[논문]충격성능 및 보행자 보호규제를 만족하는 범퍼 단면결정 설계기술 개발 (CAD/CAM 활용을 위한)

강형선

충격성능 및 보행자 보호규제를 만족하는 범퍼 단면결정 설계기술 개발 (CAD/CAM 활용을 위한)
Development of Design Method for a Bumper Cross-section Satisfying Protection Requirements for Car Body and Pedestrian (Using CAD/CAM) 원문보기

자동차 범퍼시스템은 자동차의 외형을 결정할 뿐만 아니라 충격으로부터 차체와 보행자를 보호하는 중요한 역할을 수행한다. 본 연구에서는 범퍼시스템을 해석하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션이나 충격테스트에 의존하지 않고 효과적으로 범퍼시스템을 설계하기 위한 설계기술을 개발하였다. 이를 위해서 차체를 외부 충격으로부터 보호하기 위해 충분한 강도 및 강성을 확보해야 한다는 것과 동시에 충돌 시 보행자 보호를 위해 충분한 연성을 확보해야 하는 조건을 만족시킬 수 있는 빔의 단면과 폼의 두께 또는 물성을 결정해야 한다. 본 연구에서는 설계자가 설계 초기단계에서 위의 제약 조건들을 만족하는 최적의 범퍼구조를 신속하게 결정할 수 있는 신뢰성 있는 설계기술을 개발하였다.

The importance of bumper system lies not only in the styling of vehicles, but also in the protection of vehicles and pedestrians from reasonable impact. In this study, we proceed to search a method for efficient bumper system without using the impact test and the computer simulation to analyze the bumper system. In the process of the research, we proposed the each method that is used to search the shape that satisfy each regulations in first, because bumper's dimensions to satisfy 'vehicle protection' regulations and form's dimensions to satisfy ‘pedestrian protection' regulations are difficult to exist together. After that we proposed the calculate method and design algorithm that is used to search a reasonable point satisfying the two regulations together.

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문제 정의

따라서 이상과 같은 규제조건을 만족시킬 수 있는 설계방안을 제시하는 것이 본 연구의 목표로 다음과 같이 요약할" 수 있다.
보행자 충돌의 경우를 묘사해 보기 위해서는 범퍼 빔표면에 완충재를 충진 시켜 하중에 따른 변위 거동을 보기 위하여 본 연구에서는 앞서 [그림 3]에 보인 범퍼시험기를 사용하여 완충재가 보완된 합성보의 굽힘 실험을 시도해 보았다. 사용한 완충재는 100乙X100乙x30t 크기의 폴리프로필렌(PP)계 폼 패드(foam Pad)를 사용하였다.
본 연구에서는 설계자가 설계초기단계에서 위의 제약조건들을 만족하는 최적의 범퍼구조를 신속하게 결정할 수 있는 신뢰성 있는 설계기술을 개발 하였다. 또한 실험과 유한요소 해석을 통하여 연구결과의 타당성을 입증하였다.

제안 방법

사용한 완충재는 100乙X100乙x30t 크기의 폴리프로필렌(PP)계 폼 패드(foam Pad)를 사용하였다. 이 패드를 범퍼의 중앙부위에 章착한 상태에서 평판으로 하중을 가하여 변형 거동을 고찰하였다. [그림 6]은 밀도가 비교적 큰 15배 팽창 폼이 부착된 범퍼의 거동을 보인 것으로 초기 폼 패드의 압축단계 에서는 폼의 변형 거동이 우선 진행되고 폼이 완전히 압축 밀착된 뒤부터는 (변위가 약 25m初이상 진전된 경우) 범퍼의 강성에 의존하여 거동하는 것을 볼 수 있다.

대상 데이터

보았다. 사용한 완충재는 100乙X100乙x30t 크기의 폴리프로필렌(PP)계 폼 패드(foam Pad)를 사용하였다. 이 패드를 범퍼의 중앙부위에 章착한 상태에서 평판으로 하중을 가하여 변형 거동을 고찰하였다.

