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문제 정의
- 환경적인 측면에서는 교토의정서의 비준으로 인해 대기오염 및 지구 온난화의 주범인 배기가스를 줄이는데 관심이 집중되고 있다. 따라서 국내에서는 저싱버스와 굴절버스 같은 새로운 개념의 버스 도입과 더불어 차량의 경량화를 통해 에너지 효율의 극대화를 얻고자 한다. 유럽이나 미국, 일본 등의 선진국에서는 적층 복합재(laminate composite) 또는 샌드위치 복합재 (sandwich composite)를 적용한 차량을 연구 개발하여 운행 중에 있다.
- 파손모드를 제공한다. 따라서 이 물성카드를 적용하여 차체 충돌 및 전복 시 복합재 적층판에 발생할 수 있는 섬유의 파손과 기지재료의 파손을 확인할 수 있도록 하였다.
- 본 연구에서는 적층 복합재와 샌드위치 복합재가 적용된 저상버스의 안전성을 평가하고자 정면충돌(fixmtal collision)과 전복 (rollover) 해석을 수행하였다. 정면충돌은 버스의 운행 속도인 60knVh의 속도로 벽에 충돌하는 것으로 모사하였고, 전복해석은 승객 하중을 고려하여 해석을 수행하였다.
가설 설정
- 이때, 각 방향에 따른 압축 특성과 전단 특성에 대한 응력-변형률 곡선을 적용하여야 한다. Fig. 3은 알루미늄 하니컴코어의 두께 방향에 대한 응력 변형률 곡선이며, 길이 및 폭 방향 물성과 전단 방향 물성은 그 영향이 재료 특성에 미치는 영향이 작다는 가정 하에 해석에 적용하였다[12]. 이때, 하니컴 코어의 변형률 속도에 의한 영향(strain rate effect)은 고려하지 않았으며, 추후 고려할 예정이다.
제안 방법
- 그리고 솔리드 요소를 사용하여 직교 이방성 성질을 갖는 하니컴 심재의 유효손상 모델을 모사하였다. 심재는 실제 하니컴 형상으로 그대로 모델링한다면 가장 이상적인 결과를 도출하지만 선행연구를 통해 유효등가모델링을 통해 오차 범위가 작은 것을 확인하여 해석시간의 단축과 효율성 측면을 고려한 모델링을 선택하였다[6-7].
- 이때, 틸팅 플랫폼 한쪽 끝을 법규에서 제시한 초당 1도 (degree)의 기울기로 서서히 들어 올려 차체의 자중에 의해 전복을 모사한다. 또한 지면과 접촉하게 되는 차체의 측면부와 지면은 면 대 면 접촉(surface to surface contact) 조건을 부여하고 마찰계수를 적용하여 미끄러짐 현상을 구속하였다. 이때 승객 하중은 2800kg (*470 0kg 명)으로 승객의자가 위치되는 곳에 적용하였다.
- 이때 서로 다른 부분의 요소들은 용접 (spotweld)요소를 사용하여 고정시켜 주었고, 각 요소들 간에 접촉 조건 (single surface contact)을 부여 하여 서로 침투하는 것을 방지하였다. 또한 지면으로 부터의 충격을 흡수해주는 공기 스프링 (air spring)과 댐퍼 (shock absorber)를 모사하기 위해 특성 곡선을 적용한 스프링과 댐퍼 요소를 사용하였다.
- 본 논문은 하니컴 샌드위치 복합재가 적용된 저상버스 차체 구조물의 정면충돌과 전복 해석을 통하여 차체의 변형과 복합재의 파손모드를 외연유한요소해석으로 확인하였다 . 이때 정면충돌은 60km/h의 속도에 대해 해석하였고, 전복은 유럽법규 66(ECE-R 66)을 적용하여 해석하였다.
- 본 해석에 있어 시간의 단축을 위하여 차체가 바닥에 접촉하기 직전의 속도를 동역학 해석 프로그램을 통해 구하여 적용하였다. 이때 차체의 무게 중심을 정의하기 위하여 상용유한요소 해석 프로그램인 ANSYS vll.
- 샌드위치 복합재의 구조물의 파손은 수정돤 Chang-Chang 파손 기준식 (modified Chang-Chang criterion)을 적용하였고, 알루미늄 하니컴 심재는 물성 시험을 통해 유효손상 모델(effective equivalent damage model)을 얻어 물성 값으로 사용하였다. 사고 후 차체의 변형에 따른 운전자 및 승객 안전 공간의 확보 여부 또한 판단하였다.
