승용차용 HVAC Case의 동특성 해석 논문자료

승용차용 HVAC Case의 동특성 해석
Dynamic Analysis of HVAC Case for Passenger Car

이 논문은 승용차용 HVAC(난방, 환기, 공조) 히터 케이스에 대한 동적 해석을 다루고 있습니다. HVAC 히터 케이스는 히터와 증발기 유닛으로 구성되어 있으며, 이 구조물의 동적 특성을 분석하기 위해 유한요소모델(FEM)이 셸 요소를 사용하여 구축되었습니다. 그런 다음, 모드 해석을 위한 실험적 모드 해석이 수행되었습니다. 유한요소해석 결과는 실험 결과와 비교되어 FEM 모델의 타당성을 검증하고자 했으며, 모드 형상(mode shape)과 고유 진동수(natural frequency)를 파악한 후, FEM과 실험을 통해 포인트 모빌리티(point mobility)를 기준으로 HVAC 케이스의 국부 강성(local stiffness)이 평가되었습니다. 요약하자면, 이 연구는 HVAC 히터 케이스의 구조적 진동 특성을 정량적으로 분석하고, 실험과 해석을 통해 설계의 정확성을 검증하며, 나아가 부품의 강성 향상을 위한 설계 개선에 기여할 수 있는 기초 자료를 제공하고자 합니다.

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연구 주제

 

1. 문제 정의

이 연구에서는 Fig. 3과 같이 HTR unit과 EVA unit이 통합되어 있는 semi center type의 HVAC HTR unit case의 동특성을 규명하고자 한다.

2. 가설 설정

따라서, 저주파수 영역에서는 MDOF system을 1차 공진 모드의 특성을 갖는 SDOF(single degree of freedom) system이라 가정 할 수 있다.

HVAC HTR unit을 다자유도 시스템으로 가정하여, 측정 지점의 입력점 강성을 도출 할 수 있다.

 

연구 방법

 

1. 제안 방법

HVAC HTR unit case의 주요 진동 모드는 방사 소음의 주요 원인이 되므로, 이를 위하여 유한 요소 해석 (finite element analysis)과 실험적 모드 해석(experimental modal analysis)을 이용하여 HVAC HTR unit case의 모드 해석을 수행하였다.

또한, 입력점 강성 해석(point mobility)을 이용하여 HVAC HTR unit case의 표면 rib에 의한 동특성의 변화와 표면 강성을 해석과 실험을 통해 평가하였다.

HVAC HTR unit case의 동특성을 분석하기 위하여, Table 1과 같은 유한 요소 모델링 항목을 선정하였다.

이러한 모델링 항목을 통하여, shell element로 구성된 right, left, lower case, separator의 유한 요소 모델을 구성하였다.

따라서, element의 두께를 통해 taper 형상을 근사적으로 표현하였다.

형합 부위의 형상은 shell element를 이용하여 그 형상을 구현 하였다.

HVAC HTR Unit Case의 mode shape을 규명하기 위하여 Nastran의 SOL 103 normal mode analysis를 이용하였으며, 경계 조건이 없는 free free상태를 표현하기 위하여 SPC는 사용하지 않았다.

HVAC HTR unit case의 실험적 모드 해석을 수행하기 위해 Fig. 7과 같이 free free 조건의 modal test 실험 장치를 구성하였다.

가속도계로 인한 mass loading effect가 최소가 되도록 측정하였으며, 관심 주파수 범위는 1,024 Hz로 설정 하였다.

가속도 측정 지점은 형상을 충분히 표현 할 수 있도록 설정하였으며, 가속도 측정 지점을 통해 Fig. 8과 같은 HVAC HTR unit modal geometry를 형성 하여, mode shape을 분석 하였다.

이 연구에서는 rib에 위한 HVAC HTR unit case 의 강성을 평가하기 위하여 Fig. 9와 같이 rib이 제거되기 전, 후의 HVAC HTR unit case를 이용하였다.

이후, 유한 요소 해석과 ground modal test를 이용하여 rib에 의한 강성 효과를 비교, 분석 하였다.

이후, nastran sol 111 frequency response analysis를 이용하여 4개 지점의 direct FRF 구하였다.

