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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 EEVC W/G 17 법규시험 방법을 기준으로 머리모형의 후드 상부 충돌에 대한 머리 상해치를 감소시킬 수 있는 후드 구조설계 방안을 제시하고자 돔(dome) 형상의 에너지 흡수 구조를 갖는 인너 패널(inner panel) 형상을 설계하 고 소재 구성을 변화시 켜가며 머리 모형 충돌특성을 대해 연구하였다.
- 법규에 준하여 HIC을 1000이하로 하고, 후드 외관 및 엔진룸 패키징상의 제약을 최소화하기 위해 인너 패널의 최대변위를 60mm 이하{자체기준)로 제한하면서 중량을 최대한 감소시키는 것을 설계 목표로 하였다.
- 제한된 변형거리 내에서 충돌에너지를충분히 흡수하여 머리 모형에 작용하는 반력의 크기를 감소시 키기 위해 인너 패널에 돔 형상의 포밍(Fig. 6)을 추가한 후드 구조에 대해 연구하였다.
제안 방법
- AL 1.0/1.0 모델의 B-line 충돌에서 인너패널 최 대변위가 크게 나오는 것을 감소시키기 위해 인너 패널의 두께를 1.2mm로 증가시킨 모델에 대해 해석 을수행하였다.
- 본 연구에서는 후드 패널의 소재와 두께를 변경하면서(Table 3) 머리모형 충돌에 의한 HIC와 인너 패널의 최대변위를 조사하였다. 강판재 적용 가능 성을 검토하기 위해 두께를 최소화한 강재 후드 모델에 대해 해석을 수행하였으며, 저강성 특성에 의한 충격흡수 성능 확보와 경량화를 위해 알루미늄 패널을 적용한 후드 모델에 대해 두께 구성을 3가지로 달리하여 해석을 수행하였다.
- 단면의 찌그러짐을 지연시키면서 아우터 패널과 인너 패널사이에서 충격에너지를 흡수하도록 에지 부 양 패널 사이 공간 전체에 폼을 충진한 모델(Fig. 23)을 구성하여 해석을 수행하였다.이'1)
- 머리모형 모델의 표피(vinyl skin)를 제외한 나머지 부분은 강체로 정의하였으며, 표피의 재료특성 은 식(2)의 고무 변형에너지 밀도 함수(w : rubber strain energy density function)를 정 의 한 LS-DYNA의 material type-27 (MOONEY - RIVLIN - RUBBER)을 사용하였으며, A값과 B값은 각각 0.8과 0.6을 적용 하였다.
- 변형에너지 증대를 위해 에지부 1/2 H (H : 에지 중심에서 인너, 아우터 패널 사이 거리) 위치에 알루 미늄 보강재(두께 0.7mm)를 추가하고 윗부분 혹은 아랫부분 공간에 폼을 충진한 모델에 대해 충돌해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 후드 패널의 소재와 두께를 변경하면서(Table 3) 머리모형 충돌에 의한 HIC와 인너 패널의 최대변위를 조사하였다. 강판재 적용 가능 성을 검토하기 위해 두께를 최소화한 강재 후드 모델에 대해 해석을 수행하였으며, 저강성 특성에 의한 충격흡수 성능 확보와 경량화를 위해 알루미늄 패널을 적용한 후드 모델에 대해 두께 구성을 3가지로 달리하여 해석을 수행하였다.
- 실차 충돌시험 조건에 가깝도록 앞서의 중앙부 충돌해석에 적용한 경계조건에 인너 패널의 에지부 아래에 20mm 거리(실제적으로 존재하는 인너패널 과 펜더부 사이의 거리와 머리모형 충돌 시 발생하는 펜더부의 변형을 고려한 가정)를 두고 강체판 (rigid plate)을 지지조건을 추가한 해석모델(Fig. 22) 에 대해 후드에 지부 충돌해석을 수행하였다.
- 아우터 패널과 인너돔 형상 포밍 사이의 접착제 적용 위치와 인너 패널과 보강재 사이의 점용접 위 치 들은 각각 Fig. 8, 9와 같으며, 접착부와 점용접 부에 해당되는 양쪽 절점들은 강체빔(rigid beam)으로 연결하여 변위를 상호 구속하였다. 가장자리 헤밍(hemming)부는 아우터 패널과 인너 패널의 두께를 더해 해당 요소의 두께로 입 력하였다.
- 아울러 큰 빔형 상 구조이며 바로 아래 강한 지지 구조물이 있어 보행자 머리 충돌 시 상해치가 높게 나타나는 후드 에지(edge)에 대해 형상 변화와 폼을 추가한 구조설계 기술을 연구하였다.
- 연구 대상 후드는 길이가 매우 짧은 형상으로 모든 부분이 어린이 머리모형 타격영역에 해당되므 로 어린이 머리모형을 Fig. 3과 같이 모델링하고(8 절점 솔리드 요소 3200개) 법규에서 정한 시험방법에 따라 머리 모형 모델의 타당성을 검증하였다.
- 전체 영역이 어린이 머리모형 타격영역에 해당되 므로EEVC W/G 17 법규 시험방법에 따라 머리모형 을 후드 영역에 지표면에 대해 50°의 각도를 갖고 40km/h의 속도로 후드 중앙부의 대표적 위치들을 각각 타격 하였다(Fig. 11).
- 중앙부 충돌해석 에서 가장 우수한 구조로 선정된 AL 1.0/1.0 모델을 대상으로 실차 에지부 지지상태를 모사한 경계조건을 추가하여 후드 에지부의 충격흡수 구조에 대한 연구를 수행하였다
- 2)을 초과하면 응력이 0이 되도록 재료특성 곡선을 직접 정의하여 파단 이후의 영향을 제거하는 방법 (drop off model)을 적용하였다. 폼은 8절점 솔리드 요소로 모델링 하였다.