- 이때 적용 물성 카드는 *MAT_54 Enhanced composite damage 물성 카드를 적용하였으며, 이 물성카드는 Matzenmillei가 Chang- Chang 파손 기준식과 Tsai-Wu 파손기준식을 수정하여 Table 4 와 같이 제안한 수정된 Chang-Chang 파손 기준식 모델로서 평판 이론을 기초로 면내/외 응력성분에 의한 섬유의 파손 및 기지재료의 파손모드를 제공한다. 따라서 이 물성카드를 적용하여 차체 충돌 및 전복 시 복합재 적층판에 발생할 수 있는 섬유의 파손과 기지재료의 파손을 확인할 수 있도록 하였다.
- 10은 전복 시 발생하는 각속도와 평행이동속도를 구하기 위해 동역학 해석 프로그램을 통하여 차체의 무게 중심과 차체 중량이 적용된 단순 모델에 대해 모사한 것이다. 이때, 차체의 한쪽을 들어주는 틸팅 플렛폼에 최대 l0/sec의 각속도로 회전을 주어 차체 무게 중심의 변화에 의한 자유낙하가 이루어지도록 해석을 수행하였다. 차체와 바닥부가 접촉하기 직전에 갖는 각 방향의 속도와 각속도를 측정하여 전복해석에 적용하였다.
- 저상버스의 정면충돌 해석을 통하여 충돌 후 차체의 변형과 적층 복합재의 파손을 확인하였다. 이때, 충돌시간은 fOOmsec로 하여 차체가 강체 벽과 충돌 후 초기에 부여된 속도가 0이 될 때까지 확인하였다.
- 전복해석을 통하여 차체의 변형에 의한 승객 생존 공간 (sravival space)과 적층 복합재의 파손을 확인하였다. 이때, 전복 시간은 300msec로 하여 차체의 모든 측면이 지면과 접촉할 때까지 수행하였다.
- 정면충돌 및 전복해석에 사용된 차체 구조물에 대한 유한요소 모델링은 쉘 요소를 사용하여 샌드위치 복합재의 면재와 적층 복합재, 그리고 압출된 보강재 및 프레임을 모델링 하였다.그리고 솔리드 요소를 사용하여 직교 이방성 성질을 갖는 하니컴 심재의 유효손상 모델을 모사하였다.
- 정면충돌 해석을 위한 경계 조건은 Fig. 4에 보듯이 차체가 강체 벽에 매우 근접하게 위치시킨 후 초기속도인 60km/h (16.67m/s)를 부여하고 해석을 수행하였다. 이때, 강체벽으로부터 운전석까지의 거리는 465mm이고 운전석 안전공간은 1100mm이다.
- 정면충돌은 버스의 운행 속도인 60knVh의 속도로 벽에 충돌하는 것으로 모사하였고, 전복해석은 승객 하중을 고려하여 해석을 수행하였다. 정면충돌과 전복 해석에는 상용 외연유한요소 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하여 충돌 및 전복 시 차체 구조물의 변형과 샌드위치 복합재 구조물의 파손 형태를 확인하였다. 샌드위치 복합재의 구조물의 파손은 수정돤 Chang-Chang 파손 기준식 (modified Chang-Chang criterion)을 적용하였고, 알루미늄 하니컴 심재는 물성 시험을 통해 유효손상 모델(effective equivalent damage model)을 얻어 물성 값으로 사용하였다.
- 해석을 수행하였다. 정면충돌은 버스의 운행 속도인 60knVh의 속도로 벽에 충돌하는 것으로 모사하였고, 전복해석은 승객 하중을 고려하여 해석을 수행하였다. 정면충돌과 전복 해석에는 상용 외연유한요소 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하여 충돌 및 전복 시 차체 구조물의 변형과 샌드위치 복합재 구조물의 파손 형태를 확인하였다.
- 차체 구조물에 적용된 샌드위치 패널의 면재와 복합재 적층판에 사용된 WR580/NF4000 유리섬유/에폭시는 각 방향별 응력성분을 기초로 하는 Chang-Chang 파손 기준식을 고려하여 섬유와 기지재료에 인장, 압축 그리고 면내전단 하중에 의한 파손모드를 확인하였다. Table 3은 해석에 적용한 WR580/NF4000 유리섬유/에폭시 물성을 나타낸다.
