[논문]차량 부품의 내구도 해석과 실험의 비교

박동운; 박수진; 유완석

[국내논문] 차량 부품의 내구도 해석과 실험의 비교
Durability Analysis and Experiments of a Vehicle Component 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.15 no.2, 2007년, pp.28 - 34

박동운 (부산대학교 기계설계공학과) , 박수진 (국방기술품질원) , 유완석 (부산대학교 기계공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

In design stage of vehicles, the application of virtual durability analysis techniques enables us to cut down the necessary time and cost to carry out various physical experiments. In this study, computer simulations of vehicle suspensions were carried out with DADS program including component flexibility, and the durability analysis of vehicle components was executed with MSC/Fatigue program using the load history obtained from vehicle dynamic simulation. Driving test of a vehicle was also carried out to obtain precise input data for the durability analysis, and the results of virtual durability analysis were compared to those of experiments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

내구해석 과정에서 전차량 동역학 해석은 각 부품에 작용하는 하중이력을 차량 시험을 실시하지 않고 추출하기 위하여 수행된다. 차량이 주행할 때 지면으로부터 전달되는 힘은 각 부품을 거쳐 차량 전체에 영향을 끼친다.
타이어 모델의 경우 지면의 마찰과 고무의 비선형특성 그리고 공기 압력과 같은 많은 비선형 요소들로 인해 그 모델링이 매우 어렵다. 따라서 이러한 비선형적 특성을 주파수 응답함수를 이용하여 선형적 응답모델에 적용할 수 있는 비선형 성질을 내포한 가상노면을 재구성하여 타이어의 응답 특성을 나타내고자 한다.

가설 설정

본 논문에서는 내구해석을 위해 시판중인 차량을 선정하고 차량의 각 부품을 강체로 가정하여 모델링 하였다. 로우 컨트롤 암의 내구해석을 위해 필요한 부품들은 탄성체로 모델링하여 동역학 해석을 수행하여 각 조인트에 걸리는 반력을 추출하였다.

