실차 주행 중 하중이력을 고려한 자동차용 전장부품의 피로수명 예측 및 개선에 관한 연구

Abstract

자동차의 편의성과 안정성을 위해 자동차에 전기, 전자 및 정보통신 기술이 융합된 전장부품의 채용이 급격히 가속화 되고 있다. 그러나 이런 전장부품들의 양적 증가와 함께 새로 개발되는 부품들에 지금까지 크게 문제되지 않았던 기계적인 신뢰성 문제들이 많이 발생하고 있다. 이는 여타 가전제품 등에 비해 가혹한 환경 조건에서 사용되는 자동차 전장부품으로서의 신뢰성 검증 기술의 부재에 기인한다. 본 논문에서는 자동차용 전장부품의 기계적 신뢰성 평가를 위해 자동차용 공조제어장치를 대상으로 실차 주행 중 하중이력을 고려한 Virtual qualification 기법을 통해 고장메커니즘을 규명하였으며, 주행 조건에 따른 취약부위 솔더조인트의 피로수명을 예측하였다. 이를 위해, 실험적 모달해석을 통해 대상 시스템의 동특성을 파악하고 민감도 해석, 실험계획법, 최적화 기법을 사용하여 각 PCB 어셈블리의 유효물성치 값을 튜닝하는 보드레벨(Board-level) 전자 패키지의 유한요소 모델링 기법을 개발하였다. 또한 실차 주행 시험을 통해 부품에 가해지는 하중이력을 측정하고 초가속수명시험을 통해 고장모드를 검출하였으며, 개발된 시스템 레벨의 유한요소 모델을 통해 도로 별 하중을 재현한 동적 해석을 수행하여 PCB 어셈블리의 동적 응답, 변형률, 스트레스 분포를 예측하고 고장메커니즘을 규명하였다. 자동차용 전자부품의 피로수명을 예측하기 위해 실차 주행 시험에서 측정된 변동 하중이력을 사이클카운팅 기법을 통해 단순화 하고, 하모닉 해석을 통해 유한요소 모델에서 같은 변형률 값을 얻어내었으며, 이 때의 글로벌 모델에서의 변위정보를 로컬 모델의 구속조건으로 사용함으로써 취약부위 솔더조인트의 스트레스/스트레인 분포를 얻어내었다. 피로수명 식을 통해 각 특수로 주행에 따른 예측 수명 값을 Virtual qualification을 통해 산출하였으며, 가속수명시험을 통해 개선된 하중-수명 곡선을 구하여 부품의 피로수명을 평가하였다.