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문제 정의
- VTL 모델은 유연체 동역학 모델에 노면 하중을 입력하여 동하중 이력을 추출하기 위한 목적으로 구성하였다. 이를 위해 기존 유연체 동역학 모델에서 파워트레인과 제동장치 서브시스템을 제거하고 ADAMS/Car Ride를 이용하여 4축 테스트리그(4-Post Testrig)를 추가하여 Fig.
- 따라서, 본 논문에서는 MSM을 이용한 군용 소형 트럭의 내구 성능 평가 방법을 제시하였다. 우선 국방과학연구소 기동시험장에서의 노면 하중이력 계측시험을 실시하여 동하중 이력의 주파수 특성을 분석하였다.
제안 방법
- 1) 군용 소형트럭의 노면 하중이력 계측, VTL 해석 모델 구축 및 동하중 이력해석, 그리고 MSM 내 구해석 기법을 통해 내구수명 예측 프로세스를 정립하였다.
- 전후륜 현가장치 모델의 신뢰성을 검토하기 위해 실차 현가장치의 각종 기구정역학 특성들을 추출해주는 SPMD 시험을 수행하여 해석결과와 비교하였다. SPMD 시험은 전후축중 분포 및 최대 휠 수직변위를 고려하여 수직 운동, 롤 운동, 코너링, 제동, 조향시와 같은 5가지 조건에서 수행되었다. 전후륜 현가장치의 해석 및 시험결과 중 내구 성능에 가장 영향을 미치는 휠 레이트 특성에 대해 각각 Fig.
- 강체 모델링된 차체를 유연체로 변환하기 위해 검증된 트림 차체 유한요소모델의 고유 진동 모드 정보를 ADAMS/Car에서 사용 가능한 고유 진동 모드 정보로 변환시켜주는 MNF(Modal Neutral File)를 추출하였다. 그 후 트림 차체 MNF을 이용하여 유연 차체 서브시스템을 구성하고 타 서브시스템들과 어셈블리하여 유연체 동역학 모델을 구성하였다.
- 주행시 차량은 구속조건이 존재하지 않으면서 노면 하중을 받는 상태이므로, 선형 탄성 구조해석시 차량 구조물의 질량 관성(Mass inertia)을 계산하여 경계조건으로 이용하는 관성 제거 해석(Inertia relief analysis) 방법을 적용하였다. 관성 제거 해석의 경계 조건으로는 트림 차체와 샤시가 연결되는 12개소 마운팅 위치에 x, y, z방향의 단위하중을 부가하여 총 36가지 조건을 고려하였으며, 해석 결과 위치 및 방향에 알맞은 응력 텐서(Tensor)를 계산하였다. 또한, 동하중 이력해석을 통해 관성 제거 해석조건과 동일한 위치에서 36가지 하중이력을 계산한 후, 각 경우의 응력 텐서와 하중 이력을 결합하여 36가지 하중이력이 동시에 작용하는 응력 이력의 합을 산출하여 내구수명을 구하게된다.
- 구해진 노면 변위 이력을 이용해 동하중 이력 해석을 수행하기에는엄청난 해석시간과 데이터 량이 소요되므로, 실차 내구시험 거리의 약 0.1%에 해당하는 반복 패턴 구간 데이터를 추출하여 VTL 모델에 입력하였다. 그리고, 동하중 이력 해석을 수행하여 해석결과와 시험결과를 상호비교하였으며, Fig.
- 군용 소형트럭의 B.I.W 유한요소모델에 주요 트림 중량(Trim mass)와 전면 유리창 접착 강성을 고려한 트림 차체 모델링을 수행하였고, 모드시험과 고유 진동 해석의 상관관계 분석을 통해 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 신뢰성 있는 해석모델을 구성하였다. 해석모델에 고려된 주요 트림 중량은 밴바디, 엔진+TM, 시트, 윈치 등이며, 총 요소 수는 235,614개이다.
- 군용 소형트럭의 내구수명을 예측하기 위해 MSM 내구해석 및 정적 내구해석 2가지 방법을 적용하여 과거 파손 이력과 해석결과를 비교하는 과정에서 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 강체 모델링된 차체를 유연체로 변환하기 위해 검증된 트림 차체 유한요소모델의 고유 진동 모드 정보를 ADAMS/Car에서 사용 가능한 고유 진동 모드 정보로 변환시켜주는 MNF(Modal Neutral File)를 추출하였다. 그 후 트림 차체 MNF을 이용하여 유연 차체 서브시스템을 구성하고 타 서브시스템들과 어셈블리하여 유연체 동역학 모델을 구성하였다.
- 또한, 실차 모달시험 결과와 고유 진동 해석결과를 비교하여 신뢰성 있는 트림 차체(Trimmed body) 유한요소모델을 구축하였고, SPMD(Suspension Parameter Measuring Device) 시험결과와 현가장치 해석모델의 기구정역학특성을 비교하여 신뢰할 만한 유연체 동역학 해석모델을 구축한 후 VTL(Virtual Test Lab) 모델을 구성하였다. 그리고, 동하중 이력해석을 통해 주요 마운팅부 동하중 이력을 계산한 후, MSM 내구해석을 수행하여 내구 수명을 예측하였다. 마지막으로 정적 내구해석 결과와 MSM 내구해석 결과를 종전 내구 문제점 결과와 상호 비교하여 MSM 내구해석 기법의 타당성을 검증하였다.
