration. In the embodiment of the present invention, the fatigue damage degree (R = -1), the cracks are generated by the accumulation of fatigue in the elastic region in the weak region of the material due to the small strain amount and high frequency value. Therefore, the calculation method of the fatigue damage degree Is limited to the method of calculating from the stress-based SN diagram by the Minor's law.

따라서 본 발명은, 다양한 가진 상황에서 발생하는 응답 가속도와 응답 변형률 사이의 선형성이 보장되는 어떠한 선형 시스템에 대하여도 적용이 가능하며, 가진 상태에서 측정된 가속도 데이터만을 활용하여 랜덤, 조화 및 SOR 상태에서 모두 적용이 가능한 장점을 가지는 것이다. Therefore, the present invention can be applied to any linear system that guarantees linearity between response acceleration and response strain occurring in various excitation situations, and it can be applied in random, harmonic and SOR states using only acceleration data measured in the excited state All of which can be applied.

계속해서, 도면을 참조하여, 상기한 바와 같이 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 구체적인 내용에 대하여 설명한다. Next, with reference to the drawings, the details of the fatigue damage degree calculation method in the frequency domain that can be applied to various vibration spectrum patterns according to the embodiment of the present invention constructed as described above will be described.

여기서, 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 구체적인 내용에 대하여 설명하기 전에, 시간 영역과 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. Hereinafter, a method of calculating the fatigue damage degree in the time domain and the frequency domain will be described before explaining the specific contents of the frequency domain fatigue damage degree calculation method capable of coping with various vibration spectrum patterns according to the embodiment of the present invention. Respectively.

먼저, 시간 영역에서의 피로 손상도 계산방법에서 응력 기반의 물리적 손상도를 계산하는 방법에 대하여 설명하면, 이는, 시간 영역의 계측 데이터로부터 전통적인 카운트 방법으로 피로 손상도를 계산하는 방법으로, S-N 선도로부터 Minor 법칙을 활용하는 것이다. First, a method for calculating the stress-based physical damage degree in the time domain fatigue damage calculation method will be described. This is a method for calculating the fatigue damage degree from the measurement data in the time domain using a conventional counting method. To use Minor's law.

더 상세하게는, 진동 환경에서 계측된 응답 데이터의 경우 평균 응력이 존재하지 않고 응력값이 재료의 탄성 영역을 벗어나지 않기 때문에 광범위하게 활용되는 rain-flow 방법 이외에 다양한 방법을 통해서도 동일한 결과를 도출할 수 있으며, 이에, 본 발명에서는, 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak counting) 방법을 활용하여 응력 구간별 응력 반복 횟수를 계산하였다. More specifically, in the case of response data measured in a vibration environment, since there is no average stress and the stress value does not deviate from the elastic region of the material, the same result can be obtained by various methods other than the widely used rain- In the present invention, the number of stress repetitions is calculated for each stress section using a zero-crossing peak counting method.

즉, 만약, 분류된 i번째 크기의 응력이 si이고, 카운트된 횟수가 Ni라고 가정하면, Minor 법칙에 의해 대상 시편은 이하의 [수학식 1]에 의해 피로 손상도가 계산될 수 있다. That is, if the sorted i-th stress is s i and the counted number is N i , the fatigue damage can be calculated by the following equation (1) by the Minor's law .

[수학식 1] [Equation 1]

Figure 112017067151888-pat00010
Figure 112017067151888-pat00010

여기서, 상기한 [수학식 1]에 있어서, Nsi는 해당 재료가 크기 si 변형률에 의해 균열이 발생할 때까지 견딜 수 있는 한계 가진 횟수이며, 분류된 모든 응력 크기에 대해 동일하게 카운트 횟수들을 계산하고 중첩시키면 이하의 [수학식 2]와 같이 피로 손상도가 도출된다. In Equation (1), N si is the limit excitation frequency that can be tolerated until the material undergoes cracking due to the magnitude s i strain, and the number of counts is calculated for all the classified stress magnitudes The fatigue damage degree is derived as shown in the following equation (2).

[수학식 2] &Quot; (2) &quot;

Figure 112017067151888-pat00011
Figure 112017067151888-pat00011

다음으로, 가속도 기반의 유사 손상도 계산방법에 대하여 설명하면, 시간 영역에서 피로 손상도를 계산하는 방법 중 변형률(응력) 기반의 물리적인 손상도 이외에 다른 물리량의 데이터를 활용한 유사 손상도(pseudo damage) 방법이 있으며, 특히, 진동 시험의 경우, 시험 프로파일, 응답 데이터 등에서 가속도만을 계측하는 것이 일반적이므로, 해당 물리량을 활용하여 시험간의 가혹도를 상대 비교하기에 적당한 유사 손상도 방법을 적용할 수 있고, 예를 들면, 자동차 부품의 시험 방법으로 ISO-16750-3 등에서 세부적인 내용이 제시된 바 있다. Next, a description will be given of a method for calculating the similar-damage based on the acceleration. The method of calculating the fatigue damage in the time domain includes pseudo-damage using data of other physical quantities other than strain (stress) In particular, in the vibration test, it is common to measure only the acceleration in the test profile, response data, etc. Therefore, it is possible to apply the similar damage method suitable for relative comparison of severity between tests by using the physical quantity For example, details of ISO-16750-3 have been provided as test methods for automotive parts.

더 상세하게는, 응력의 경우와 마찬가지로, 손상도 계산방법은 제로 카운팅 피크 홀드(zero-crossing peak hold)를 활용하였으며, S-N 선도와 유사하게 가속도 크기와 반복횟수로 구성된 가상의 A-N 선도를 도입하였다. More specifically, as in the case of stress, the damage calculation method utilizes a zero-crossing peak hold and introduces a virtual AN diagram composed of an acceleration magnitude and a repetition frequency similar to the SN curve .

즉, 만약, 분류된 i번째 크기의 가속도가 ai이고 카운트된 횟수가 라고 가정하면, 이하의 [수학식 3]을 이용하여 손상도를 도출할 수 있다. That is, if it is assumed that the acceleration of the sorted i-th magnitude is a i and the counted number of times, the degree of damage can be derived using the following equation (3).

[수학식 3] &Quot; (3) &quot;

Figure 112017067151888-pat00012
Figure 112017067151888-pat00012

여기서, 상기한 [수학식 3]에 있어서, Nai는 ai 가속도에 의해 파손이 발생할 것우로 가정한 한계 가진 횟수이다. In Equation (3), N ai is the number of limit excursions assuming that breakage will occur due to ai acceleration.

또한, 이를 확장하여 분류된 모든 가속도 크기에 대해 동일하게 카운트 횟수들을 계산하고 중첩시키면 이하의 [수학식 4]와 같이 유사 손상도 값이 도출된다. In addition, by expanding and counting the number of counts for all the classified acceleration magnitudes and superimposing them, the similar damage value is derived as in Equation (4) below.