측정 장비로 LMS CADA X를 이용하였으며, impact hammer(PCB 086C03)와 가속도계(PCB 356B21)를 이용한 fixed point test를 수행하였다.

Ground modal test시, impact hammer의 가진 지점과 가속도 측정 지점을 일치시켜 direct FRF를 측정 하였으며, 실험장치는 같다.

정반과 절연체를 사용하여 주위 환경으로부터 HVAC HTR unit case로 전해지는 진동 및 잡음을 최소화하여 실험을 진행하였다.

이 연구에서는 유한 요소 해석과 실험적 모드 해석을 통하여 HVAC HTR unit case의 동특성을 분석하였다.

특히, HVAC HTR unit case를 lower, rear, front left/right part로 나누었으며, 각 부위의 방사 소음을 발생시키는 대표적 모드를 분석하였다.

유한 요소 해석 및 실험적 모드 해석을 이용하여 HVAC HTR Unit Case의 동특성을 고찰 하였다.

유한 요소 모델링 기준을 선정 후, shell element를 이용한 유한 요소 모델을 구성하였다.

이후, 실험에 의한 모드 해석 결과와 유한 요소 해석 결과를 mode shape과 MAC을 통해 비교, 평가 하였다.

또한, rib에 의한 강성 효과를 확인하기 위하여 유한 요소 해석과 ground modal test를 통한 입력점 강성 해석을 수행하였다.

이때, 가속도계의 질량으로 인한 mass loading effect를 고려하여, 가속도 측정 지점에 가속도계의 질량을 고려하여 유한 요소 해석을 진행하였다.

2. 대상 데이터

이 연구에서 사용된 승용차용 HVAC HTR Unit Case는 Fig. 4과 같이 right, left, lower case와 separator의 4개 부품으로 구성되어 있으며, 재질은 PP(polypropylene) talc재이다.

HVAC HTR unit case의 재질은 PP Talc재 이므로, Young’s modulus 2,500 Pa, Poisson’s ratio 0.5, mass density 1.4E-6 kg/mm3을 사용하였다.

유한 요소 모델에 사용된 element는 4개의 node를 갖는 CQUAD4, 3개의 node를 갖는 CTRIA3으로 구성되어 있으며, 유한 요소 모델의 element 수는 총 62,274개 이다.

3. 데이터 처리

이후, 유한 해석 결과와 실험 결과를 비교, 분석하여 유한 요소 모델의 타당성을 검증 하였다.

이러한 결과를 통해 rib에 의한 HVAC HTR unit case의 표면 강성 효과를 비교, 평가할 수 있었다.

4. 이론/모형

유한 요소 모델을 구성하기 위하여, 모델링 항목 선정하였으며, 이에 따라 유한 요소 모델(finite element model)을 구성하였다.

유한 요소 해석 모델을 구성하기 위한 pre processor로 Hypermesh를 사용하였으며, 유한 요소 모델을 해석하기 위하여 Nastran을 사용하였다.

Nastran을 이용하여 유한 요소 해석을 진행하였다.

 

연구 결과

 

1. 성능/효과

유한 요소 해석과 실험을 통한 입력점 강성 해석 결과, 각 부위의 결과는 비교적 일치 하였으며, HVAC HTR unit case rear CTR.

실험 결과, rib에 의한 표면 강성은 rear center point에서 최대 6.6, front right half point에서 최소 1 dB 증가하였다.

그 결과, 유한 요소 해석 결과와 실험 결과는 비교적 일치하는 것을 확인하였다.

이때, 입력점 강성 해석을 위하여 direct FRF를 이용하였으며, 유한 요소 해석 결과와 실험 결과는 상당히 일치하는 것을 확인할 수 있었다.

또한, 이 연구 결과를 통해 HVAC HTR unit case 유한 요소 모델의 타당성을 검증할 수 있었다.

2. 후속 연구

향후, HVAC HTR unit case의 방사 소음 특성에 관한 연구를 진행할 예정이다.

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▼출처 및 바로가기 : 
https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO200904033353527

[논문]승용차용 HVAC Case의 동특성 해석