제안 방법

1) 자동차 부품 중에서 로우 컨트롤 암을 선정하여 유한 요소 해석을 수행하여 이를 전차량 동역학 해석한 후 얻어진 하중이력으로 부품의 내구수명을 계산하는 과정으로 내구해석을 수행하고 부품의 내구 수명 해석 절차를 확립하였다. Fig.
1-3) 이를 위하여 부품의 탄성효과까지 고려한 탄성 다물체 동역학 해석과 유한 요소 해석 및 전산 내구 해석을 수행하였다. 그리고 근사화한 4채널 가진 시스템을 구성하고 시스템의 주파수 응답함수를 구하여 실차 실험에 의한 가속도 데이터를 이용하여 가상노면을 재구성하였다.
3) 시험적으로 부품의 내구수명을 평가하여 내구 해석 결과와 비교함으로써 내구해석 결과와 시험 결과의 상관관계를 분석하였다. 시험에서 파손된 부위와 해석을 통해서 얻어진 부품의 예상 파손 위치는 거의 일치하였다.
를 이용하였다. ANSYS에 의한 응력 해석 결과와 주행 시뮬레이션을 통한 하중이력을 각각의 축 방향에 대해서 구성하고 다축 피로해석을 수행하였다.
따라서 내구해석 기술의 활용성 평가와 하중조건에 의한 내구 특성 평가를 위한 본 연구의 목적을 달성하기 위해서 가속내구시험이 필요하게 되었다. 가속내구시험은 동하중 이력 데이터 상호간의 동시성 제약을 최소화하기 위해 단축하중에 대해서만 수행하였다.^8,9)
추출된 하중 데이터를 MTS사의 RPC 소프트웨어를 사용하여 시험기 특성에 맞게 재구성하는 과정에서, 가중치를 부여하여 시험시간을 단축하였다. 가중치는 RPC 프로그램을 사용하여 데미지와 피로수명을 산출하여 설정하였다. 부품의 특성을 고려하여 수렴을 시키는 작업은 실시하였고, 수렴 목표는 RMS Error 5%이내로 하였다.
^1-3) 이를 위하여 부품의 탄성효과까지 고려한 탄성 다물체 동역학 해석과 유한 요소 해석 및 전산 내구 해석을 수행하였다. 그리고 근사화한 4채널 가진 시스템을 구성하고 시스템의 주파수 응답함수를 구하여 실차 실험에 의한 가속도 데이터를 이용하여 가상노면을 재구성하였다. 또한 차량 주행 시험을 수행하고 이로부터 얻어진 신호를 바탕으로 현가 부품에 대한 내구 시험을 수행하였고, 이를 가상 내구 시험에 대한 결과와 비교하였다.
내구시험은 내구모드 재현 신호를 이용하여 로우 컨트롤 암(lower control arm)을 단축 재현 하중조건으로 종방향(longitudinal)에 대해 3개의 시료를 사용하여 수행하였다. 이때 가진 변위가 초기 최대 변위에 비해 5mm이상이 되었을 때 파손이 발생한 것으로 간주하였다.
이때 가진 변위가 초기 최대 변위에 비해 5mm이상이 되었을 때 파손이 발생한 것으로 간주하였다. 내구해석은 내구시험에 사용된 가속내구시험용 하중 조건을 사용하여 MSC/Fatigue를 이용하여 수행하였다.
그리고 근사화한 4채널 가진 시스템을 구성하고 시스템의 주파수 응답함수를 구하여 실차 실험에 의한 가속도 데이터를 이용하여 가상노면을 재구성하였다. 또한 차량 주행 시험을 수행하고 이로부터 얻어진 신호를 바탕으로 현가 부품에 대한 내구 시험을 수행하였고, 이를 가상 내구 시험에 대한 결과와 비교하였다.
본 논문에서는 내구해석을 위해 시판중인 차량을 선정하고 차량의 각 부품을 강체로 가정하여 모델링 하였다. 로우 컨트롤 암의 내구해석을 위해 필요한 부품들은 탄성체로 모델링하여 동역학 해석을 수행하여 각 조인트에 걸리는 반력을 추출하였다.
본 연구에서는 자동차 현가모듈에 대한 모델링을 수행하고 탄성체를 이용한 다물체 동역학(flexible multibody dynamics) 해석으로부터 동특성에 의한 조인트 반력을 추출하여 가상내구해석을 수행하였다.
주행 시뮬레이션은 실험을 통한 조인트 반력 측정을 대신하는 것으로서 복잡한 실험시스템이나 많은 센서를 요하는 실험의 비효율적 절차를 개선할 수 있다. 본 연구에서는 차량동역학 해석을 수행한 뒤 다물체 동역학 해석기법에 의한 조인트 반력을 계산해 내어 이를 하중이력으로 사용하여 차량부품의 내구성을 해석하였다.⁶⁾
3을 가지는 연강이며, 부싱이 장착되어 있는 조인트 부위에는 구속되는 자유도를 고려하여, 각 부싱의 축 방향 자유도를 제외한 나머지를 구속하여서 경계조건을 부여 하였다. 요소데이터와 진동모드, 변형형상에 대한 결과 데이터 등을 DADS Flex를 통해 입력하여, 기존의 강체 모델을 탄성체 모델로 교체하였다. Fig.
보정된 Y(f)값과 구해진 H^-1에 의해 첫번째가상노면이 만들어진다. 첫번째 가상노면을 이용한 모델의 가속도응답과 실험에서의 가속도응답을 비교하여 오차 값을 보정하여 다시 노면을 재구성한다. 이러한 과정을 되풀이함에 따라 가상노면에서의 휠의 가속도 응답은 실험에서의 응답으로 근접해 간다.
^10,11) 또한 로우 컨트롤 암의 부시(bush) 대신 공업용플라스틱(engineering plastic)을 장착하여 경화문제와 높은 주파수 대역에서의 가진 입력에 대한 응답 특성을 높일 수 있었다. 추출된 하중 데이터를 MTS사의 RPC 소프트웨어를 사용하여 시험기 특성에 맞게 재구성하는 과정에서, 가중치를 부여하여 시험시간을 단축하였다. 가중치는 RPC 프로그램을 사용하여 데미지와 피로수명을 산출하여 설정하였다.