[수학식 4] &Quot; (4) &quot;

Figure 112017067151888-pat00013
Figure 112017067151888-pat00013

여기서, 해당 유사 손상도는 시험 대상의 물리적 피로 손상도와 연관성이 없으며, 다만 2개 이상의 시험 결과들의 가속도를 상대적으로 평가하는 관점에서만 유효하다. Here, the pseudo impairment degree is not related to the physical fatigue damage of the test subject, but is only valid from the viewpoint of relatively evaluating the acceleration of two or more test results.

계속해서, 주파수 영역에서의 피로 손상도 분석방법에 대하여 설명한다. Next, the fatigue damage degree analysis method in the frequency domain will be described.

먼저, 단일 주파수 입력 조건에 대하여 설명하면, 본 발명에서는 응답 가속도와 변형률 사이의 관계를 사전에 획득한 후 실제 가진 환경에서 측정된 가속도 데이터만을 활용하여 피로 손상도를 분석하는 방법을 활용하였으며, 이러한 분석 방법을 적용하기 위해서는 가속도와 변형률 사이의 주파수 응답 조건이 포함된 에너지 등고선이 도입되어야 한다. First, in the present invention, a method of analyzing the fatigue damage degree by utilizing only the acceleration data measured in the actual vibration environment after acquiring the relationship between the response acceleration and the strain rate in advance is utilized. To apply the analytical method, an energy contour containing the frequency response condition between acceleration and strain should be introduced.

여기서, 상기한 방법을 적용하기 위해, 본 발명에서는, 단일 입력 스펙트럼 조건에서 대상 시편의 임의 절점에서 획득한 가속도가 이하의 [수학식 5]와 같이 주어지고, 해당 가속도와 취약 부위의 응력 간의 관계가 이하의 [수학식 6]으로 주어지는 선형 가정이 적용되었다. Here, in order to apply the above method, in the present invention, the acceleration obtained at an arbitrary node of the target specimen under the single input spectrum condition is given by Equation (5) below, and the relationship between the acceleration and the stress The linear assumption given by the following equation (6) is applied.

[수학식 5] &Quot; (5) &quot;

Figure 112017067151888-pat00014
Figure 112017067151888-pat00014

[수학식 6] &Quot; (6) &quot;

Figure 112017067151888-pat00015
Figure 112017067151888-pat00015

여기서,

Figure 112017067151888-pat00016
Figure 112017067151888-pat00017
는 각각 진폭 및 주파수를 나타내고,
Figure 112017067151888-pat00018
는 시간 지연이며,
Figure 112017067151888-pat00019
는 해당 응력의 크기 값을 나타낸다. here,
Figure 112017067151888-pat00016
Wow
Figure 112017067151888-pat00017
Respectively represent amplitude and frequency,
Figure 112017067151888-pat00018
Is a time delay,
Figure 112017067151888-pat00019
Represents the magnitude value of the stress.

또한, 응력(

Figure 112017067151888-pat00020
)은, Miner 법칙에 의해 대상 재료의 S-N 선도 관련 기울기와 절점(intercept) 응력이 각각 b와 S0라고 가정하면 이하의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다. Also, stress (
Figure 112017067151888-pat00020
) Can be expressed by the following Equation (7), assuming that the SN curve related slope and the intercept stress of the material of interest are b and S 0 , respectively, according to the Miner's law.

[수학식 7] &Quot; (7) &quot;

Figure 112017067151888-pat00021
Figure 112017067151888-pat00021

여기서, Ti는 [수학식 1]의 가속도가 시스템에 인가된 총 가진 시간을 나타낸다. Here, Ti represents the total excitation time in which the acceleration of (1) is applied to the system.

아울러, 진동 에너지는, 주파수 영역에서 에너지 값을 표현하는 PSD 함수를 활용하여, 상기한 [수학식 5]의 가속도를 이하의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다. In addition, the vibration energy can be represented by the following equation (8) using the PSD function expressing the energy value in the frequency domain.

[수학식 8] &Quot; (8) &quot;

Figure 112017067151888-pat00022
Figure 112017067151888-pat00022

상기한 [수학식 7]의 피로 손상도와 상기한 [수학식 8]의 진동 에너지는 에너지 등고선을 활용하여 단일 입력 스펙트럼 조건에서 이하의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있으며, 그 세부적인 수식은 이하의 [수학식 10]과 같다. The fatigue damage of Equation (7) and the vibration energy of Equation (8) can be expressed as Equation (9) below under a single input spectrum condition using an energy contour. The detailed equations (10). &Quot; (10) &quot;

[수학식 9] &Quot; (9) &quot;

Figure 112017067151888-pat00023
Figure 112017067151888-pat00023

[수학식 10] &Quot; (10) &quot;

Figure 112017067151888-pat00024
Figure 112017067151888-pat00024

여기서, [수학식 10]의 에너지 등고선은 [수학식 5]의 입력 크기를 정규화시킨 다음 응력에 의한 피로 손상도를 계산한 값이다. Here, the energy contour line of Equation (10) is a value obtained by normalizing the input size of Equation (5) and then calculating fatigue damage due to stress.

또한, 상기한 관계식은 단일 스펙트럼에 대하여 나타낸 표현으로, 대상 시스템이 선형이라는 가정 아래 가진기로부터 구현 가능한 모든 주파수 대역으로 중첩이 가능하다. In addition, the above relational expression is a representation for a single spectrum, which can be superimposed on all feasible frequency bands from a machine under the assumption that the target system is linear.

따라서 모든 주파수 대역에 대해 확장된 피로 손상도는 이하의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다. Therefore, the extended fatigue damage degree for all the frequency bands can be expressed by the following Equation (11).

[수학식 11] &Quot; (11) &quot;

Figure 112017067151888-pat00025
Figure 112017067151888-pat00025

여기서, N은 이산화된 주파수 영역의 성분들의 합의 숫자이다. Where N is the number of the sum of the components in the discretized frequency domain.

다음으로, 랜덤 주파수 입력 조건에 대하여 설명하면, 랜덤 주파수 성분이 입력 가진원으로 작용하는 기계 시스템에 대한 대표적인 피로 손상도 계산 방법에는 응력의 변형률(응력) PSD 선도를 활용한 확률 기반의 계산 방법이 있으며, 이는 가진 시간이 매우 불규칙한 환경에서 확률적으로 피로 손상도를 분석하는 기법이 필요한 대상에 주로 사용되고 있다. Next, the random frequency input condition will be described. A typical method of calculating the fatigue damage degree for a mechanical system in which a random frequency component acts as an input source circle is a probability-based calculation method that utilizes a strain (stress) PSD diagram of stress This is mainly used for objects requiring a technique for analyzing fatigue damage probability probabilistically in a very irregular time.

이에, 본 발명에서는, 에너지 등고선 기법을 활용하여 상기한 [수학식 11]의 손상도 계산식을 랜덤 주파수로 확장하는 방법을 제안하였다. Accordingly, the present invention proposes a method of expanding the damage calculation formula of Equation (11) to a random frequency using the energy contour technique.

