MIL-STD-810H 충격 시험
— 규격에서 하중을 뽑는 법

고객사에서 요구조건 문서가 왔다.

본 장비는 MIL-STD-810H Method 516.8, Procedure I 및 Procedure V를 만족해야 한다.

앞의 세 편에서 충격 하중을 어떻게 정의하는지, 파형을 어떻게 고르는지, SRS가 무엇인지 살펴봤다.

그런데 실무에서는 이 값들을 엔지니어가 처음부터 정하는 경우가 많지 않다. 대부분은 규격이 요구 조건을 먼저 정해준다.

문제는 규격서가 곧바로 “해석 입력값”의 형태로 쓰여 있지 않다는 점이다.

Procedure는 여러 개로 나뉘어 있고, 표와 그림은 여러 페이지에 흩어져 있다. 어떤 절차는 g값과 지속 시간을 직접 주지만, 어떤 절차는 낙하 높이나 SRS 조건을 기준으로 하중을 해석해야 한다.

이 글에서는 MIL-STD-810H Method 516.8 Shock에서 실제 해석 하중을 뽑아내는 과정을 정리한다.

Method 516.8은 무엇을 다루는가

MIL-STD-810H는 미 국방부의 환경 시험 규격이다. 이 중 Method 516.8 Shock은 기계적 충격 환경을 다룬다.

핵심은 하나다.

장비가 겪는 충격은 상황마다 다르다.

수송 트럭 위에서 반복적으로 받는 충격과, 항공기나 차량 충돌 시 장착부가 이탈하지 않아야 하는 조건은 완전히 다른 하중이다.

그래서 Method 516.8은 충격 상황을 여러 절차로 나누어 정의한다.

해석 담당자 입장에서 자주 만나는 절차는 Procedure I과 Procedure V다.

• Procedure I — Functional Shock 장비가 충격을 받고도 기능을 유지해야 하는 조건이다. 기능 유지와 운용 중 건전성 관점이다.

• Procedure V — Crash Hazard Shock 장비 자체가 손상되는 것보다, 장착부가 파손되거나 부품이 이탈해 인명·주변 장비에 위험을 주는지를 본다. 구조 건전성과 장착부 관점이다.

같은 장비라도 두 절차의 요구 하중은 다르고, 판정 기준도 다르다.

왜 Terminal Peak Sawtooth인가

Method 516.8에서 자주 등장하는 classical shock pulse가 Terminal Peak Sawtooth(TPS)다.

TPS는 0에서 시작해 선형으로 증가하다가, 최대값에 도달한 뒤 짧은 시간 안에 0으로 떨어지는 파형이다.

다만 여기서 주의할 점이 있다.

MIL-STD-810H는 가능한 경우 실제 환경 데이터나 SRS 기반 조건을 중요하게 다룬다. TPS는 모든 경우의 “유일한 기본값”이라기보다, 실제 측정 데이터가 없거나 classical pulse 조건으로 시험·해석을 정리할 때 사용하는 대표적인 기준 파형으로 이해하는 것이 적절하다.

SRS 관점에서 TPS가 자주 쓰이는 이유는 비교적 분명하다.

TPS는 특정 주파수 하나만 강하게 자극하기보다, 일정 주파수 이상에서 비교적 평탄한 SRS 특성을 보이는 파형으로 다루어진다. 따라서 다양한 구조 모드를 포함하는 장비에 대해 표준화된 충격 조건을 정의하기에 유용하다.

또한 규격은 이상적인 TPS와 실제 시험 장비 사이의 차이도 고려한다.

이상적인 TPS는 정점 이후 거의 수직으로 떨어지는 형태지만, 실제 시험 장비는 완전한 수직 하강을 만들기 어렵다. 그래서 후행 하강 구간의 시간과 허용 오차를 별도로 둔다.

또한 Procedure I과 Procedure V는 TPS 시간 이력뿐 아니라, SRS 기준으로 충격 조건을 정의하는 방식도 함께 사용된다. 이때의 SRS는 이상적인 TPS 펄스의 응답 특성을 근사하는 기준으로 볼 수 있다.

즉, 실무에서는 다음 두 가지를 구분해야 한다.

• SRS 기준으로 요구 조건을 읽는 경우
• TPS classical pulse로 시간 이력을 만들어 해석 입력으로 사용하는 경우

둘은 연결되어 있지만, 완전히 같은 입력 형식은 아니다.

표에서 뽑는 값

Procedure I과 Procedure V의 시험 수준은 장비 설치 환경에 따라 달라진다.