대상 데이터

내구해석을 위한 차량모델은 차체와 서스펜션을 포함한 모델이다. Fig.
프로그램을 사용하여 응력해석을 수행하였다. 로우 컨트롤 암의 재질은 탄성계수 21,000kgf/mm², 프와송비 0.3을 가지는 연강이며, 부싱이 장착되어 있는 조인트 부위에는 구속되는 자유도를 고려하여, 각 부싱의 축 방향 자유도를 제외한 나머지를 구속하여서 경계조건을 부여 하였다. 요소데이터와 진동모드, 변형형상에 대한 결과 데이터 등을 DADS Flex를 통해 입력하여, 기존의 강체 모델을 탄성체 모델로 교체하였다.
그리고 각 서스펜션의 부품에는 부싱 모델이 적용되었다. 모델링된 차량은 총 28자유도를 가진다.

데이터처리

로우 컨트롤 암은 10,810개의 쉘(shell)요소로 모델링을 수행하였고, ANSYS5) 프로그램을 사용하여 응력해석을 수행하였다.
피로해석은 상용 프로그램인 MSC/Fatigue⁷⁾를 이용하였다. ANSYS에 의한 응력 해석 결과와 주행 시뮬레이션을 통한 하중이력을 각각의 축 방향에 대해서 구성하고 다축 피로해석을 수행하였다.

이론/모형

가속내구시험을 위한 하중데이터는 차량시험과 4가지 주행조건 시뮬레이션을 통하여 얻어진 하중 이력 데이터를 중첩하는 과정에서 손상도에 영향을 미치지 않는 미소하중을 제거하는 무효진폭 제거법을 사용하여 추출하였다.^10,11) 또한 로우 컨트롤 암의 부시(bush) 대신 공업용플라스틱(engineering plastic)을 장착하여 경화문제와 높은 주파수 대역에서의 가진 입력에 대한 응답 특성을 높일 수 있었다.
각 서스펜션은 샤시에 연결되어 있고 우선 모든 부품은 강체로 모델링하였다. 그리고 각 서스펜션의 부품에는 부싱 모델이 적용되었다. 모델링된 차량은 총 28자유도를 가진다.
주행 시뮬레이션에 사용한 타이어는 DADS Full 타이어 모델이며 모델링에 필요한 타이어 강성과 감쇠상수 그리고 마찰에 관한 계수들은 표준수치를 사용하였고 차체에 사용한 부싱 모델은 선형 부싱 모델을 사용하였다.

성능/효과

급커브 시뮬레이션에서는 30km/h의 속도로 주행하는 차량에 사인(sine)파 형태의 급격한 조향을 입력할 때 약 3,000N의 힘이 지속적으로 로우 컨트롤 암에 작용하는 것을 알 수 있다. 8초 이후 나타나는 반력은 조향 휠을 원위치 시키는 과정에서 차체가 반대방향으로 치우치며 발생하는 반력이다.
전산 내구 해석의 결과는 4,486cycle로서 시험 평균치 3,760cycle과 비교하여 19.3%의 오차를 보였다. 이 오차는 표면의 용접 부위 등에 대한 경계조건 부여방법에 의한 오차가 내구수명에 영향을 준 것으로 보인다.

