10실측 데이터 · 피로 손상 스펙트럼(FDS)

피로 손상 스펙트럼(FDS)이란 무엇인가

실측 데이터를 활용한 시험 개발 과정의 3번째 주제에 포함된 강의입니다.

파워 스펙트럼 밀도(PSD)는 랜덤 진동을 분석하고 특성화하기 위한 표준 도구입니다. 랜덤 PSD 시험 프로파일은 설정된 시간 및 주파수 범위 내의 기준 진동 환경과 유사합니다.

시험 사양은 종종 실험실의 가진기 테이블에서 실행하기 위한 PSD 시험 프로필을 제공합니다. 랜덤 프로파일은 범위 내의 모든 주파수를 자극하고 엔지니어는 잠재적인 약점을 식별하기 위해 제품이 실패할 때까지 시험을 실행합니다.

그런데 제품의 총 수명 피해를 분석하고 싶다면 어떻게 해야 할까요?

시험 엔지니어는 제품이 수년에 걸쳐 누적된 손상을 어떻게 견딜 수 있는지 알고 싶어하는 경우가 많습니다. PSD 프로필을 100시간 이상 실행하는 것은 실용적이지 않습니다. 또한 PSD는 여러 환경에서 발생하는 손상을 반영하지 않습니다.

대신 엔지니어들은 피로 추정 방법을 사용하여 제품 기대 수명을 예측하고 표준 사용 수명 동안 발생할 수 있는 고장을 예측합니다.

피로 손상 스펙트럼이란 무엇입니까?

마이너의 피해 규칙에 따르면1, 모든 구조물은 상당한 스트레스 수준에 반복적으로 노출될 때 피로를 경험하며 시간이 지남에 따라 피로가 축적됩니다.

진동으로 인한 응력은 재료 피로를 축적하며, 이는 제품 고장의 주요 원인입니다. 엔지니어는 최종 사용 환경을 얼마나 오랫동안 견딜 수 있는지 확인하고 설계를 개선하기 위해 한계점까지 제품을 실행합니다. 엔지니어는 이러한 목표를 달성하는 데 필요한 것보다 더 많은 시간을 소비하고 싶지 않습니다.

피로 손상 스펙트럼(FDS)은 피로 파괴를 유발하는 공진 반응과 관련된 응력의 상대적 가능성을 측정합니다. 엔지니어는 이를 사용하여 제품의 최종 사용 환경을 통계적으로 시뮬레이션할 수 있습니다.

FDS 소프트웨어는 시스템 에너지를 증가시켜 랜덤 PSD 시험 프로필을 원하는 시험 기간까지 가속화할 수 있습니다. 또한 다양한 진동 환경을 결합하고 표준 환경에서 제품 수명에 대한 기여도를 기준으로 가중치를 부여할 수 있습니다.

FDS 계산

진동 연구 소프트웨어의 FDS 계산은 Miner의 손상 규칙을 기반으로 합니다. 이 손상 모델에 따르면 피로 손상은 다양한 스트레스 수준의 스트레스 사이클에 노출되면서 누적됩니다.

피해 계산: (식 1)

(1) \begin{방정식*} \sum_{i=1}^{k}\frac{n_{i}}{N_{i}}=C \end{방정식*}

수식 1

어디:

  • k는 스트레스 수준입니다.
  • n_{i} 는 i번째 스트레스 수준에서의 스트레스 사이클 수입니다(S_{i})
  • N_{i} 는 실패할 때까지의 평균 사이클 수입니다. S_{i}
  • C는 피로/지구력 한계입니다.

마이너의 법칙에 따르면 피로한도(C)가 1을 초과하면 제품이 고장납니다.

계산 개요

피로 손상 스펙트럼을 계산하기 위해 진동시험 기술 과정 소프트웨어는 하나 이상의 시간 기록 파일을 사용합니다. 사용자가 정의한 목표 수명 값을 적용하여 표준 환경에서 제품 수명에 대한 기여도를 기준으로 여러 파일의 가중치를 부여합니다.

다음으로 소프트웨어는 가중 파형에 협대역 필터를 적용합니다. 일반적으로 이러한 필터는 옥타브 값(1/3 옥타브, 1/12 옥타브 등)으로 간격이 지정됩니다.

강우 알고리즘은 각 주파수 대역에서 최고점에서 최저점까지의 응력 주기를 계산하고, 응력 주기 진폭은 마이너 법칙의 거듭제곱 함수에 따라 비선형적으로 가중치를 부여합니다. 결합된 응력 주기는 주어진 각 주파수에서 제품의 피로를 보여줍니다.

소프트웨어는 m 값과 공진 계수(Q)를 사용하여 각 단일/협소 범위 주파수 파형에 대한 피로 손상 값을 계산합니다. 결과 FDS는 이러한 손상 계산으로 구성됩니다.

시험 목적으로 엔지니어는 Henderson-Piersol의 잠재적 손상 스펙트럼을 사용하여 FDS를 랜덤 PSD 시험 프로필로 변환할 수 있습니다.2 FDS 상관 PSD 시험 프로파일은 결합 및 가중 환경에서 제품이 겪는 상대적 손상을 나타내는 누적 스펙트럼입니다.

피로 손상 스펙트럼 계산 절차

가우스가 아닌 파형

FDS는 강우 분석 및 주기 계산을 시간 파형 데이터에 적용하므로 모든 최고점에서 최저점까지의 스트레스 주기를 설명합니다. 따라서 이는 파형의 가우스가 아닌 특징을 설명합니다.

다른 피로 추정 방법은 손상 계산을 수행하기 전에 주파수 영역 변환을 사용합니다. 이 프로세스에서는 데이터가 가우스라고 가정하고 종종 과소 시험이 발생합니다.

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