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문제 정의
- 본 논문에서는 VisualDO*와 ADAMS/Car# 연계하여 탄성효과로 인해 비선형성이 강한 토션빔 현가장치의 탄성 기구학적(kinematic and compliance) 특성을 개선하는 최적설계를 수행하였다. 현가장치는 탄성 기구학적 거동이 비선형적이고 정량화하기 어렵기 때문에 이에 적합한 GA를 적용하여 최적 설계가 가능하도록 하였다.
- 본 논문에서는 토션빔 현가장치에서 토션빔을 탄성체로 모델링을 하였다. 해석 대상물의 탄성효과를 고려한 해석을 하기 위해서 해석 대상에 대한 정규모드 해석이 먼저 이루어져야 하고, 모드해석 결과 파일을 이용하여 동역학 해석에 필요한 입력 파일을 생성해야 한다.
- 본 논문에서는 후륜의 토션빔 현가장치의 탄성 기구학적 특성을 개선하는 최적설계를 수행하였다. ADAMS/Cai.
제안 방법
- 05를 사용하였다. 교배율은 0.8, 0.85, 0.9, 0.95의 4가지 경우에 대해서 최적설계를 수행하여 최적의 교배율을 찾도록 하였다. 목적함수 수렴에 대한 절대치가 le-4, 설계변수 수렴에 대한 절대치 가 le-4, 목적 함수의 값이 5번 반복되는 경우에 최적 설계는 종료되도록 하였다.
- ADAMS/Cai.를 이용하여 현가장치 의 모델링 과 차량 동역학 해석을 실행하였고, 최적설계는 VisualDOC 와 ADAMS/Car를 연계하여 수행하였다. 최적설계 알고리듬은 비선형 시스템에 적합한 GA를 적용하였다.
- 본 논문에서는 탄성 기구학적 특성 (Kinematic & Compliance : K&C)에 대한 해석을 하기 위한 방법으로 롤 모드(roll mode) 해석을 수행하였다 좌측 휠센터에 -60 mm인 리바운드 입력과 우측 휠 센터에 60 mm인 범프 입력을 가한상태에서 좌우 휠이 역 위상으로 움직이도록 시뮬레이션을 하였다. 휠 센터에 가해지는 롤모드의 크기 -60 mm ~ 60 mm는 차량이 일반도로에서 주행할 때 가장 빈번하게 발생하는 리바운드와 범프의 크기이다.
- 본 논문에서는 토션빔과 트레일링암이 연결된 조인트의 위치를 설계변수로 하였다. 설계변수의 허용범 위는 장착조건과 설계 간섭 여부를 고려하여 결정하였다.
- 본 논문에서는 토션빔과 트레일링암이 연결된 조인트의 위치를 설계변수로 하였다. 설계변수의 허용범 위는 장착조건과 설계 간섭 여부를 고려하여 결정하였다. Table 3에 초기 설계 변수의 값과 허용 범위를 나타내었다.
- 현 가장치 특성값 중에서 캠버각을 주어진 제한조건 내에서 최소값을 만족하도록 목적함수를 설정하였다. 제한조건은 '현재 측정된 토우각이 약언더스티어 현상을 나타내므로 현재의 토우각보다 커지지 않도록 제한을 두었다. Fig.
- 를 이용하여 현가장치 의 모델링 과 차량 동역학 해석을 실행하였고, 최적설계는 VisualDOC 와 ADAMS/Car를 연계하여 수행하였다. 최적설계 알고리듬은 비선형 시스템에 적합한 GA를 적용하였다. 이러한 연구과정을 통하여 다음과 같은 결론 을 내릴 수 있었다.
- 최적설계는 ADAMS와 VisualDOC를 연계하여 수행하였고, VisualDOC의 유전 알고리듬을 적용하였다. 이때 유전 알고리듬에 사용되는 파라미터로 집단의 크기 100, 세대교체의 최대회수 100, 돌연변 이확률 0.
- 4(d)에서 롤각에 대한 롤센터 높이의 좌우 차이가 대략-17 mm로 비교적 큰 차이를 나타낸다. 최적설계에서 롤센터 높이에 대한 좌우 차이를 초기 값보다 작은 값을 나타내도록 제한조건을 설정하였다. 따라서 후륜 현가장치 특성의 최적설계에 대한 정식화 를식 (2)와같이 정의하였다.
- 현가장치 설계 최 적화에 대한 연구가 많이 진행되어 왔다. 탁으 현가장치의 운동방정식을 세워 민 감도 해석과 최적설계 방법을 제시하였다. 차량의 동특성 평가를 다구찌 방법, 실험계획법, 국부 최적화 알고리듬을 적용하여 최적설계를 수행한 경우도 있었다.
- 토션빔의 유한요소 모델은 Shell 요소인 Quad 4를 이용하였다. 토션빔을 좌우의 트레일링암에 부착하기 위하여 토션빔의 좌우를 하나의 노드(node)로 모아서 모델링하였다. 이때 사용된 방법은 강체 요소인 Nastran의 RBE2를 이용하였다.