대표적인 classical pulse 기준을 정리하면 다음과 같다.

표를 읽을 때 함께 확인해야 할 단서 조항이 있다.

• 지상 장비 40 g는 일반 조건이고, 트럭·세미트레일러에만 장착되는 장비는 20 g를 사용한다
• 쇼크마운트에 장착되거나 136 kg(300 lb)을 넘는 장비는, 등가 속도를 갖는 11 ms half-sine 펄스로 대체할 수 있다
• Procedure I의 값은 기준값(reference), Procedure V의 값은 최소값(minimum)으로 제시된다

그리고 여기서 눈여겨볼 점이 있다.

지상 장비 Crash Hazard는 g값이 가장 크지만, 지속 시간은 가장 짧다.

앞 글에서 봤듯이 최대 g값만으로 충격의 위험도를 비교할 수는 없다. 75 g / 6 ms와 40 g / 11 ms는 시간 이력도 다르고, SRS 곡선의 형태도 다르다.

어느 쪽이 더 위험한지는 구조물의 고유진동수 대역에 따라 달라질 수 있다.

따라서 규격 표에서 g값과 지속 시간을 찾는 것만으로는 충분하지 않다. 그 값으로 시간 이력을 만들고, 필요하면 SRS까지 확인해야 해석 조건이 완성된다.

g값을 바로 주지 않는 절차 — Fragility

Procedure III, 즉 Fragility는 조금 다르다.

이 절차는 “몇 g를 가하라”는 단일 조건을 주기보다, 장비가 어느 충격 수준에서 손상 또는 기능 저하를 보이는지 확인하기 위한 절차다.

이때 사용하는 classical pulse는 Sawtooth가 아니라 Trapezoidal pulse다.

계산의 핵심은 낙하 높이, 속도 변화량, 최대 가속도, 펄스 지속 시간의 관계다.

먼저 낙하 높이 h에서 자유낙하했을 때 충돌 직전 속도는 다음과 같다.

v = √(2gh)

여기서 100% 반발을 가정하면, 충돌 전후의 최대 속도 변화량은 다음과 같이 볼 수 있다.

ΔV = 2√(2gh)

Trapezoidal pulse에서 상승·하강 시간이 충분히 짧다고 보면, 속도 변화량은 대략 다음 관계를 갖는다.

ΔV ≈ Am · g · TD

따라서 낙하 높이와 허용 최대 가속도 Am을 기준으로 등가 펄스 지속 시간을 계산하면 다음과 같이 쓸 수 있다.

TD ≈ ΔV / (Am · g)
TD ≈ 2√(2gh) / (Am · g)

상승 시간과 하강 시간은 TD에 비해 작게 잡아야 하며, 규격에서는 Trapezoidal pulse의 상승·하강 구간이 전체 지속 시간에 비해 과도하게 길어지지 않도록 제한한다.

Am은 낙하 높이에 따라 결정되며, 규격은 일반적으로 10 ~ 50 G 범위를 제시한다.

예를 들어 24 inch 낙하와 허용 가속도 20 g 조건이 주어지면, 낙하 높이로부터 속도 변화량을 계산하고, 이를 만족하는 사다리꼴 펄스의 지속 시간을 구할 수 있다.

핵심은 이것이다.

규격이 주는 것은 장비가 겪는 물리적 조건이지, 항상 해석 입력값 그 자체는 아니다.

낙하 높이, 속도 변화량, 최대 가속도, 지속 시간을 해석 입력으로 바꾸는 과정은 엔지니어의 몫이다. 이 과정에서 계산 실수가 나면 이후 해석은 전부 잘못된 조건 위에서 수행된다.

규격에서 해석 조건까지, 실제로 걸리는 시간

정리하면 규격 하나를 해석 조건으로 바꾸는 데 필요한 작업은 다음과 같다.

1. 여러 Procedure 중 내 장비에 맞는 절차를 고른다
2. 장착 환경, 운용 상태, 설치 조건에 맞는 시험 수준을 표에서 찾는다
3. 요구 조건이 SRS인지 classical pulse인지 확인한다
4. 파형, 최대 가속도, 지속 시간 또는 낙하 높이 조건을 해석 입력으로 변환한다
5. 시간-가속도 곡선을 생성한다
6. 필요하면 SRS를 계산해 주파수 대역별 응답 수준을 확인한다
7. 해석 솔버가 읽을 수 있는 형식으로 내보낸다

1~3번은 규격을 해석하는 일이고, 4~7번은 계산과 데이터 변환의 영역이다.