- 이때, 강체벽으로부터 운전석까지의 거리는 465mm이고 운전석 안전공간은 1100mm이다. 차체와 강체 벽 사이에는 면 대 면 접촉(surface to surface contact) 조건을 부여하였고 마찰계수를 적용하여 차체가 강체 벽으로부터 미끄러지는 현상을 구속해 주었다. 차체의 타이어 부분과 지면 부분 또한 면 대 면 접촉 조건(surface to surface contact)을 부여하여 높이 방향에 대해 구속하였다.
- 이때, 차체의 한쪽을 들어주는 틸팅 플렛폼에 최대 l0/sec의 각속도로 회전을 주어 차체 무게 중심의 변화에 의한 자유낙하가 이루어지도록 해석을 수행하였다. 차체와 바닥부가 접촉하기 직전에 갖는 각 방향의 속도와 각속도를 측정하여 전복해석에 적용하였다.
- 차체의 무게에 큰 영향을 미치는 CNG탱크와 엔진, 에어컨은 솔리드로 모델링하여 각 부분에 대한 무게를 적용해 모사하였다. 이때 서로 다른 부분의 요소들은 용접 (spotweld)요소를 사용하여 고정시켜 주었고, 각 요소들 간에 접촉 조건 (single surface contact)을 부여 하여 서로 침투하는 것을 방지하였다.
- 차체와 강체 벽 사이에는 면 대 면 접촉(surface to surface contact) 조건을 부여하였고 마찰계수를 적용하여 차체가 강체 벽으로부터 미끄러지는 현상을 구속해 주었다. 차체의 타이어 부분과 지면 부분 또한 면 대 면 접촉 조건(surface to surface contact)을 부여하여 높이 방향에 대해 구속하였다.
- 1에 나타나 있듯이 차체 구조물과 바닥재 구조물에는 유리섬유 적층 복합재 면재에 알루미늄 하니컴 코어로 구성된 샌드위치 구조이며, 굴곡이 심한 부위는 샌드위치 복합재의 적용이 불가능하여 적층 복합재가 사용되었다.초기 설계 시 바닥재 구조물에는 알루미늄 면재를 적용하고자 하였으나, 제작공정의 효율성과 비용 등을 고려하여 유리섬유 적층 면재로 적용하였다. 보강재에는 차체와 바닥재에 알루미늄 또는 스테인레스 압출재가 고려되었으나 제작 및 가격적 측면에서 스테인레스 보강재를 적용하였다.
대상 데이터
- 두께는 L5mm가 적용되었다. 또한 심재로는 알루미늄 5052 3/8" 하니컴 코어로서 25.4mm의 두께가 적용되었다.
- 먼저 차체 프레임에 적용된 스테인레스 스틸(SUS400)에 대한 물성은 *MAT_24 Piecewise linear plasticity 물성카드를 적용하였다. Table 2는 해석에 적용한 차체 스테인레스 스틸 프레임 물성을 나타낸다.
- 초기 설계 시 바닥재 구조물에는 알루미늄 면재를 적용하고자 하였으나, 제작공정의 효율성과 비용 등을 고려하여 유리섬유 적층 면재로 적용하였다. 보강재에는 차체와 바닥재에 알루미늄 또는 스테인레스 압출재가 고려되었으나 제작 및 가격적 측면에서 스테인레스 보강재를 적용하였다.
- 차체에 적용된 각각의 재질에 대한 물성은 LS-DYNA v9기에서 제공하는 물성카드를 적용하였다.
이론/모형
- 정면충돌과 전복 해석에는 상용 외연유한요소 프로그램인 LS-DYNA3D를 이용하여 충돌 및 전복 시 차체 구조물의 변형과 샌드위치 복합재 구조물의 파손 형태를 확인하였다. 샌드위치 복합재의 구조물의 파손은 수정돤 Chang-Chang 파손 기준식 (modified Chang-Chang criterion)을 적용하였고, 알루미늄 하니컴 심재는 물성 시험을 통해 유효손상 모델(effective equivalent damage model)을 얻어 물성 값으로 사용하였다. 사고 후 차체의 변형에 따른 운전자 및 승객 안전 공간의 확보 여부 또한 판단하였다.
- 이때 정면충돌은 60km/h의 속도에 대해 해석하였고, 전복은 유럽법규 66(ECE-R 66)을 적용하여 해석하였다.