- 내구해석 대상차량인 신형 소형트럭의 노면 하중 계측시험은 Table 2와 같은 시험조건을 기준으로 하여 국방과학연구소 기동시험장에서 수행되었다. 노면 하중 이동경로에 있는 주요 현가장치 마운팅부 및 차체 플로어 17개소에서는 가속도를, 주요 차체 및 밴바디 마운팅 브라켓 10개소에서는 변형률을 계측하였다.
- 관성 제거 해석의 경계 조건으로는 트림 차체와 샤시가 연결되는 12개소 마운팅 위치에 x, y, z방향의 단위하중을 부가하여 총 36가지 조건을 고려하였으며, 해석 결과 위치 및 방향에 알맞은 응력 텐서(Tensor)를 계산하였다. 또한, 동하중 이력해석을 통해 관성 제거 해석조건과 동일한 위치에서 36가지 하중이력을 계산한 후, 각 경우의 응력 텐서와 하중 이력을 결합하여 36가지 하중이력이 동시에 작용하는 응력 이력의 합을 산출하여 내구수명을 구하게된다.
- 우선 국방과학연구소 기동시험장에서의 노면 하중이력 계측시험을 실시하여 동하중 이력의 주파수 특성을 분석하였다. 또한, 실차 모달시험 결과와 고유 진동 해석결과를 비교하여 신뢰성 있는 트림 차체(Trimmed body) 유한요소모델을 구축하였고, SPMD(Suspension Parameter Measuring Device) 시험결과와 현가장치 해석모델의 기구정역학특성을 비교하여 신뢰할 만한 유연체 동역학 해석모델을 구축한 후 VTL(Virtual Test Lab) 모델을 구성하였다. 그리고, 동하중 이력해석을 통해 주요 마운팅부 동하중 이력을 계산한 후, MSM 내구해석을 수행하여 내구 수명을 예측하였다.
- 먼저, 각 노면 하중이력의 주파수 특성을 분석하여 최대 작용 주파수의 약 3～4배 범위의 한계 주파수 범위를 설정하며,4) 해석결과의 신뢰도 향상을 위해 잔차 벡터 모드(Residual vector mode)를 고려하는 고유진동해석을 수행한다.
- 우선 ADAMS/Car를 이용하여 전후륜 현가장치, 판 스프링, 차체, 조향장치, 타이어, 파워트레인, 제동장치 서브시스템(Subsystem)들을 각각 모델링한 후 어셈블리해서 군용 소형트럭의 강체 동역학 모델을 구성하였다.
- 따라서, 본 논문에서는 MSM을 이용한 군용 소형 트럭의 내구 성능 평가 방법을 제시하였다. 우선 국방과학연구소 기동시험장에서의 노면 하중이력 계측시험을 실시하여 동하중 이력의 주파수 특성을 분석하였다. 또한, 실차 모달시험 결과와 고유 진동 해석결과를 비교하여 신뢰성 있는 트림 차체(Trimmed body) 유한요소모델을 구축하였고, SPMD(Suspension Parameter Measuring Device) 시험결과와 현가장치 해석모델의 기구정역학특성을 비교하여 신뢰할 만한 유연체 동역학 해석모델을 구축한 후 VTL(Virtual Test Lab) 모델을 구성하였다.
- VTL 모델은 유연체 동역학 모델에 노면 하중을 입력하여 동하중 이력을 추출하기 위한 목적으로 구성하였다. 이를 위해 기존 유연체 동역학 모델에서 파워트레인과 제동장치 서브시스템을 제거하고 ADAMS/Car Ride를 이용하여 4축 테스트리그(4-Post Testrig)를 추가하여 Fig. 5에 나타낸 것과 같은 VTL 해석모델을 구축하였다.
- 이후 각 노면별 프레임 마운팅부 동하중 이력을 입력으로 하는 모달 과도 응답(Modal transient response)해석을 수행하여 각 모드별 모달 변위 이력 즉, MPF를 얻는다.
- 6:1이다. 전후륜현가장치는차축, 판스프링, 쇽업소버로 구성되어 있는데, 차축은 빔 요소를 이용하여 탄성을 구현하였고, 판 스프링은 3절 링크 방법을 이용하여 모델링하였다.2)
대상 데이터
- 군용 소형트럭의 전후륜 현가장치는 판 스프링식 차축 현가장치로서, ADAMS/Car를 이용하여 Fig. 2와 같이 모델링하였다. 조향장치는 스티어링 상부와 하부 칼럼, 기어박스, 피트만 암, 드래그 링크, 그리고 조향 댐퍼로 구성되어 있으며, 기어비는 22.