즉, 단일 입력 주파수 성분 조건([수학식 7] 참조)에서

Figure 112017067151888-pat00026
주파수에 해당된 반복횟수는 이하의 [수학식 12]와 같다. That is, in the single input frequency component condition (see [Equation 7]),
Figure 112017067151888-pat00026
The number of iterations corresponding to the frequency is expressed by Equation (12) below.

[수학식 12] &Quot; (12) &quot;

Figure 112017067151888-pat00027
Figure 112017067151888-pat00027

여기서, 랜덤 주파수 입력조건은 모든 주파수 성분이 동시에 존재하는 가정이 성립하므로,

Figure 112017067151888-pat00028
주파수와 관련된 성분은 해당 주파수 및
Figure 112017067151888-pat00029
보다 높은 주파수 성분들의 중첩에 의해 결정되며, 최대 크기 조건은 모든 조화 성분들이 모두 최대 크기를 가질 조건이 된다. Here, since the random frequency input condition is an assumption that all the frequency components exist at the same time,
Figure 112017067151888-pat00028
The components associated with the frequency are
Figure 112017067151888-pat00029
Is determined by superposition of higher frequency components, and the maximum size condition is a condition that all harmonics all have the maximum size.

따라서

Figure 112017067151888-pat00030
주파수와 관련된 최대 크기는 이하의 [수학식 13]과 같이 나타낼 수 있다. therefore
Figure 112017067151888-pat00030
The maximum size related to the frequency can be expressed by the following equation (13).

[수학식 13] &Quot; (13) &quot;

Figure 112017067151888-pat00031
Figure 112017067151888-pat00031

그러나 실제적으로 응답 형태로 나타나는 랜덤 신호의 크기는 이보다 작으며, 파고율(crest factor) 값에 따라 최대 피크 성분이 발생할 확률이 정해지고, 랜덤 신호의 제곱평균제곱근(root mean square, RMS) 값은 일정한 값을 가진다. However, in practice, the size of the random signal is less than the response type, the probability of occurrence of the maximum peak component is determined according to the crest factor value, and the root mean square (RMS) value of the random signal is constant Value.

응답 응력의 제곱평균제곱근 값이

Figure 112017067151888-pat00032
이고, 파고율이
Figure 112017067151888-pat00033
라고 가정하면, 최대 크기의 기대값은 이하의 [수학식 14] 및 [수학식 15]와 같이 나타낼 수 있다. The square root mean square value of the response stress
Figure 112017067151888-pat00032
, And the crest factor
Figure 112017067151888-pat00033
, The expected value of the maximum size can be expressed by the following equations (14) and (15).

[수학식 14] &Quot; (14) &quot;

Figure 112017067151888-pat00034
Figure 112017067151888-pat00034

[수학식 15] &Quot; (15) &quot;

Figure 112017067151888-pat00035
Figure 112017067151888-pat00035

이와 같은 조건에서 주파수에 따른 피로 손상도는 이하의 [수학식 16]으로 나타낼 수 있다. Under such conditions, the degree of fatigue damage according to the frequency can be expressed by the following equation (16).

[수학식 16] &Quot; (16) &quot;

Figure 112017067151888-pat00036
Figure 112017067151888-pat00036

여기서, N은 이산화된 주파수 영역의 성분들의 합의 숫자이다. Where N is the number of the sum of the components in the discretized frequency domain.

계속해서, SOR(단일+랜덤) 주파수 입력조건에 대하여 설명하면, 2개의 주파수 성분이 복합적으로 작용하는 입력조건에 대한 피로 손상도를 계산하기 위해, 본 발명에서는, 각각의 입력조건에 대한 손상도 방법에 해당하는 [수학식 11]과 [수학식 15]를 활용하였다. Next, in order to calculate the fatigue damage degree for the input condition in which the two frequency components operate in a complex manner, in the present invention, the damage degree for each input condition (11) and (15), which correspond to the method described above.

즉, 상기한 바와 같이 하여 도출된 피로 손상도 방법들은, 입력 패턴이 다른 조건이지만 동일하게 주파수별로 손상도를 계산한 다음 중첩하는 형태로 도출되었으므로, SOR 상태에 대해서도 계산이 가능하다. That is, the fatigue damage methods derived as described above can be calculated for the SOR state because the input patterns are different, but the damage degrees are also calculated in the same frequency and then superimposed.

만약, 조화 가진과 랜덤 가진이 주파수

Figure 112017067151888-pat00037
에 대해 각각 Th,i, Tr,i 만큼 인가된다고 가정하면, 상기한 [수학식 12]로부터 반복 횟수가 Nh,i, Nr,i (Nh,i < Nr,i)로 계산된다. If the harmonic oscillator and the random oscillator have frequencies
Figure 112017067151888-pat00037
Each T h, i, assuming that the applying as T r, i for, in the above-described [Equation 12] repeated from the number of times N h, i, N r, i (N h, i <N r, i) .

여기서, 랜덤 가진의 가진 주파수가 일반적으로 많은 이유는 전체 가진시간 동안 발생될 수 있는 가진 확률이 높기 때문이다. Here, the frequency of the excitation frequency of the random excitation is generally large because the excitation probability that can be generated during the entire excitation time is high.

Nh,i 횟수 동안에 응력의 크기는 랜덤과 조화가진 크기가 중첩되며, 나머지 반복횟수 동안에는 랜덤 가진 크기만 영향을 주게 된다. During the N h, i times, the magnitude of the stress is superimposed on the random and harmonic magnitudes, and only the magnitude of the random magnitude influences the other iterations.

따라서 해당 주파수

Figure 112017067151888-pat00038
에서 계산되는 피로 손상도는 이하의 [수학식 17]과 같이 나타낼 수 있다. Therefore,
Figure 112017067151888-pat00038
The fatigue damage degree calculated in Equation (17) can be expressed by Equation (17) below.

[수학식 17] &Quot; (17) &quot;

Figure 112017067151888-pat00039
Figure 112017067151888-pat00039

따라서 상기한 바와 같은 내용으로부터, 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 구현할 수 있다. Therefore, it is possible to implement a method of calculating fatigue damage in the frequency domain that can cope with various vibration spectrum patterns according to the embodiment of the present invention.

즉, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. That is, referring to FIG. 1, FIG. 1 is a diagram schematically showing a general configuration of a method of calculating a fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns according to an embodiment of the present invention.

도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법은, 크게 나누어, 분석하고자 하는 진동환경에 대응하는 주파수 입력조건을 설정하는 단계(S10)와, 상기 단계에서 설정된 주파수 입력조건에 따라 대상물에 진동을 인가하여 응답 데이터로서 가속도 데이터를 취득하는 단계(S20)와, 상기 단계에서 얻어진 가속도 데이터에 근거하여, 가속도 기반의 유사 손상도(pseudo damage) 방법에 의해 상기 대상물의 피로 손상도를 계산하는 단계(S30)를 포함하여 구성될 수 있다.  As shown in FIG. 1, a method of calculating fatigue damage in a frequency region that can cope with various vibration spectrum patterns according to an embodiment of the present invention includes a step of setting a frequency input condition corresponding to a vibration environment to be analyzed (S20) of acquiring acceleration data as response data by applying vibration to an object according to a frequency input condition set in the step (S20); and calculating a similar impairment degree based on the acceleration based on the acceleration data obtained in the step and calculating a fatigue damage degree of the object by a pseudo damage method (S30).

