[논문]자동차 서스펜션 로워암의 모델링 보조시스템 개발

이태희; 신소영; 서창희; 권태우; 한승호

문제 정의

본 연구에서는 자동차 서스펜션 모듈 구성품 중 하나인 로워암(Lower Arm)을 대상으로 FE 모델링 보조시스템의 프로토타입을 개발하였다. 모델링 가이드가 시스템에 첨부되었고, 프로세스 자동화가 이루어져 비전문가에 의한 FE 모델링이 가능해졌으며, 이를 통한 모델링 Man-hour의 절감 및 모델링 기법 표준화를 달성할 수 있다.
본 연구에서는 자동차 서스펜션 모듈 구성품 중 하나인 로워암(Lower Arm)을 대상으로 FE 모델링 보조시스템의 프로토타입을 개발하였다. 모델링 가이드가 시스템에 첨부되었고, 프로세스 자동화가 이루어져 비전문가에 의한 FE 모델링이 가능해졌으며, 이를 통한 모델링 Man-hour의 절감 및 모델링 기법 표준화를 달성할 수 있다.
본 연구에서 CAD-CAE 인터페이스 구현시 가장 문제가 되는 3차원 솔리드 CAD 파일을 중립면(MidsurfMe)에 사각형 쉘요소로 변환시키는 CAE 모델링에 주목하였다. 대상체에 대한 CAD 파일은 CATIA 모델로서, 이를 MSC.
본 연구에서 CAD-CAE 인터페이스 구현시 가장 문제가 되는 3차원 솔리드 CAD 파일을 중립면(MidsurfMe)에 사각형 쉘요소로 변환시키는 CAE 모델링에 주목하였다. 대상체에 대한 CAD 파일은 CATIA 모델로서, 이를 MSC.
본 연구에서는 자동차 서스펜션 모듈 구성품 중 하나인 로워암의 구조해석 및 내구해석 과정에서 보다 쉽고 빠른 모델링 및 결과 검증이 가능하도록 하는 모델 링 보조시스템의 프로타입 을 개 발하였다.
본 연구에서는 자동차 서스펜션 모듈 구성품 중 하나인 로워암의 구조해석 및 내구해석 과정에서 보다 쉽고 빠른 모델링 및 결과 검증이 가능하도록 하는 모델 링 보조시스템의 프로타입 을 개 발하였다.