- 동하중 이력해석을 위해서는 휠 중심으로부터의 노면 하중이력을 입력해야 하는데, 이는 실차 노면 하중 계측시험을 통해서만 얻을 수 있다. 내구해석 대상차량인 신형 소형트럭의 노면 하중 계측시험은 Table 2와 같은 시험조건을 기준으로 하여 국방과학연구소 기동시험장에서 수행되었다. 노면 하중 이동경로에 있는 주요 현가장치 마운팅부 및 차체 플로어 17개소에서는 가속도를, 주요 차체 및 밴바디 마운팅 브라켓 10개소에서는 변형률을 계측하였다.
- 2와 같이 모델링하였다. 조향장치는 스티어링 상부와 하부 칼럼, 기어박스, 피트만 암, 드래그 링크, 그리고 조향 댐퍼로 구성되어 있으며, 기어비는 22.6:1이다. 전후륜현가장치는차축, 판스프링, 쇽업소버로 구성되어 있는데, 차축은 빔 요소를 이용하여 탄성을 구현하였고, 판 스프링은 3절 링크 방법을 이용하여 모델링하였다.
- 1에 나타낸 것과 같이 신뢰성 있는 해석모델을 구성하였다. 해석모델에 고려된 주요 트림 중량은 밴바디, 엔진+TM, 시트, 윈치 등이며, 총 요소 수는 235,614개이다.
데이터처리
- 1%에 해당하는 반복 패턴 구간 데이터를 추출하여 VTL 모델에 입력하였다. 그리고, 동하중 이력 해석을 수행하여 해석결과와 시험결과를 상호비교하였으며, Fig. 8에 나타나 있는 바와 같이 VTL 모델의 신뢰성을 입증할 수 있었다.
- 그리고, 동하중 이력해석을 통해 주요 마운팅부 동하중 이력을 계산한 후, MSM 내구해석을 수행하여 내구 수명을 예측하였다. 마지막으로 정적 내구해석 결과와 MSM 내구해석 결과를 종전 내구 문제점 결과와 상호 비교하여 MSM 내구해석 기법의 타당성을 검증하였다.
- 전후륜 현가장치 모델의 신뢰성을 검토하기 위해 실차 현가장치의 각종 기구정역학 특성들을 추출해주는 SPMD 시험을 수행하여 해석결과와 비교하였다. SPMD 시험은 전후축중 분포 및 최대 휠 수직변위를 고려하여 수직 운동, 롤 운동, 코너링, 제동, 조향시와 같은 5가지 조건에서 수행되었다.
이론/모형
- 구조물에 1～2mm의 균열이 발생하는 시점까지의 내구수명 예측을 위해 변형률-수명 방법(Strain-life method)을 사용하였으며, 이때 선형 탄성 구조해석 결과로부터 소성 영역을 고려한 결과로의 교정을 위해 Neuber's rule을 선택하였다.
- 주행시 차량은 구속조건이 존재하지 않으면서 노면 하중을 받는 상태이므로, 선형 탄성 구조해석시 차량 구조물의 질량 관성(Mass inertia)을 계산하여 경계조건으로 이용하는 관성 제거 해석(Inertia relief analysis) 방법을 적용하였다. 관성 제거 해석의 경계 조건으로는 트림 차체와 샤시가 연결되는 12개소 마운팅 위치에 x, y, z방향의 단위하중을 부가하여 총 36가지 조건을 고려하였으며, 해석 결과 위치 및 방향에 알맞은 응력 텐서(Tensor)를 계산하였다.
성능/효과
- 2) 노면 하중 입력점으로부터 멀어지고 동적 진동 특성을 고려해야 하는 차체의 내구수명 예측시 MSM 내구해석 기법을 이용하는게 정적 내구해석 방법보다 실차 내구시험 결과에 근접한 결과를 나타내었다.
- 14에 나타내었다. 상대적으로 강성이 크고 고유 주파수가 높은 프레임의 경우 정적 내구해석 결과가 MSM 내구해석 결과보다 짧은 내구수명을 추출하였다.
- 한편, 상대적으로 강성이 작아 고유 주파수가 낮은 차체의 경우 입력 하중 이력의 주파수 대역과 상관성을 갖고 있으므로 MSM 내구해석은 파손 이력 부위를 정확히 밝혀냈을 뿐만 아니라 전반적으로 정적 내구해석 결과 대비 짧은 내구수명을 보여주고 있다. 이를 통해 차체 내구해석시 MSM 내구해석 방법을 이용하면 보다 정확한 내구수명을 추출할 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 3) 향후 다양한 노면 하중이력 계측 및 주파수 분석을 통한 해석주파수범위 설정, 유효한 해석모델링 기법, 금속재료의 내구물성 D/B 구축을 통해 MSM 내구해석의 신뢰도를 향상시킬 예정이다.
- 본 논문에서 채택하고 있는 변형률-수명 방법을 적용한 내구해석을 수행하기 위해서는 재질의 ε-N 곡선 또는 피로연성지수(Fatigue ductility exponent, c) 등의 피로특성 값이 요구된다.
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