여기서, 상기한 주파수 입력조건을 설정하는 단계(S10)는, 필요에 따라 단일 주파수 입력조건, 랜덤 주파수 입력조건 및 상기한 두 가지 조건이 복합적으로 작용하는 SOR(단일 + 랜덤) 입력조건을 선택적으로 설정하여, 각각의 입력조건에 따라 대상물에 각각 서로 다른 다양한 진동 스펙트럼을 인가하도록 구성될 수 있다. Here, the step (S10) of setting the frequency input condition may include selectively setting a single frequency input condition, a random frequency input condition, and an SOR (single + random) input condition in which the two conditions operate in combination And to apply various vibration spectrums different from one another to the object according to the respective input conditions.

또한, 가속도 데이터를 취득하는 단계(S20)는, 대상물에 가속도 측정장치를 부착하여 상기 단계에서 설정된 주파수 입력조건에 따라 인가되는 진동에 따른 대상물의 가속도를 실시간으로 측정하여 수집하도록 구성될 수 있다. The step of acquiring acceleration data (S20) may be configured such that an acceleration measuring device is attached to an object, and the acceleration of the object according to the vibration applied according to the frequency input condition set in the step is measured and collected in real time.

아울러, 상기한 피로 손상도를 계산하는 단계(S30)는, 상기한 [수학식 1] 내지 [수학식 17]을 참조하여 상기에 설명한 바와 같이 하여, 단일 주파수 입력조건, 랜덤 주파수 입력조건 및 SOR 입력조건에 따라 각각 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성될 수 있다. In addition, the step S30 of calculating the fatigue damage degree described above may be performed by using the single frequency input condition, the random frequency input condition, and the SOR (S21), as described above with reference to the above- And a process of calculating the fatigue damage degree according to the input condition, respectively, can be performed.

즉, 상기한 피로 손상도를 계산하는 단계(S30)는, 단일 주파수 입력조건인 경우 [수학식 11]을 이용하여 피로 손상도를 계산하고, 랜덤 주파수 입력조건인 경우는 [수학식 16]을 이용하여 피로 손상도를 계산하며, SOR 입력조건인 경우는 [수학식 17]을 이용하여 피로 손상도를 각각 계산하도록 구성될 수 있다. That is, the step (S30) of calculating the fatigue damage degree calculates the fatigue damage degree using Equation (11) for a single frequency input condition, and calculates the fatigue damage degree using Equation (16) And the fatigue damage degree may be calculated using Equation (17) for the SOR input condition, respectively.

더욱이, 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법은, 상기한 바와 같이 하여 계산된 피로 손상도를, 예를 들면, 시간 영역에서의 분석방법 등과 같이, 기존의 방법에 의해 구해진 피로 손상도와 비교하여 오차를 검증하는 검증단계를 더 포함하여 구성될 수 있다. Furthermore, the fatigue damage degree calculation method in the frequency domain that can cope with various vibration spectrum patterns according to the embodiment of the present invention can be applied to a method of calculating the fatigue damage degree calculated as described above, for example, And a verification step of verifying the error in comparison with the fatigue damage obtained by the existing method.

따라서 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 컴퓨터나 전용의 하드웨어에 의해 실행시킴으로써, 가진 상태에서 측정된 가속도 데이터만을 활용하여 랜덤 및 조화 가진 상태뿐만 아니라 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도의 계산이 모두 가능해진다. Therefore, according to the present invention, a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns according to an embodiment of the present invention constructed as described above is executed by a computer or dedicated hardware, (Sine-on-random) conditions in which the linear system exhibits different frequency spectra in the frequency domain as well as the random and harmonic states using both the acceleration data .

계속해서, 상기한 바와 같이 하여 구성되는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 성능을 검증하기 위해, 단순 시편을 활용한 진동 시험을 실시하여 기존의 방법들과 비교한 결과에 대하여 설명한다. Subsequently, in order to verify the performance of the frequency domain fatigue damage calculation method capable of coping with various vibration spectrum patterns according to the embodiment of the present invention as described above, a vibration test using a simple specimen was carried out, The results of comparison with the methods of Fig.

즉, 본 발명자들은, 진동 시험 과정에서 측정된 응답 데이터를 바탕으로 서로 다른 피로 손상도를 비교 평가하기 위해 단축 가진 환경을 구축하고 노치가 있는 단순 시편을 준비하였으며, 이때, 시험 환경 및 분석에 사용된 센서들은 기존의 연구 내용과 동일하게 구성하였다. In other words, the present inventors constructed a uniaxial environment for comparing and evaluating different fatigue damage based on the response data measured in the vibration test process, and prepared a simple specimen having a notch. At this time, The sensors were constructed in the same way as the previous studies.

더 상세하게는, 도 2 및 도 3을 참조하면, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 성능을 검증하기 위한 진동 시험에 사용된 노치가 있는 단순 시편의 전체적인 구성을 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 3은 실제 제작된 시편의 모습을 개략적으로 나타내는 도면이다. 2 and 3, FIG. 2 is a block diagram of a vibration test method for verifying the performance of a method for calculating a fatigue damage degree in a frequency region that can cope with various vibration spectrum patterns according to an embodiment of the present invention FIG. 3 is a view schematically showing the overall configuration of a simple specimen having a notch, and FIG. 3 is a view schematically showing a state of a specimen actually produced.

도 2에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 실시예에 있어서, 노치가 있는 단순 시편은 S45C를 사용하였으며, 이에 따른 S-N 선도의 물리량은 기울기 -0.0806, 응력 절편 664.5MPa이었고, 시편의 형상은 가진기의 최대 주파수 대역(MODAL 110 Exciter/MB dynamics)인 5,000Hz 내에 최소 1개 이상의 공진점을 보유할 수 있도록 설계하였다. As shown in Fig. 2, in the embodiment of the present invention, a simple specimen with a notch was S45C, and the physical quantity of the SN diagram thus obtained was -0.0806 in slope and 664.5 MPa in stress section, It is designed to have at least one resonance point within 5,000Hz which is the maximum frequency band (MODAL 110 Exciter / MB dynamics).

또한, 상기한 바와 같이 구성되는 단순 시편을 이용하여 별도의 모달 시험(Test.Lab/LMS)을 통해 시편의 동적 특성을 확인해 본 결과, 1차 공진점은 1162.7Hz, 감쇠 값이 0.55%이므로 최대 가진 주파수 범위 내에 시편의 공진이 포함되어 있음을 알 수 있었다. In addition, the dynamic characteristics of the specimen were checked through a separate modal test (Test.Lab / LMS) using the simple specimen as described above. As a result, the first resonance point was 1162.7 Hz and the attenuation value was 0.55% It was found that the resonance of the specimen was included within the frequency range.