성능/효과
- (1) 정면충돌과 전복해석에 사용된 하니컴 심재의 유효손상 모델을 시험을 통해 구하였으며, 유효손상모델은 실제 하니컴 심재가 갖는 기계적 물성 특성을 등가적으로 모사할 수 있었으며, 또한 해석 및 모델링 시간의 단축 효과를 얻을 수 있었다.
- (2) 수정된 Chang-Chang 파손기준식은 정면충돌 및 전복해석시 복합재 구조물의 파손 유무와 파손 모드를 제공하여 차체 구조물에 적용된 샌드위치 복합재의 유리섬유/에폭시면재에 대한 파손을 확인할 수 있었다.
- (3) 하니컴 샌드위치 복합재가 적용된 저상버스의 정면충돌해석을 통하여 운전석의 안전 공간이 확보되는 것으로 확인하였다. 또한, 전복해석 시에도 승객 하중이 고려된 상태에서의 차체의 변형이 승객 생존 공간까지 침범하지 않은 것으로 평가되었다.
- 전복 해석은 정면충돌과 달리 전복에 의한 지붕 모서리 부위의 1차 충돌 후 차체의 자유낙하로 인해 운동에너지가 다시 증가하는 것을 확인하였다. 100msec 이후로 증가한 운동에너지는 250msec 이후로 다시 감소하고 내부에너지가 증가하는 것을 확인하였다. 이때, B6 은 차체의 전복이 완료된 상태가 아니라 차체 측면부가 완전히 접촉된 상태까지의 결과를 나타낸 것이다.
- 또한 해석시간은 30일 이상이 소요되었고, 데이터 파일의 크기는 150GB이상을 넘었다. 따라서 해석결과는 시간과 데이터 크기를 고려하여 차체의 변형에 가장 큰 영향을 주는 구간까지 나타내었다.
- 또한, 전복해석 시에도 승객 하중이 고려된 상태에서의 차체의 변형이 승객 생존 공간까지 침범하지 않은 것으로 평가되었다.
- 13은 수정된 Chang-Chang 파손 기준식에 의해 차체와 바닥재에 적용된 복합재 구조물의 파손을 나타낸 것으로 복합재 적층판의 모재 파손을 보여준다. 전복 시 1차적으로 충격하중을 받는 상단 전두부의 주위와 2차적으로 충격하중을 받는 측면부의 주위에서 파손지수가 한계치인 1을 넘기며 모재파손이 일어나는 것을 확인하였다. 그러나 섬유파단은 확인되지 않았고, 전복에 의한 변형이 승객 생존 공간 까지는 침범하지 않은 것으로 평가 되었다.
- 나타내었다. 전복 해석은 정면충돌과 달리 전복에 의한 지붕 모서리 부위의 1차 충돌 후 차체의 자유낙하로 인해 운동에너지가 다시 증가하는 것을 확인하였다. 100msec 이후로 증가한 운동에너지는 250msec 이후로 다시 감소하고 내부에너지가 증가하는 것을 확인하였다.
- 7은 수정된 chang-chang 파손 기준식에 의해 차체와 바닥재에 적용된 복합재 구조물의 파손 지수를 나타낸 것으로 복합재 적층판의 모재 파손(matrix failure)을 보여준다. 충격하중을 가장 많이 받는 차체의 전두부 주위에서 파손지수가 한계치인 1을 넘기며 모재 파손이 일어나는 것을 확인하였다. 그러나 정면충돌에 인한 최대 변형이 운전석 및 승객의 안전영역까지는 침범하지 않은 것으로 평가되었다.
- 6은 충돌하는 동안 발생한 운동에너지와 내부에너지를 나타낸 것으로, 단계별 시간에 따른 에너지의 변화(Al, A2, A3, A4)를 비교하여 나타내었다. 충돌 전 차체의 운동에너지는 L29MJ임을 확인하였고, 충돌 후 차체의 변형에 의해 생기는 내부에너지는 0.81MJ까지 증가함을 확인하였다.
후속연구
- 3은 알루미늄 하니컴코어의 두께 방향에 대한 응력 변형률 곡선이며, 길이 및 폭 방향 물성과 전단 방향 물성은 그 영향이 재료 특성에 미치는 영향이 작다는 가정 하에 해석에 적용하였다[12]. 이때, 하니컴 코어의 변형률 속도에 의한 영향(strain rate effect)은 고려하지 않았으며, 추후 고려할 예정이다.
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