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각국의 자동차 업계는 엄격한 환경 및 안전규제를 만족하기 위해 가볍고 충돌 내구성이 우수한 자동차를 개발하기 위한 연구를 진행하고 있다. 자동차 측면충돌은 정면충돌에 비해 충돌에너지를 흡수할 수 있는 구조물이 많지 않고, 운전자와 차량 사이에 제한된 공간으로 인하여 운전자에게 치명적인 상해를 줄 수 있다. 따라서 자동차의 측면 충돌 내구성을 높이기 위해서는 센터필러와 같은 측면 부재의 최적 변형형상을 유도하여야 한다. 이러한 최적 변형형상을 유도하기 위하여 다양한 공법이 적용되고 있다. 대표적으로 서로 다른 물성 및 두께의 소재를 맞대이음 용접하여 이종 물성을 구현하는 TWB(Tailor welded blanks) 기술이 있으며 최근에는 소재를 ...

각국의 자동차 업계는 엄격한 환경 및 안전규제를 만족하기 위해 가볍고 충돌 내구성이 우수한 자동차를 개발하기 위한 연구를 진행하고 있다. 자동차 측면충돌은 정면충돌에 비해 충돌에너지를 흡수할 수 있는 구조물이 많지 않고, 운전자와 차량 사이에 제한된 공간으로 인하여 운전자에게 치명적인 상해를 줄 수 있다. 따라서 자동차의 측면 충돌 내구성을 높이기 위해서는 센터필러와 같은 측면 부재의 최적 변형형상을 유도하여야 한다. 이러한 최적 변형형상을 유도하기 위하여 다양한 공법이 적용되고 있다. 대표적으로 서로 다른 물성 및 두께의 소재를 맞대이음 용접하여 이종 물성을 구현하는 TWB(Tailor welded blanks) 기술이 있으며 최근에는 소재를 겹침이음 용접하여 다양한 물성을 구현하는 PWB(Patchwork blanks) 기술에 대한 연구도 진행되고 있다. 이러한 공법들을 동시에 핫스탬핑 공정에 적용할 경우, 1.5GPa 이상의 강도를 가짐과 동시에 소재가 이종 물성을 가지는 부품을 제작할 수 있기 때문에 경량화 효과 및 충돌성능을 크게 향상시킬 수 있다. 본 연구의 목적은 기존의 단일 소재로 제작되었던 B-pillar에 LWB, PWB 소재 공법과 핫스탬핑 기술을 접목하여 경량화 및 충돌성능이 향상된 B-pillar를 개발하는 것이다. 기존 B-pillar 구조에서 충돌체와 직접적으로 접촉하는 B-pillar outer에 LWB를 적용하기 위하여 충돌해석을 통하여 Weld-line 위치를 결정하였다. 충돌 흡수 부위인 B-pillar의 하단에 Weld-line을 10mm 간격으로 적용하여 충돌성능을 비교하였다. Weld-line3의 위치에서 국부적으로 좌굴이 많이 발생하였고 충돌에너지 흡수능이 더 좋음을 확인하였다.
고강성을 유지해야 하는 부위인 B-pillar의 상단에 Patch를 적용하기 위하여 위상최적화를 진행하였다. 위상최적화를 통하여 기존 B-pillar 구조에 적용되는 보강재의 성능을 만족하는 Patch의 형상 및 두께를 결정하였다. 설계된 LWB, PWB를 핫스탬핑 공정에 적용하여 B-pillar를 제작하고 충돌 해석과 동일한 조건으로 충돌 시험을 수행하였다. 설계된 Patch는 핫스탬핑 공정에서 동시성형 되므로 기존의 보강재의 강도보다 높은 1.5GPa급의 강도를 가지게 된다. 이에 따라 기본 부품의 강성을 만족하면서 더 경량화된 구조가 됨을 확인하였다.
충돌시험결과, B-pillar outer에 적용된 LWB의 영향으로 인하여 해석과 동일하게 국부적으로 좌굴이 많이 발생하였고 기존 B-pillar의 충돌흡수능보다 더 좋음을 확인하였다. 또한, 기존 B-pillar 외에도 LWB만 적용된 B-pillar의 구조, PWB만 적용된 B-pillar 구조의 충돌흡수능을 비교하였다. LWB만 적용할 경우 충돌 흡수에너지는 높으나 충돌체가 접촉하는 부위의 강성이 크지 않아 밀리는 양이 많아지게 된다. PWB만 적용할 경우 강성은 만족하여 밀리는 양이 적어지지만 좌굴이 적게 발생하여 효율적인 충돌흡수능을 가지지 못한다. LWB와 PWB가 동시에 적용된 B-pillar의 구조가 단위질량당 에너지 흡수능이 가장 높으며, 효율적인 충돌흡수를 할 수 있는 구조임을 검증하였다. 따라서 LWB와 PWB를 적용할 경우 경량화 및 충돌성능이 향상된 B-pillar의 구조를 설계할 수 있다는 결론을 얻었다.

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