제안 방법

구조해석 이후 내구도해석이 이루어진다. 내구 특성치 및 경계조건이 부과되고 구조해석으로 얻어진 응력분포의 결과를 바탕으로 내구도해석을 수행한 후내구성 지수를 구한다. 내구성지수를 기준으로 제품의 형상변경이 요구되며, 이를 위해서는 앞서 설명한 내구도 해석절차를 반복수행해야 한다.
구조해석 이후 내구도해석이 이루어진다. 내구 특성치 및 경계조건이 부과되고 구조해석으로 얻어진 응력분포의 결과를 바탕으로 내구도해석을 수행한 후내구성 지수를 구한다. 내구성지수를 기준으로 제품의 형상변경이 요구되며, 이를 위해서는 앞서 설명한 내구도 해석절차를 반복수행해야 한다.
FE 모델링 보조시스템 프로토타입의 소프트웨어와 하드웨어의 요구사항은 아래의 Table 1과 같고, Windows 2000 SP3 이상과 Windows XP를 지원한다. MSC.Patran 2005의 GUI를 기반으로 하여 PCL (Patran Command Language)로 본 시스템을 구축하였다. 로워암의 구조해석과 고유진동해석을 위해 MSC.
Patran 2005의 GUI를 기반으로 하여 PCL (Patran Command Language)로 본 시스템을 구축하였다. 로워암의 구조해석과 고유진동해석을 위해 MSC.Nastran 또는 ANSYS를 솔버로 이용하고, 내구도해석을 위해 MSC.Fatigue를 활용하였다. 또한 엑셀 문서 형태의 해석보고서가 자동적으로 직성되는 환경을 포함한다.
Patran 2005의 GUI를 기반으로 하여 PCL (Patran Command Language)로 본 시스템을 구축하였다. 로워암의 구조해석과 고유진동해석을 위해 MSC.Nastran 또는 ANSYS를 솔버로 이용하고, 내구도해석을 위해 MSC.Fatigue를 활용하였다. 또한 엑셀 문서 형태의 해석보고서가 자동적으로 직성되는 환경을 포함한다.
솔리드이고, 3차원 메쉬를 원하는 경우에는 솔리드요소를 생성시킨다. 그리고 로워암 모델과 같이 3차원 솔리드 모델로부터 쉘요소를 생성시켜야 하는 경우에는 외곽 면을 추출하여 메쉬하고 중립면으로 Offset시키는 방법을 선택하도록 하였다. 그리고 이 경우에는 박판 형상의 두께를 입력하도록 하여 모델의 물성치가 생성되도록 한다.
솔리드이고, 3차원 메쉬를 원하는 경우에는 솔리드요소를 생성시킨다. 그리고 로워암 모델과 같이 3차원 솔리드 모델로부터 쉘요소를 생성시켜야 하는 경우에는 외곽 면을 추출하여 메쉬하고 중립면으로 Offset시키는 방법을 선택하도록 하였다. 그리고 이 경우에는 박판 형상의 두께를 입력하도록 하여 모델의 물성치가 생성되도록 한다.
로워 암 모델에 대해서 6개의 Loadcase(제동, 조향, 현가, 전후, 좌우, 상하운동)에 대해 구조해석 (Static Analysis)을 수행하고, 이를 입력 데이터로 하여 3가지 변동하 중 조건(전후, 좌우, 상하)의 내구도해석을 수행하였다.
로워암 모델에 대해서 6개의 Loadcase（제동, 조향, 현가, 전후, 좌우, 상하운동）에 대해 구조해석 （Static Analysis）을 수행하고, 이를 입력데이터로 하여 3가지 변동하중 조건（전후, 좌우, 상하）의 내구도해석을 수행하였다. 또한, 고유진동해석을 수행하여 4차 모드까지 확인하였다.