문제는 이 과정 대부분이 매번 반복된다는 점이다.

프로젝트가 바뀌어도 Procedure I 항공 장비 조건은 동일하게 쓰이는 경우가 많다. 그런데 실무에서는 매번 규격서를 다시 열고, 표에서 값을 찾고, 엑셀에 램프 값을 채워 시간 이력을 만든다.

그리고 이 반복 과정에서 실수가 생긴다.

• 지속 시간 단위를 ms와 s로 혼동한다
• 지상 장비 조건을 항공 장비에 적용한다
• 트럭 전용 20 g 같은 단서 조항을 놓친다
• SRS 조건과 classical pulse 조건을 혼동한다
• 사다리꼴 펄스의 상승·하강 시간을 임의로 잡는다
• g 단위를 m/s²로 변환하는 과정에서 오류가 생긴다

해석하려는 것은 구조물인데, 규격 값을 해석 입력으로 바꾸는 과정에서 시간이 소모되고 오류가 끼어든다.

Valentis Shock의 접근

Valentis Shock 탭에는 Standard Preset 카드가 있다.

MIL-STD-810H Method 516.8과 KS C IEC 61373의 충격 조건이 프리셋으로 들어 있다.

순서는 파형을 먼저 고르는 것부터다. 규격은 절차와 조건에 따라 사용할 파형 또는 기준을 다르게 정의하기 때문이다.

• Sawtooth MIL-STD-810H Procedure I, Procedure V 등에서 사용하는 Terminal Peak Sawtooth 조건

• Trapezoidal Procedure III Fragility 조건

• Half-sine KS C IEC 61373 Cat 1/2/3 등 half-sine 기반 조건

파형 버튼을 누르면 해당 파형과 관련된 프리셋만 목록에 표시된다.

목록에서 조건을 선택하면 가속도, 지속 시간, 파형 종류가 미리보기로 나타난다. Apply를 누르면 입력란이 채워지고, 곧바로 충격 펄스가 계산된다.

프리셋이 많아지면 검색창에 규격명이나 조건 이름을 입력해 목록을 좁힐 수 있다.

예를 들어 다음과 같이 검색할 수 있다.

MIL-STD-810H
Functional Shock
Crash Hazard

Procedure III Fragility는 조금 다르게 동작한다.

프리셋을 선택하면 낙하 높이와 허용 가속도 Am 입력란이 미리보기 안에 함께 표시된다. 값을 입력하면 속도 변화량, 지속 시간, 상승·하강 시간이 계산되고, Apply 시 그 값으로 사다리꼴 펄스가 생성된다.

핵심은 이것이다.

규격서를 다시 읽고, 표에서 값을 옮기고, 손으로 환산하는 반복 작업을 줄이는 것.

생성된 펄스는 그대로 SRS 계산으로 이어질 수 있고, .dat 또는 .csv 형식으로 내보내 해석 솔버에 입력할 수 있다.

마무리

MIL-STD-810H Method 516.8은 충격 상황을 여러 Procedure로 나누고, 각 절차마다 요구하는 하중의 성격을 다르게 정의한다.

• 해석 실무에서 자주 만나는 것은 Procedure I, Functional Shock과 Procedure V, Crash Hazard Shock이다
• Procedure I과 V에서는 SRS 기준과 Terminal Peak Sawtooth classical pulse 기준을 함께 이해해야 한다
• 대표 classical pulse 수준은 장착 환경에 따라 20 g ~ 75 g, 6 ms ~ 11 ms 범위로 정리된다
• 표의 값만이 아니라, 중량·장착 방식·차량 종류에 따른 단서 조항도 함께 확인해야 한다
• Procedure III Fragility는 Trapezoidal pulse를 사용하며, 낙하 높이와 속도 변화량을 통해 펄스 조건을 계산한다
• 규격 값을 찾는 것과 해석 입력을 만드는 것은 별개의 작업이다

규격을 읽는 일은 엔지니어의 판단이 필요한 영역이다.

어떤 Procedure가 내 장비에 해당하는지, 어떤 축으로 몇 회 가해야 하는지, SRS 기준을 따를지 classical pulse를 사용할지는 사람이 결정해야 한다.

하지만 표에서 값을 찾아 옮기고, 그 값으로 시간-가속도 곡선을 만드는 일은 반복 작업이다.

다음 글에서는 이 반복 작업을 실제로 어떻게 줄이는지, Valentis Shock에서 세 줄 입력으로 충격 하중 곡선과 SRS를 만드는 과정을 화면 단위로 살펴본다.

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