후속연구

2) 가진 입력조건을 구성하고 부품의 유한요소 해석을 바탕으로 피로이론을 응용한 내구해석 기법을 적용하면, 많은 수요가 요구되는 자동차 및 차량부품들에 대한 내구성과 그 성능의 향상이 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	타이어 모델을 모델링하는 것이 어려운 이유는?	모듈단위의 성능 해석을 위해서는 시스템의 비선형적인 특성을 정확히 표현 할 수 있어야 하고, 이를 위해서는 주파수와 진폭에 따라 가장 큰 비선형 특성을 나타내는 부싱과 타이어의 정확한 모델이 요구된다. 타이어 모델의 경우 지면의 마찰과 고무의 비선형특성 그리고 공기 압력과 같은 많은 비선형 요소들로 인해 그 모델링이 매우 어렵다. 따라서 이러한 비선형적 특성을 주파수 응답함수를 이용하여 선형적 응답모델에 적용할 수 있는 비선형 성질을 내포한 가상노면을 재구성하여 타이어의 응답 특성을 나타내고자 한다.
	자동차 설계단계에서 가상내구시험 기법을 응용하는 것은 어떤 효과를 가져오나요?	이를 위한 방법으로 컴퓨터를 이용한 가상공간에서의 시뮬레이션은 자동차 산업 전반에 활발히 사용되고 있다. 특히 자동차 설계단계에서 가상내구시험 기법을 응용하는 것은 부품 및 조립품 전체의 내구성능을 예측하여 다른 설계 분야에 비해 상대적으로 많은 시간이 소요되는 내구성능 시험 기간을 단축함은 물론이고, 내구 성능 향상에 큰 효과를 가져 올 수 있을 것이다.
	국산 자동차의 개발 및 제조 기술이 경쟁력을 확보하기 위한 중요한 과제 중 하나는 무엇인가요?	국산 자동차의 개발 및 제조 기술은 많은 발전을 거듭하여 승차감과 조종 안정성 등 많은 부분에서 선진국과 대등한 수준에 이르렀다. 하지만 지속적인 자동차 산업의 경쟁력을 확보하기 위해서는 빠르게 변화하는 시장의 요구에 맞는 상품을 얼마나 시기적절하고 값싸게 공급하느냐가 매우 중요한 과제로 부각되었다. 이를 위한 방법으로 컴퓨터를 이용한 가상공간에서의 시뮬레이션은 자동차 산업 전반에 활발히 사용되고 있다.

참고문헌 (11)

H. S. Kim, C. B. Kim and H. J. Yim, 'Computer Integrated Method for Durability Design and Estimation of a Vehicle Body Structure,' Fall Conference Proceedings, KSAE, pp.1061- 1068, 2001
H. S. Kim and N. G. Cho, 'A Study on the Computational Durability Simulation Method,' Fall Conference Proceedings, KSAE, pp.302- 308, 1996
S. H. Kim, D. H. Jung and S. B. Lee, 'The Study of Signal Analysis and Editing For Component Durability Test,' Spring Conference Proceedings, KSAE, pp.434-439, 1999
DADS 8.0 Manual, CADSI, 1998
ANSYS, User's Manual Revision 5.5
J. H. Lee, K. S. Kim, J. H. Sohn and W. S. Yoo, 'Development of Four Channel Vibrating System for the Virtual Driving Simulation,' Fall Conference Proceedings, KSAE, pp.507-511, 2002
MSC. Fatigue V9, User's Guide
H. K. Min, J. A. Jung and I. Y. Yang, 'Accelerated Durability Analysis of Suspension System,' Transactions of KSAE, Vol.10, No.5, pp.168-173, 2002
S. H. Son and S. J. Heo, 'Virtual Durability Test Procedures and Applications on Design of a Vehicle Suspension Module,' Transactions of KSAE, Vol.10, No.5, pp.168-173, 2003
J. H. Yoon, S. J. Heo and J. S. Lim, 'Durability of Life Prediction Analysis and Optimized Design of a Wheel Suspension Control Arm Based on the Accelerated Durability Test Technique,' Fall Conference Proceedings, KSAE, pp.1075-1080, 2001
B. H. Min and W. W. Jung, 'Design Method of Test Road Profile for Vehicle Accelerated Durability Test,' Transactions of KSAE, Vol.2, No.1, pp.128-141, 1994

원문보기 상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증