로워암 모델에 대해서 6개의 Loadcase（제동, 조향, 현가, 전후, 좌우, 상하운동）에 대해 구조해석 （Static Analysis）을 수행하고, 이를 입력데이터로 하여 3가지 변동하중 조건（전후, 좌우, 상하）의 내구도해석을 수행하였다. 또한, 고유진동해석을 수행하여 4차 모드까지 확인하였다. 먼저 구조해석 단계에서 4.
로워암 모델에 대해서 6개의 Loadcase（제동, 조향, 현가, 전후, 좌우, 상하운동）에 대해 구조해석 （Static Analysis）을 수행하고, 이를 입력데이터로 하여 3가지 변동하중 조건（전후, 좌우, 상하）의 내구도해석을 수행하였다. 또한, 고유진동해석을 수행하여 4차 모드까지 확인하였다. 먼저 구조해석 단계에서 4.
또한, 고유진동해석을 수행하여 4차 모드까지 확인하였다. 먼저 구조해석 단계에서 4.3절에서 설명한 바와 같이 부여된 하중조건에 따른 정적해석과 동시에 고유진동해석을 수행한다. 그리고 연속적으로 해석을 수행하여 구조해석 결과와 고유진동해석 결과를 확인할 수 있다.
또한, 고유진동해석을 수행하여 4차 모드까지 확인하였다. 먼저 구조해석 단계에서 4.3절에서 설명한 바와 같이 부여된 하중조건에 따른 정적해석과 동시에 고유진동해석을 수행한다. 그리고 연속적으로 해석을 수행하여 구조해석 결과와 고유진동해석 결과를 확인할 수 있다.
내구도해석은 구조해석의 결과를 이용하여 내구하중 및 물성조건 등을 부과한 내구해석용 입력파일을 생성하고, MSC.Fatigue를 이용하여 해석한 후에 그 결과를 확인한다. 이 과정에서 보고서에 포함시킬 결과를 그림파일로도 쉽게 저장할 수 있다.
내구도해석은 구조해석의 결과를 이용하여 내구하중 및 물성조건 등을 부과한 내구해석용 입력파일을 생성하고, MSC.Fatigue를 이용하여 해석한 후에 그 결과를 확인한다. 이 과정에서 보고서에 포함시킬 결과를 그림파일로도 쉽게 저장할 수 있다.
본 연구를 통하여 개발된 모델링 보一조시스템은 로워암 모델의 구조해석, 고유진동해석 및 내구도해석을 수행하기 위한 통합 시스템으로서 기존의 상용 프로그램 즉, CAD 프로그램이나 유한요소해석 전 • 후처 리 프로그램과 차별되는 특징들을 가지고 있다. 즉, 로워암 해석에 대한 전문가의 노하우를 바탕으로 해석 프로세스를 정립하여 이를 시스템에 적용한 점을들 수 있다.
본 연구를 통하여 개발된 모델링 보一조시스템은 로워암 모델의 구조해석, 고유진동해석 및 내구도해석을 수행하기 위한 통합 시스템으로서 기존의 상용 프로그램 즉, CAD 프로그램이나 유한요소해석 전 • 후처 리 프로그램과 차별되는 특징들을 가지고 있다. 즉, 로워암 해석에 대한 전문가의 노하우를 바탕으로 해석 프로세스를 정립하여 이를 시스템에 적용한 점을들 수 있다.
XML 및 Html 문서형식의 Drive Page를 통하여 전문가의 노하우를 바탕으로 한 모델링 가이드가 제공되어 FE 모델 링 표준화가 가능하게 되 었으며 , 3차원 CAD파일의 CAE를 위한 쉘요소로의 전환 및 용접요소의 생성과정을 자동화하여 CAE 작업의 Manhour# 대폭 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 내구해석을 위한 하중 • 경계조건의 부과 및 해석보고서 작성 부분도 자동화하여 자동차 부품모듈의 동시 공학적 다분야 성능 최적설계를 구현하기 위한 모델링 자동화기법의 기반을 마련하였다.