아울러, 상기한 바와 같이, 진동 과정에서 발생된 시편의 피로 손상도를 계산하기 위해서는 응답 가속도 및 변형률(응력) 신호가 필요하므로, 도 3에 나타낸 바와 같이, 시편의 한쪽 면에 가속도 센서(1A)를 부착하였으며, 다른 면의 노치 중앙에 스트레인 게이지(1S)를 부착하여 변형률 값을 계측하였다. As described above, since the acceleration acceleration and strain (stress) signals are required to calculate the fatigue damage degree of the specimen generated in the vibration process, the acceleration sensor 1A is provided on one side of the specimen, And the strain value was measured by attaching a strain gage (1S) to the center of the notch on the other surface.

여기서, 가진기가 Z축의 단축 방향으로 가진되므로 계측되는 가속도 및 변형률 데이터는 아웃 오브 플레인(out of plane) 방향의 응답 값에 해당하며, 부착된 센서 신호들은 도 3에 나타낸 바와 같다. Here, since the exciter is excited in the direction of the short axis of the Z axis, the measured acceleration and strain data corresponds to a response value in the out-of-plane direction, and the attached sensor signals are as shown in FIG.

또한, 상기한 바와 같이 구성되는 단순 시편을 이용하여 단축 가진 시험을 진행하기 위해 일반적으로 사용되는 가진 프로파일은 모든 주파수 대역을 동시에 인가하는 랜덤, 하나의 주파수 성분을 인가하는 조화 성분으로 나눌 수 있다. In addition, the excitation profile generally used for performing the uniaxial vibration test using the simple specimen constructed as described above can be divided into a random component for simultaneously applying all frequency bands, and a harmonic component for applying one frequency component.

이에, 본 발명의 실시예에서는, 랜덤 및 조화 성분에 해당하는 대표적인 가진 프로파일을 구성하고, 이를 활용하여 다양한 가진 스펙트럼 패턴에 따른 피로 손상도를 분석하기 위해 랜덤, 조화 성분으로 이루어진 각각의 가진 시험 이외에 2가지 패턴을 동시에 인가하는 SOR 진동 시험을 추가적으로 진행하였다. Therefore, in the embodiment of the present invention, a representative excitation profile corresponding to random and harmonic components is constructed, and in addition to each excitation test consisting of random and harmonic components to analyze fatigue damage according to various excitation spectrum patterns An additional SOR vibration test was performed to apply two patterns at the same time.

즉, 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 성능을 검증하기 위한 진동 시험에 적용된 진동 프로파일의 구체적인 내용을 표로 정리하여 나타낸 도면이다. That is, referring to FIG. 4, FIG. 4 is a table showing specific contents of the vibration profile applied to the vibration test for verifying the performance of the method of calculating the fatigue damage degree in the frequency domain capable of coping with various vibration spectrum patterns according to the embodiment of the present invention Fig.

따라서 도 3에 나타낸 바와 같이 2가지 진동 프로파일을 이용하여 랜덤, 조화 및 SOR 시험의 순으로 차례로 진동 시험을 진행하고, 가진 시험을 진행하는 동안 도 3에 나타낸 바와 같이 시편에 각각 부착된 가속도 센서(1A)와 스트레인 게이지(1S)를 통하여 가속도 및 변형률 응답 데이터를 계측하였다. Therefore, as shown in FIG. 3, the vibration test is sequentially performed in the order of the random vibration, the harmonic vibration, and the SOR test using two vibration profiles. During the vibration test, as shown in FIG. 3, 1A and the strain gage 1S to measure acceleration and strain response data.

여기서, 모든 시험은 최소 3번을 진행하여 시험 과정에서 발생하는 오차를 반영할 수 있도록 하였다. Here, all the tests were conducted at least three times to reflect the errors that occurred during the test process.

계속해서, 상기한 바와 같은 진동 시험을 통한 피로 손상도의 계산에 대하여 설명한다. Next, calculation of the fatigue damage degree through the vibration test as described above will be described.

먼저, 시간 영역에서의 피로 손상도 계산은, 시간 영역의 계측 데이터를 활용하여 전통적인 카운트 방식인 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak counting) 방법으로 변형률, 가속도 데이터에 대해 구간별 반복횟수를 계산하였으며, 이때, 3개의 가진 스펙트럼 패턴에 대해 각각 횟수를 계산하였고, 동일 모드에 대해 3번의 시험에 대한 결과를 평균하였다. First, the calculation of the fatigue damage in the time domain is performed by using the zero-crossing peak counting method, which is a conventional counting method, using the measurement data in the time domain, and the number of iterations for the strain and acceleration data is calculated At this time, the number of times for each of the three excitation spectral patterns was calculated, and the results for the three tests were averaged for the same mode.

즉, 도 5를 참조하면, 도 5는 시간 영역의 계측 데이터를 활용하여 기존의 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak counting) 방법으로 변형률 및 가속도 데이터에 대한 구간별 반복횟수를 계산한 결과를 그래프로 나타내는 도면이다. Referring to FIG. 5, FIG. 5 illustrates the result of calculating the number of repetitions of the strain and acceleration data for each section using the zero-crossing peak counting method using the measurement data in the time domain as a graph Fig.

더 상세하게는, 도 5에 나타낸 바와 같이, 가속도 및 변형률에 대해 계산된 횟수를 분석한 결과, SOR 조건과 랜덤의 경우는 유사한 분포를 보이고 있으나, 조화 함수의 경우는 다른 분포 양상이 나타났음을 확인할 수 있다. More specifically, as shown in FIG. 5, the number of times of calculation for the acceleration and the strain is analyzed. As a result, the SOR condition and the random case have a similar distribution, but the harmonic function has a different distribution pattern .

또한, 이러한 결과는 가속도 및 변형률 모두 유사한 경향성을 나타내었으며, 랜덤 가진의 경우 높은 크기 구간에서 급격하게 반복 횟수가 줄어드는 반면, 조화 가진과 SOR의 경우에는 상대적으로 높은 크기 구간에서 많은 반복 횟수를 가지고 있음을 확인할 수 있다. This result shows similar tendency both in acceleration and strain. In case of random excitation, the repetition frequency decreases sharply in the high magnitude interval, while in the case of harmonic excitation and SOR, it has many repetition frequency in the relatively high magnitude interval can confirm.

특히, SOR의 경우, 조화 성분과 랜덤 성분의 크기가 중첩되어 최대 크기 대역에서 다른 가진 조건들 대비 반복 횟수가 많았음을 확인할 수 있다. Especially, in case of SOR, it is confirmed that the harmonic component and the random component overlap each other, and the repetition frequency is larger than the other excitation conditions in the maximum size band.

여기서, 변형률 기반의 피로 손상도의 경우 재료 특성에 의해 결정된 S-N 선도를 그대로 사용하므로 피로 손상도 값은 유일하나, 가속도 기반의 피로 손상도는 가상의 S-N 선도를 사용하므로 어떤 기울기 값을 사용하는가에 따라 손상도 값이 달리질 수 있다. Here, in case of strain-based fatigue damage diagram, the fatigue damage value is only used because the SN curve determined by the material characteristics is used as it is. However, since the fatigue damage degree based on acceleration is a virtual SN curve, what kind of slope value is used The value of the damage can be varied accordingly.