- 후드의 길이가 짧아 대부분이 어린이 머리모형 충돌영역에 해당되므로 앞서의 기본연구7)에서 어린이 머리모형 충돌 시에 가장 유리한 것으로 평가된 포밍형상을 적용하였다.
- 중돌위치는 머리모형 이 향해서 날아가는 인너 패널 위치를 말하며, 충돌위치의 간격은 전후 135mm, 좌우 185mm로 하였다. 후드의 앞부분을 A-line, 뒷 부분을B-line로 칭하고 중앙을 번호 1, 에지에 가까운 위치를 번화로 하여 총 8곳 각각에 대해 머리모형을 충돌시켰다(Fig. 12).
대상 데이터
- 모든 구성부품은 4절점 셀 요소(Belytchko-Tsay shell element)를 사용하였으며, 인너 패널은 중앙부 (10900개)와 에지부 (5900개) 두개 부분으로 나누어 총 16800개의 요소로 구성하였고(Fig. 7) 아우터 패널은 7400개의 요소로 구성하였다.
이론/모형
- 24와 같다.10) 폼의 파단을 구현하기 위해, 앞서의 연구에서 타 당성이 검증된, 변형률(인장: 0.005, 압축: 0.2)을 초과하면 응력이 0이 되도록 재료특성 곡선을 직접 정의하여 파단 이후의 영향을 제거하는 방법 (drop off model)을 적용하였다. 폼은 8절점 솔리드 요소로 모델링 하였다.
- 해석은 비선형 상용 프로그램인 LS-DYNA를 사 용하였다.5,6)
성능/효과
- 1) 에지부 공간의 상부 1/3정도를 폼 충진한 구조가 후드에 지부 머리모형 충돌에 대응하는 가장 효과적인 구조이다
- 1) 인너 패널에 돔 형상포밍을 적용한후드는 기존 빔형 후드에 비중H HIC 1000을 만족하기 위해 필 요한 후드 아래 공간이 10mm 감소된다.
- 1/2 H 상부 폼 충진 모델에서 초기 가속도를 낮추고 그 이후에 발생하는 낮은 가속도 구간에서 폼이 에너지를 흡수할 수 있도록 상부의 1/3만 충진한 1/3 H 상부 폼 충진 모델(Fig. 27)에 대해 해석을 수행한 결과(Fig. 29, Table 5) 초기피크는 1/2 H 상부 폼 충진 모델과 비슷하지만HIC가 1900정도로 나타 나 기본모델에 비해 730 정도 낮게 나타나고 있어서 에지 충돌 시에 1/3 H 상부 폼 충진 모델이 매우 유리한 에지 보강구조임을 파악하였다.
- HIC는 2596으로 보강재만 추가한 모델보다도 40정도 크게 나타나고 있다. 1/2 H 하부 충진 모델의 경우는 1차 피크의 발생시간이 상부충진 모델보다 늦고 크기도 낮지만 인너와 강체판이 만나는 4Jms이후에 폼이 저항을 시작하여 400G가 넘는 가속도가 산출되고 HIC 값은 4100이상으로 매우 크게 산출되 었다.
- 2) HIC, 인너패널 최대변위 그리고 경량화의 모든 면에서 인너, 아우터 모두 두께 1.0mm의 알루미 늄 패널을 적용한 후드가 보행자 충돌안전 설계 목표에 가장 적합한 구조이 다.
- 구성된 머리모형 모델을 이용하여 시험에 준한 해석을 수행한 결과, 최대 가속도 크기가 448G로 머리 모형 타당성 시험 요구조건을 만족하였다.
- 먼저 보강재만의 영향을 파악하기 위해 보강재만을 추가한 보강재 추가 모델(Fig. 25)에 대해 해석한 결과(Fig. 29, Table 5) 1차 가속도 피크는 기본 모델 결과와 유사하였으며 보강재의 에너지 흡수로 HIC 가80정도 미미하게 감소하였다.
- 보행자 보호 대응 설계가 안 된 차량을 시험한 결과4)에 의 하면 시행 예정인 보행자 충돌 법규를 만족하는 비율이 다리 하부모형 4%, 다리 상부모형 0%, 어린이 머리모형 12%, 어른 머리모형 9%로써 매우 저조함을 보이고 있다. 따라서 현재의 차량 구조로 는EEVC에서 제시한 법규를 만족시키기 어려우며, 특히 보행자 사망사고의 대부분이 발생하는 후드 상부에의 머리충돌 법규에 대응하는 새로운 형태의 후드구조 설계기술을 요구한다.
- 2mm의 거리가 필요하다고 추정되었다. 본 해석 결과로부터 도출된 회귀식에서는 72mm 정도의 거리만 확보하면 HIC 가 1000을 만족할 수 있는 것으로 나타나 돔 형상 포밍 후드가 구조적으로 보행자 머리 충돌 안전성에 유리함을 알 수 있다.
- 인너패널 두께가 증가함에 따라 AL 1.0/1.0모델 에 비해 모든 충돌에서 최대변위가 감소한 대신 HIC가 증가되었다. B-line 충돌에서 최대변위는 6~14mm 정도 감소하였으나 HIC는 90-260 정도 높 게 산출되 었다.
- 해석결과(Fig. 29, Table 5), 1/2 H 상부 충진 모델 의 경우는 아우터 패널과 보강재 사이에 폼이 충진되어있어 완전 충진 모델에서처럼 가속도가초기에 250G 정도로 크게 산출되고 발생시간 또한 보강재 추가 모델보다 많이 당겨진 것을 확인할 수 있다. 또한, 3.
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