대상 데이터

본 연구의 대상체인 로워암은 자동차 서스펜션 모듈의 한 구성품으로서 자동차의 하단부에 장착되어 크로스멤버(Cross Member) 및 캐리어(Carrier) 등과 조립된다. 주행중 발생되는 진동을 흡수하여 완화하는 역 할을 함은 물론 휠얼라이먼트(Wheel Alignment)에 영 향을 주는 대단히 중요한 부품의 하나이다.
본 연구의 대상체인 로워암은 자동차 서스펜션 모듈의 한 구성품으로서 자동차의 하단부에 장착되어 크로스멤버(Cross Member) 및 캐리어(Carrier) 등과 조립된다. 주행중 발생되는 진동을 흡수하여 완화하는 역 할을 함은 물론 휠얼라이먼트(Wheel Alignment)에 영 향을 주는 대단히 중요한 부품의 하나이다.

성능/효과

또한, 특정 회사 제품이 아닌 다양한 제품군의 Solver(예, ANSYS)의 적용도 가능한 것으로 확인되었다.
또한, 전체 프로세스 중에서 자동화할 수 있는 부분은 대부분 자동화 처리를 함으로써 모델링 시간을 대폭 절감 할 수 있다. 실제, 실무작업자를 통한 해석시간과 개발된 시스템을 적용하여 소요되는 시간을 비교해 본 결과, 실무절차로는 8시간 이상의 시간이 소요되는데 비하여, 개발된 시스템으로는 단지 약 30〜60분 정도의 소요시 간이 필요하였다. 본 시스템의 적용을 통해 모델링 Man-hour의 절감효과가 매우 크다는 사실을 확인하였으며, 모델링 표준화도 달성할 수 있었다.
또한, 전체 프로세스 중에서 자동화할 수 있는 부분은 대부분 자동화 처리를 함으로써 모델링 시간을 대폭 절감 할 수 있다. 실제, 실무작업자를 통한 해석시간과 개발된 시스템을 적용하여 소요되는 시간을 비교해 본 결과, 실무절차로는 8시간 이상의 시간이 소요되는데 비하여, 개발된 시스템으로는 단지 약 30〜60분 정도의 소요시 간이 필요하였다. 본 시스템의 적용을 통해 모델링 Man-hour의 절감효과가 매우 크다는 사실을 확인하였으며, 모델링 표준화도 달성할 수 있었다.
실제, 실무작업자를 통한 해석시간과 개발된 시스템을 적용하여 소요되는 시간을 비교해 본 결과, 실무절차로는 8시간 이상의 시간이 소요되는데 비하여, 개발된 시스템으로는 단지 약 30〜60분 정도의 소요시 간이 필요하였다. 본 시스템의 적용을 통해 모델링 Man-hour의 절감효과가 매우 크다는 사실을 확인하였으며, 모델링 표준화도 달성할 수 있었다. 또한, 특정 회사 제품이 아닌 다양한 제품군의 Solver（예, ANSYS）의 적용도 가능한 것으로 확인되었다.
실제, 실무작업자를 통한 해석시간과 개발된 시스템을 적용하여 소요되는 시간을 비교해 본 결과, 실무절차로는 8시간 이상의 시간이 소요되는데 비하여, 개발된 시스템으로는 단지 약 30〜60분 정도의 소요시 간이 필요하였다. 본 시스템의 적용을 통해 모델링 Man-hour의 절감효과가 매우 크다는 사실을 확인하였으며, 모델링 표준화도 달성할 수 있었다. 또한, 특정 회사 제품이 아닌 다양한 제품군의 Solver（예, ANSYS）의 적용도 가능한 것으로 확인되었다.
본 시스템의 적용을 통해 모델링 Man-hour의 절감효과가 매우 크다는 사실을 확인하였으며, 모델링 표준화도 달성할 수 있었다. 또한, 특정 회사 제품이 아닌 다양한 제품군의 Solver（예, ANSYS）의 적용도 가능한 것으로 확인되었다.
XML 및 Html 문서형식의 Drive Page를 통하여 전문가의 노하우를 바탕으로 한 모델링 가이드가 제공되어 FE 모델 링 표준화가 가능하게 되 었으며 , 3차원 CAD파일의 CAE를 위한 쉘요소로의 전환 및 용접요소의 생성과정을 자동화하여 CAE 작업의 Manhour# 대폭 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 내구해석을 위한 하중 • 경계조건의 부과 및 해석보고서 작성 부분도 자동화하여 자동차 부품모듈의 동시 공학적 다분야 성능 최적설계를 구현하기 위한 모델링 자동화기법의 기반을 마련하였다.
XML 및 Html 문서형식의 Drive Page를 통하여 전문가의 노하우를 바탕으로 한 모델링 가이드가 제공되어 FE 모델 링 표준화가 가능하게 되 었으며 , 3차원 CAD파일의 CAE를 위한 쉘요소로의 전환 및 용접요소의 생성과정을 자동화하여 CAE 작업의 Manhour# 대폭 절감하는 효과를 얻을 수 있다. 또한, 내구해석을 위한 하중 • 경계조건의 부과 및 해석보고서 작성 부분도 자동화하여 자동차 부품모듈의 동시 공학적 다분야 성능 최적설계를 구현하기 위한 모델링 자동화기법의 기반을 마련하였다.

후속연구

향후 5개 정도 업체로의 재편이 예상되는 자동차 세계시장에서 생존을 위한 자동차 완성차 업체와 부품업체간의 역할의 재조정이 불가피하다. 완성차 업체는 경쟁력 강화 및 경영의 합리화를 위하여 종래와는 달리 부품개발의 많은 부분을 1차 납품업체에게 Outsourcing하고 있다.
향후 5개 정도 업체로의 재편이 예상되는 자동차 세계시장에서 생존을 위한 자동차 완성차 업체와 부품업체간의 역할의 재조정이 불가피하다. 완성차 업체는 경쟁력 강화 및 경영의 합리화를 위하여 종래와는 달리 부품개발의 많은 부분을 1차 납품업체에게 Outsourcing하고 있다.
이와 같이 시스템은 최근 들어 자동차 관련 기업들이 추구하고자 하는 가상제품개발[4](VPD : Virtual Product Development)환경, 즉 제품 개발에 있어서 해석적 방법을 이용하여 설계 초기 단계에서부터 제품의 성능 평가 및 신뢰성 확보를 통해 설계기간 단축 및 우수한 품질의 제품을 생산할 수 있는 환경을 추구하는 방향과 잘 부합된다고 볼 수 있으며, 나아가 다른 샤시 부품들에 대한 해석도 가능하다면 그 효과를 극대화할 수 있다고 사료된다.
이와 같이 시스템은 최근들어 자동차 관련 기업들이 추구하고자 하는 가상제품개발何（VPD : Virtual Product Development）환경, 즉 제품 개발에 있어서 해석적 방법을 이용하여 설계 초기 단계에서부터 제품의 성능 평가 및 신뢰성 확보를 통해 설계기간 단축 및 우수한 품질의 제품을 생산할 수 있는 환경을 추구하는 방향과 잘 부합된다고 볼 수 있으며, 나아가 다른 샤시부품들에 대한 해석도 가능하다면 그 효과를 극대화 할 수 있다고 사료된다.

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