즉, 도 6을 참조하면, 도 6은 변형률 기반 손상도 및 3가지 다른 기울기에 대한 가속도 기반의 손상도를 표로 정리하여 나타낸 도면이다. That is, referring to FIG. 6, FIG. 6 is a table showing acceleration-based damage degrees for strain-based damage degrees and three different slopes.

도 6에 나타낸 바와 같이, 변형률(또는 응력)의 경우 SOR 시험 모드가 피로 손상도 측면에서 랜덤 또는 조화 가진 형태의 경우보다 가혹하였으나, 가속도 기반의 가혹도의 경우 기울기에 따라서 랜덤 또는 조화 가진의 가혹도가 매우 다른 양상을 나타내고 있음을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 6, in the case of the strain (or stress), the SOR test mode was more severe in the fatigue damage degree than in the case of the random or harmonic type, but in the case of the acceleration based severity, It can be seen that there is a very different pattern.

이는, 상기한 도 5에서 조화 성분의 주요 횟수가 상대적으로 낮은 곳에 집중적으로 분포하고 있음으로 인해 기울기의 절대값이 증가할수록 상대적으로 손상도의 합이 줄어들며, 상대적으로 랜덤 가진의 경우 동일 조건에서 손상도의 값이 상대적으로 증가하는 것에 기인한다. The reason for this is that as the absolute value of the slope is increased, the sum of the degree of damage is relatively decreased because the main frequency of harmonic components is concentrated at a relatively low frequency in FIG. 5. In the case of relatively random excitation, This is due to the fact that the value of the graph is relatively increased.

따라서 가속도 기반의 피로 손상도는 결정되는 기울기에 따라 매우 민감한 결과를 나타냄을 알 수 있다. Therefore, it can be seen that the acceleration-based fatigue damage is very sensitive to the determined slope.

계속해서, 주파수 영역에서의 피로 손상도 분석에 대하여 설명하면, 주파수 영역의 피로 손상도 계산과정에서도 동일한 S-N 선도의 데이터가 사용되었으며, 상기한 [수학식 11], [수학식 15], [수학식 16]을 활용하여 서로 다른 입력 스펙트럼 패턴에 따라 피로 손상도를 계산하였다. Next, the analysis of the fatigue damage in the frequency domain will be described. In the calculation process of the fatigue damage in the frequency domain, the same data of the SN curve is used. The data of the equations (11), The fatigue damage is calculated according to different input spectrum patterns using Eq. (16).

여기서, 상기한 시간 영역에서의 분석방법과의 차이는 반복 횟수를 계산하는 과정이 주파수 영역이라는 것이며, 또한, 가속도 데이터의 경우에는 응력 데이터로 변환하기 위해 2개 물리량 사이의 주파수 응답 함수를 활용하였다. The difference from the analysis method in the time domain is that the process of calculating the repetition frequency is in the frequency domain, and in the case of acceleration data, the frequency response function between two physical quantities is used to convert the data into stress data .

즉, 도 7을 참조하면, 도 7은 변형률 및 가속도 데이터를 활용하여 주파수 영역에서 계산된 피로 손상도를 표로 정리하여 나타낸 도면이다. That is, referring to FIG. 7, FIG. 7 is a table showing fatigue damage calculated in the frequency domain using strain and acceleration data.

도 7에 나타낸 바와 같이, 스트레인게이지를 직접 활용한 피로 손상도와 가속도 데이터를 활용한 간접적인 피로 손상도는 기존 연구들에서의 발표내용과 유사하게 랜덤 가진의 경우 103.0%, 조화가진 81.5% 및 SOR 조건에서 52.6%의 상대오차(시간영역 데이터 기준)를 나타내었음을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 7, indirect fatigue damage using fatigue damage and acceleration data directly using the strain gauge is 103.0% for random excitation, 81.5% for harmonic excitation and 81.5% for SOR And the relative error (based on time domain data) of 52.6% in the condition.

여기서, 물론, 동일한 변형률 데이터를 시간 영역과 주파수 영역에서 직접 비교한 상대오차는 72.7%, 조화가진 81.1% 및 SOR 조건에서 42.1%이므로 좀 더 오차 범위가 축소되었음을 확인할 수 있으며, 이는, 피로 손상도가 지수함수인 점을 감안할 때 수용 가능한 오차 범위이다. Of course, it can be seen that the error range is reduced by 72.7%, 81.1% with harmonics, and 42.1% with SOR, which are directly compared with the same strain data in the time domain and frequency domain, Is an exponential function.

또한, 랜덤 가진 등에서 상대적으로 오차가 많이 발생한 이유는 시간 영역의 데이터의 파고율(crest factor)을 진동 가진기에서 정확하게 제어하는데 한계가 있기 때문에 주파수 영역에서 평균된 스펙트럼의 크기가 실제 시간 영역에서 발생하는 불규칙적인 크기 성분을 하나의 성분으로 대응하는데 한계가 있기 때문이다. The reason for the relatively large error in the random excitation is that since the crest factor of the time domain data is precisely controlled by the vibrator, the amplitude of the averaged spectrum in the frequency domain occurs in the real time domain This is because there is a limit to the irregular size component corresponding to one component.

상기한 바와 같은 결과로부터, 랜덤 가진에 따른 피로 손상도는 가장 작은 값을 보여주고 있으나, 조화가진 성분과 동시에 가진원으로 작용하는 SOR 시험 모드에서는 기여도가 높아짐을 확인할 수 있으며, 이러한 결과는, 상기한 [수학식 16]에서 조화 가진과 랜덤 가진이 동시에 일어나는 조건에서 응답 크기가 중첩이 되어 증가하였기 때문이다. From the above results, it can be seen that although the fatigue damage according to the random excitation shows the smallest value, the contribution increases in the SOR test mode acting as the excitation source at the same time as the harmonic excitation component. In Equation (16), the response magnitudes are overlapped and increased because the harmonic excitation and the random excitation occur at the same time.

즉, SOR 조건에서 랜덤 성분만을 얻어내기 위해 가속도의 주파수 성분을 얻어내는 과정에서 4096 윈도우 크기에서 90%로 중첩시켜 평균하여 특정 구간에서 발생되는 조화 가진의 주요 성분들을 제거하였으며, 반면, 조화 가진의 주요 성분을 얻어내야 하는 경우 동일 윈도우 크기에서 평균 대신 피크 홀드(peak hold) 옵션을 사용하여 중첩시켜 최대 크기 성분들을 추출하였다. That is, in the process of obtaining the frequency component of the acceleration to obtain only the random component in the SOR condition, the main components of the harmonic excitation generated in the specific interval are removed by superimposing and averaging 90% at the window size of 4096, When the major components were to be obtained, the maximum size components were extracted by overlapping using the peak hold option instead of the average at the same window size.