성능/효과

그 결과 직선보와 곡선보 에서의 이론값이 거의 같기 때문에 범퍼를 직선보로 간주해도 됨을 알 수 있고, 이론 해석값에 비해 실험값의 변위량이 더 큰 것은 실험 시 접촉부의 국부 변위량이 동반되기 때문인 것으로 추정된다. 그러나 이론 계산값과 유한요소해석, 실험값의 변화 추이가 매우 유사한 결과를 보이므로 해석기법의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
실험 결과 폼 패드를 제거한 범퍼만의 강성은 매우 큰 값 ( 2254M 物«)임을 알 수 있다. 또한 보행자 충돌을 묘사해 보기 위해서는 폼과 빔의 합성된 강성이 중요하며, 실험적으로 보았을 때 두께 의 폼 패드를 사용했을 경우 폼이 완전히 밀착되어 기능을 상실하게 되는 25所初정도의 변위까지가 보행자 안전에 기여할 것으로 보인다. 이를 좀 더 고찰하여 보기위해 15배 팽창된 폼의 경우를 보면, 폼이 초기 5mm정도 압축되는데 32002V 의 하중이 작용하였고 25所初까지 변형하는 데는 6300N의 하중이 작용되었으며 0~5m彻 변형 구간사 kbi — 640 Nl mm이었고bi = 1*/ 55A 이의 초기강성은 5 ~ 25 mm 변형 구간에서의 강성은 , , 奶이었다.
범퍼를 해석함에 있어 직선보로 간주하여 해석하는 것이 타당 할 것인가 곡선보(curved beam)로 가정하여 해석하는 것이 타당 할 것인가는 [그림 1]에서와 같이 보의 단면 높이를 d라 하고 중립선의 회전반경을 R이라 했을 때, 일반적으로 R[d8인 경우는 직선보로 간주하여도 무방하다'丄 문헌[2] 에서는 범퍼를 직선보로 간주하여 이론해석을 했는데, 본 연구에서는 [그림 2]와 같은 실물범퍼와 같은 경우를 곡선보(只/8言<8.3)로 간주하는 것이 더 타당할 것으로 보인다.
실험결과를 보면 주로 5mm 에서부터 25所折의 변형구간 사이에서 폼이 압축되면서 합성된 기울기가 폼의 밀도에 따라 변화함을 볼 수 있다. 실험 결과 폼 패드를 제거한 범퍼만의 강성은 매우 큰 값 ( 2254M 物«)임을 알 수 있다. 또한 보행자 충돌을 묘사해 보기 위해서는 폼과 빔의 합성된 강성이 중요하며, 실험적으로 보았을 때 두께 의 폼 패드를 사용했을 경우 폼이 완전히 밀착되어 기능을 상실하게 되는 25所初정도의 변위까지가 보행자 안전에 기여할 것으로 보인다.
연구 결과 5마일 충돌 에너지를 흡수하는 것이 중요한가 아니면 보행자 보호가 우선 인가를 먼저 정하고 우선순위에 따라 각부의 치수와 강도를 정해가는 것이 바람직할 것이다. 특히 보행자 충돌의 경우에는 보행자의 부상 정도를 예측할 수 있는 연구를 선행한 다음 설계과정을 정립하는 것이 바람직할 것으로 보인다.

후속연구

보행자 우선의 경우에는 폼에서 흡수될 수 있는 에너지가 클수록 유리하다고 할 수 있는데, 40 Kph 속도에서 충돌 시 부상의 정도가 폼에서 흡수되는 에너지 값의 크기에 따라 어떤 차이가 있는지가 명료하게 밝혀져 있지 않기 때문에 근거 있는 치수 결정이 쉽지 않으나 폼이 두꺼울수록 접촉부에서의 응력이 분산될 것이므로 향후 충돌해석을 묘사해서 부상정도를 예측하여 참고 자료로 삼고 기준을 잡는 것이 타당할 것으로 보인다.
것이다. 특히 보행자 충돌의 경우에는 보행자의 부상 정도를 예측할 수 있는 연구를 선행한 다음 설계과정을 정립하는 것이 바람직할 것으로 보인다.

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