- Table 3에 초기 설계 변수의 값과 허용 범위를 나타내었다. 현 가장치 특성값 중에서 캠버각을 주어진 제한조건 내에서 최소값을 만족하도록 목적함수를 설정하였다. 제한조건은 '현재 측정된 토우각이 약언더스티어 현상을 나타내므로 현재의 토우각보다 커지지 않도록 제한을 두었다.
- 현가장치 특성 최적설계를 검증하기 위한 방법으로 이 중 차선 변경(double lane change) 시뮬레이션 을 초기모델과 최적설계 후 모델에 대해서 각각 실 행하였다. 이충 차선 변경 시험을 통하여 차량의 동 특성과 조종 안정성을 확인할 수 있다.
- 본 논문에서는 VisualDO*와 ADAMS/Car# 연계하여 탄성효과로 인해 비선형성이 강한 토션빔 현가장치의 탄성 기구학적(kinematic and compliance) 특성을 개선하는 최적설계를 수행하였다. 현가장치는 탄성 기구학적 거동이 비선형적이고 정량화하기 어렵기 때문에 이에 적합한 GA를 적용하여 최적 설계가 가능하도록 하였다. GA는 기울기를 구할 수 없거나 기울기를 구하기 힘든 목적함수나 구속 조건을 가지는 문제에 적합한 것으로 알려져 있다.
대상 데이터
- 토션빔의 정규모드해석은 Superelement 기법을 이용하였고, 구속조건은 free-free로 하였다. 모드해석의 결과 파일을 이용하여 동역학 해석에서 필요한 MNF(Modal Neutral File) 파일을 만들었다. Fig.
- 토션빔을 좌우의 트레일링암에 부착하기 위하여 토션빔의 좌우를 하나의 노드(node)로 모아서 모델링하였다. 이때 사용된 방법은 강체 요소인 Nastran의 RBE2를 이용하였다. 토션빔의 요소 유형과 물성치는 Table 1에 도시하였다.
- 토션빔 후륜 현가기 구의 모델에는 탄성체 요소 1개, 강체 요소 20개를 사용하였고, 23개의 조인트, 2개의 스프링과 댐퍼, 2개의 부싱요소, 좌우 양쪽의 타이어를 포함하여 모델링하였다. 토션빔의 탄성 효과로 인한 자유도를 제외하고 모델의 전체 자유도는 8자유도이다 토션빔 후륜 현가기구의 ADAMS/ Car 모델을Fig.
이론/모형
- 이충 차선 변경 시험을 통하여 차량의 동 특성과 조종 안정성을 확인할 수 있다. 이 중 차선 변 경 시뮬레 이션은 ISO TR3888 규정에 따라 수행하였다. 각각의 경우에 대해서 횡 가속도(lateral acceleration), 롤 각, 요 각(yaw angle) 및 요 레 이 트(yaw rate)에 대해서 비교하여 Fig.
- 토션빔의 유한요소 모델은 Shell 요소인 Quad 4를 이용하였다. 토션빔을 좌우의 트레일링암에 부착하기 위하여 토션빔의 좌우를 하나의 노드(node)로 모아서 모델링하였다.
- 토션빔의 정규모드해석은 Superelement 기법을 이용하였고, 구속조건은 free-free로 하였다. 모드해석의 결과 파일을 이용하여 동역학 해석에서 필요한 MNF(Modal Neutral File) 파일을 만들었다.
성능/효과
- 1) 토션빔의 장착 위치를 설계변수로 하여 후륜 현 가장치의 K&C 특성을 개선 시킬 수 있었다
- 2) 최적설계 후 롤 각에 대한 캠버각은 17.44%가 개 선된 효과를 보였다.
- 3) 이 중 차선 변경 시뮬레이션을 통하여 최적설계 전과 후 차량의 동특성 변화를 비교하였고, 차체 거동이 개선 된 효과를 확인하였다.
- GA를 적용한 최적설계를 통하여 목적함수인 캠 버각을 19.44% 개선시킬 수 있었다. 최적설계 후 토각의 변화는 제한조건의 범위 내에서 존재하고 언더스티어 조건을 만족한다.
- 최적설계는 시스템이나 목적함수의 값에 따라서 유전 알고리듬의 최적의 파라미터는 달라질 수 있다. 교배율이 0.9일 때 목적함수는 6번 만에 수렴하고 목적함수의 값은 2.1785로 목적함수의 변화폭이 가장 큰 것으로 확인된다. 교배율 0.
- 현가장치 특성 최적설계를 검증하기 위한 방법으로 이 중 차선 변경(double lane change) 시뮬레이션 을 초기모델과 최적설계 후 모델에 대해서 각각 실 행하였다. 이충 차선 변경 시험을 통하여 차량의 동 특성과 조종 안정성을 확인할 수 있다. 이 중 차선 변 경 시뮬레 이션은 ISO TR3888 규정에 따라 수행하였다.
- 44% 개선시킬 수 있었다. 최적설계 후 토각의 변화는 제한조건의 범위 내에서 존재하고 언더스티어 조건을 만족한다. 롤 각 변화에 따른 현가장치 롤 속도는 최적설계 후 대략 8% 개선효과를 나타낸다.
후속연구
- 4) 현가장치의 기구학적 특성 및 컴플라이언스특성을 만족하는 최적설계를 통하여 현가장치 설계 및 개 발시간을 단축할 수 있을 것으로 기 대 된다.
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