상기한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는, 복합 스펙트럼 진동 환경에 대한 피로 손상도 계산 방법들을 비교하기 위해 노치가 있는 단순한 시편을 사용하여 기존의 시험 방법인 랜덤, 조화 및 SOR 가진 조건에 대하여 진동시험을 수행하였으며, 시간 영역의 변형률 및 가속도 데이터를 활용하여 피로 손상도를 계산하고, 주파수 영역에서도 동일 데이터들을 주파수 영역으로 변환하여 유사한 계산 방법을 적용하였다. As described above, in the embodiment of the present invention, in order to compare fatigue damage calculation methods for a composite spectrum vibration environment, a simple test piece having a notch is used to perform vibration tests on random, The fatigue damage is calculated by using the strain and acceleration data in the time domain, and the same data is transformed into the frequency domain in the frequency domain and a similar calculation method is applied.

그 결과, 3가지 가진 조건에 대하여 주파수 영역에서 계산된 피로 손상도는 대체적으로 유사한 값을 도출하여 신뢰성이 있음을 알 수 있었으며, 따라서 본 발명에 따라 주파수 영역에서 가속도 데이터를 활용하여 피로 손상도를 계산하는 방법은, 종래기술의 다른 방법들과 비교하여 계산의 효율성 및 다양한 가진 스펙트럼 조건에 활용 가능한 장점으로 전통적인 시간 영역의 계산방법을 대체할 수 있을 것으로 기대된다. As a result, it was found that the fatigue damage degree calculated in the frequency domain for the three excitation conditions is generally derived from a similar value. Therefore, according to the present invention, the fatigue damage degree The calculation method is expected to be able to replace the conventional time domain calculation method with the advantage of the calculation efficiency and various excitation spectrum conditions as compared with other methods of the prior art.

따라서 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 구현할 수 있다. Therefore, the method of calculating the fatigue damage in the frequency domain that can cope with various vibration spectrum patterns according to the present invention can be implemented as described above.

또한, 상기한 바와 같이 하여 본 발명에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 구현하는 것에 의해, 본 발명에 따르면, 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진조건에서 가속도 데이터를 활용한 랜덤(random) 가진상태에서 피로 손상도를 계산하는 방법을 제시하고, 이를 기존의 조화(harmonic) 가진 상태에서의 피로도 계산방법과 연계하도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법이 제공됨으로써, 자동차 부품 등과 같은 기계 시스템의 진동시험을 위한 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법에 있어서, 시간 영역에서 피로 손상도를 계측하기 위해 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정한 후 제로 크로싱 피크 카운트(zero-crossing peak count) 방법 등을 이용하여 피로 손상도를 계산하는 기존의 방법들은 정확하기는 하나 불규칙한 랜덤신호가 가진원으로 작용하는 기계 시스템에 대하여는 시간 영역의 방대한 양의 데이터를 처리하기에 어려움이 있고, 이러한 난점을 해소하기 위해 주파수 영역에서 계산하는 종래의 방법들은 조화 가진에만 적용 가능한 한계가 있었던 종래기술의 피로 손상도 계산방법들의 문제점을 해결할 수 있다. Also, by implementing the method of calculating the fatigue damage in the frequency domain capable of coping with various vibration spectrum patterns according to the present invention as described above, according to the present invention, the SOR (Sine-on-random In this paper, we propose a method to calculate the fatigue damage in a random excitation state using acceleration data under the excitation condition and to apply it to various vibration spectrum patterns The present invention provides a method of calculating a fatigue damage degree in a frequency domain for a vibration test of a mechanical system such as an automobile part by measuring a fatigue damage degree in a time domain, After the strain was measured, a zero-crossing peak count eak count) method, it is difficult to process vast amount of data in the time domain for a mechanical system that operates as a circle with an irregular random signal. However, Conventional methods of calculating in the frequency domain to solve this difficulty can overcome the problems of the prior art fatigue damage calculation methods which have limitations applicable only to harmonic oscillators.

아울러, 본 발명에 따르면, 상기한 바와 같이 랜덤 및 조화 가진 상태뿐만 아니라 주파수 영역에서 선형 시스템이 서로 다른 주파수 스펙트럼을 나타내는 SOR(sine-on-random) 가진 조건에 노출된 상태에서의 피로 손상도의 계산이 모두 가능하도록 구성됨으로써, 다양한 가진 상황에서 발생하는 응답 가속도와 응답 변형률 사이의 선형성이 보장되는 어떠한 선형 시스템에 대하여도 적용이 가능하며, 가진 상태에서 측정된 가속도 데이터만을 활용하여 랜덤, 조화 및 SOR 상태에서 모두 적용이 가능한 장점을 가지는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법을 제공할 수 있다. In addition, according to the present invention, as described above, the fatigue damage degree in a state in which the linear system is exposed to the sine-on-random (SOR) condition in which the linear system exhibits different frequency spectrums in the frequency domain as well as the random and harmonic states By using the acceleration data measured in the excitation state, it is possible to apply randomly, harmonically, and / or logically to any linear system in which the linearity between the response acceleration and the response strain generated in various excitation situations is guaranteed. It is possible to provide a method of calculating a fatigue damage in a frequency region that can cope with various vibration spectrum patterns having an advantage that all of them can be applied in the SOR state.

이상, 상기한 바와 같은 본 발명의 실시예를 통하여 본 발명에 따른 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법의 상세한 내용에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 기재된 내용으로만 한정되는 것은 아니며, 따라서 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 설계상의 필요 및 기타 다양한 요인에 따라 여러 가지 수정, 변경, 결합 및 대체 등이 가능한 것임은 당연한 일이라 하겠다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It will be understood by those skilled in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the appended claims. It is a matter of course.

Claims (9)

컴퓨터나 전용의 하드웨어에 실행시키도록 구성되는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법에 있어서,
분석하고자 하는 진동환경에 대응하는 주파수 입력조건을 설정하는 입력조건 설정단계;
상기 입력조건 설정단계에서 설정된 주파수 입력조건에 따라 대상물에 진동을 인가하여 응답 데이터로서 가속도 데이터를 취득하는 데이터 수집단계; 및
상기 데이터 수집단계에서 얻어진 가속도 데이터에 근거하여, 가속도 기반의 유사 손상도(pseudo damage) 방법에 의해 상기 대상물의 피로 손상도를 계산하는 피로 손상도 계산단계;를 포함하고,
상기 입력조건 설정단계는,
단일 주파수 입력조건, 랜덤 주파수 입력조건 및 두 가지 조건이 복합적으로 작용하는 SOR(sine-on-random,단일 + 랜덤) 입력조건을 필요에 따라 선택적으로 설정하여, 각각의 입력조건에 따라 상기 대상물에 각각 서로 다른 다양한 진동 스펙트럼 패턴을 인가하는 처리가 수행되도록 구성되며,
상기 피로 손상도 계산단계는,
상기 입력조건 설정단계에서 설정된 각각의 단일 주파수 입력조건, 랜덤 주파수 입력조건 및 SOR 입력조건에 따라 각각 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되되,
상기 입력조건 설정단계에서 설정된 입력조건이 단일 주파수 입력조건인 경우, 이하의 [수식 1]을 이용하여 상기 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되고,
[수식 1]
Figure 112018042138258-pat00056

(여기서, N은 이산화된 주파수 영역의 성분들의 합의 숫자, ωi는 주파수, Ti는 총 가진시간, b 및 S0는 대상물의 S-N 선도 관련 기울기와 절점(intercept) 응력, ai는 가속도를 각각 나타냄)

상기 입력조건 설정단계에서 설정된 입력조건이 랜덤 주파수 입력조건인 경우, 응력의 제곱평균제곱근 값이
Figure 112018042138258-pat00057
이고, 파고율이
Figure 112018042138258-pat00058
이며, 최대 크기의 기대값을 이하의 [수식 2]로 나타낼 때,
[수식 2]
Figure 112018042138258-pat00059

Figure 112018042138258-pat00060

이하의 [수식 3]을 이용하여 상기 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되며,
[수식 3]
Figure 112018042138258-pat00061


상기 입력조건 설정단계에서 설정된 입력조건이 SOR 입력조건인 경우, 조화 가진과 랜덤 가진이 주파수
Figure 112018042138258-pat00062
에 대해 각각 Th,i, Tr,i 만큼 인가되는 것으로 할 때, 반복 횟수는 Nh,i, Nr,i (Nh,i < Nr,i)로 계산되고, Nh,i 횟수 동안 응력의 크기는 랜덤과 조화가진 크기가 중첩되며, 나머지 반복횟수 동안에는 랜덤 가진 크기만 영향을 주게 되는 것에 근거하여,
이하의 [수식 4]를 이용하여 상기 주파수
Figure 112018042138258-pat00063
에서 상기 피로 손상도를 계산하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법.
[수식 4]
Figure 112018042138258-pat00064

A method of calculating a fatigue damage degree in a frequency domain capable of coping with various vibration spectrum patterns configured to be executed on a computer or dedicated hardware,
An input condition setting step of setting a frequency input condition corresponding to a vibration environment to be analyzed;
A data collecting step of applying vibration to an object according to a frequency input condition set in the input condition setting step and acquiring acceleration data as response data; And
Calculating a fatigue damage degree of the object by an acceleration based pseudo damage method based on the acceleration data obtained in the data collection step;
The input condition setting step includes:
(Sine-on-random, single + random) input conditions in which a single frequency input condition, a random frequency input condition, and a combination of two conditions are selectively set as needed, A process of applying various vibration spectrum patterns, each being different from each other, is performed,
The fatigue damage degree calculation step may include:
A process of calculating a fatigue damage degree according to each of the single frequency input condition, the random frequency input condition, and the SOR input condition set in the input condition setting step,
Wherein when the input condition set in the input condition setting step is a single frequency input condition, processing for calculating the fatigue damage degree is performed using the following equation 1,
[Equation 1]
Figure 112018042138258-pat00056

(Where, N is the agreement of the components of the discrete frequency domain, the number, ω i is the frequency, Ti is the time with the total, b, and S 0 is SN curve associated slope and the joints (intercept) the stress of the object, a i are each an acceleration )

When the input condition set in the input condition setting step is the random frequency input condition, the square root mean square value of the stress
Figure 112018042138258-pat00057
, And the crest factor
Figure 112018042138258-pat00058
, And when the expected value of the maximum size is represented by [Expression 2] below,
[Equation 2]
Figure 112018042138258-pat00059

Figure 112018042138258-pat00060

The processing for calculating the fatigue damage degree is performed using the following equation (3)
[Equation 3]
Figure 112018042138258-pat00061


If the input condition set in the input condition setting step is the SOR input condition,
Figure 112018042138258-pat00062
Each for T h, i, T r, when being i applied by, the number of iterations is N h, i, N r, i (N h, i <N r, i) is calculated to be, N h, i Based on the fact that the magnitude of the stress during the number of times is superimposed on the random and harmonic magnitudes and only the magnitude of the random magnitude influences the rest of the number of iterations,
Using Equation (4) below,
Figure 112018042138258-pat00063
Wherein the calculation of the fatigue damage degree is performed in the frequency domain.
[Equation 4]
Figure 112018042138258-pat00064

제 1항에 있어서,
상기 데이터 수집단계는,
상기 대상물에 가속도 측정장치를 부착하여, 상기 입력조건 설정단계에서 설정된 주파수 입력조건에 따라 인가되는 진동에 따른 상기 대상물의 가속도에 대한 데이터를 실시간으로 측정하여 수집하는 처리가 수행되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법.
The method according to claim 1,
Wherein the data collection step comprises:
A process of attaching an acceleration measuring device to the object and measuring and collecting data on the acceleration of the object in real time according to the vibration applied according to the frequency input condition set in the input condition setting step, A method of calculating fatigue damage in a frequency region capable of coping with various vibration spectrum patterns.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 2항에 있어서,
상기 계산방법은,
상기 피로 손상도 계산단계에서 계산된 피로 손상도를 시간 영역에서의 피로 손상도 계산방법 및 주파수 영역에서의 피로 손상도 계산방법을 포함하는 종래기술의 계산방법에 의해 구해진 피로 손상도와 비교하여 오차를 검증하는 검증단계를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 다양한 진동 스펙트럼 패턴에 대응 가능한 주파수 영역의 피로 손상도 계산방법.
3. The method of claim 2,
In the calculation method,
The fatigue damage degree calculated in the fatigue damage degree calculation step is compared with the fatigue damage degree obtained by the calculation method of the prior art including the method of calculating the fatigue damage degree in the time domain and the method of calculating the fatigue damage degree in the frequency domain, And a verification step of verifying the vibration spectrum pattern in the frequency domain.
삭제delete 삭제delete
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Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014161587A1 (en) * 2013-04-05 2014-10-09 Aktiebolaget Skf Method for processing data obtained from a condition monitoring system

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US7677094B1 (en) * 2008-09-30 2010-03-16 Nissan Technical Center North America, Inc. Method and system for testing road load durability of truck rear bed
BR112014026576A2 (en) 2012-04-24 2019-09-24 Skf Ab method and system of monitoring bearings
KR101414520B1 (en) 2013-04-30 2014-07-04 한국과학기술원 Wireless inspection apparatus of a structure using nonlinear ultrasonic wave modulation and inspecting method using the apparatus
JP5776990B2 (en) 2013-12-12 2015-09-09 日立金属株式会社 Corrosion fatigue damage evaluation method

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2014161587A1 (en) * 2013-04-05 2014-10-09 Aktiebolaget Skf Method for processing data obtained from a condition monitoring system

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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에너지 등고선을 이용한 고주파 가진 조건들에 따른 선형 시스템의 피로 손상도 분석(한국소음진동공학회논문집 제24권 제11호, pp.840~845, 2014) *
에너지 등고선을 이용한 고주파 가진 조건들에 따른 선형 시스템의 피로 손상도 분석(한국소음진동공학회논문집 제24권 제11호, pp.840~845, 2014)*

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