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문제 정의
- 그러나 단순한 단면 형상이 아닌 실제적인 차체용 구조부재를 대상으로 하여 단면의 형상 및 내부격막의 영향을 고려한 연구는 거의 수행되지 않았다. 본 논문에서는 자동차의 경량화에 대응하기 위한 소재인 알루미늄 압출재를 적용한 크래쉬박스의 충돌성능 향상을 위한 형상인자를 연구하며 시편을 제작하여크래쉬박스의 충돌성능을 평가한다. 고강도 알루미늄 합금의 정적 및 고속 인장시험을 수행하여 동적 인장특성을 해석에 적용하였으며 충돌성능이 우수한 크래쉬박스의 단면형상을 도출하기 위해 사각, 육각, 팔각의 단면형상을 고려하여 정면충돌해석을 수행한다.
- 본 연구에서는 A17003-T7 알루미늄 합금 압출소재에 대하여 정적 및 동적 인장시험을 수행하였다. 자연시효가 발생되지 않도록 A17003-T7 에 인공시효 열처리를 적용하였으며 항복과 인장강도 수준을 낮게 유지하는 대신 연신율을 극대화시켜 충격시 파괴 인성값을 향상시켰다.
- 3 과 같이 차량이 충돌벽으로 진행하여 충돌하게 된다[9]. 본연구에서는 크래쉬박스 단품에 강체가 충돌하는 조건으로 RCAR 충돌시험과 유사한 충돌조건을 부여하고자 하였다. 이를 위하여 ULSAB・PNGV[10] 모델(전체질량 1600kg)을 선정하여 RCAR 저속 정면 중돌 규정에 의하여 최대 16km/h(4.
제안 방법
- (1) 알루미늄 7003 소재를 열처리 한 후 정적 및 동적 인장시험을 실시하였고, 초기 및 개선된 크래쉬박스 형상에 각각 A17003-T7, A17003.T5 을 적용하였다.
- (3) 해당 압출재를 제작하여 가공한 뒤 조립함으로써크래쉬박스 시제품을 제작하였다. 개선 전 크래쉬박스의 경우 주어진 8000J 의 충돌에너지를 모두 흡수하나 육각과 팔각 부재의 경우 변형에 대한 응력 집중으로 터짐 현상과 대체로 높은 최대 하중과 평균 반력을 가져 후방의 사이드 멤버에 부정적인 영향을 줄 수 있다.
- 시험 시 대차의 최대속도는 17m/sec 이다. 4개의 압전소자(piezoelectric) 로드셀이 충돌하중을 분배하여 측정하며 변위계로 시편의 변위를 측정한다. 시험에 사용된 부재는 사각, 육각, 팔각단면에 격막을 추가한 크래쉬박스이며 8m/sec의 속도로 대차를 충돌시켜 각 부재별 반력, 압궤모드 및 충돌흡수능을 평가하였다.
- 3 과 같이 250kg 의 강벽 (rigid wall)에 8m/sec 의 초기속도를 부과하여 8000J 의 충돌에너지를 부과하였다. RCAR 규정에 의한 4.44m/sec 보다 높은 속도인 8m/sec 을 적용하므로 알루미늄 합금의 변형률 속도 경화 차이로 인한 충돌흡수능의 차이가 발생할 수 있으나 알루미늄의 경우 강판과 달리 변형률 속도에 영향을 크게 받지 않으며 충돌시험과의 비교를 위하여 이상의 조건을 적용하기로 하였다. 강벽은 충돌 방향의 자유도를 제외한 모든 자유도를 구속하였고, 강벽과 크래쉬박스의 전단부 평판 사이에 동적 마찰계수 0.
- 44m/sec 보다 높은 속도인 8m/sec 을 적용하므로 알루미늄 합금의 변형률 속도 경화 차이로 인한 충돌흡수능의 차이가 발생할 수 있으나 알루미늄의 경우 강판과 달리 변형률 속도에 영향을 크게 받지 않으며 충돌시험과의 비교를 위하여 이상의 조건을 적용하기로 하였다. 강벽은 충돌 방향의 자유도를 제외한 모든 자유도를 구속하였고, 강벽과 크래쉬박스의 전단부 평판 사이에 동적 마찰계수 0.2 를 부과하였다. 해석은 외연적 유한요소프로그램 LS-DYNA3D v970 을 사용하였다.
- 본 논문에서는 자동차의 경량화에 대응하기 위한 소재인 알루미늄 압출재를 적용한 크래쉬박스의 충돌성능 향상을 위한 형상인자를 연구하며 시편을 제작하여크래쉬박스의 충돌성능을 평가한다. 고강도 알루미늄 합금의 정적 및 고속 인장시험을 수행하여 동적 인장특성을 해석에 적용하였으며 충돌성능이 우수한 크래쉬박스의 단면형상을 도출하기 위해 사각, 육각, 팔각의 단면형상을 고려하여 정면충돌해석을 수행한다. 크래쉬 박스의 충돌에너지흡수능 향상을 위하여 내부에 격막을 고려하여 격막의 형상변화에 따른 충돌성능을 비교 평가한다.
- 일반적으로 알루미늄 소재를 해석에 적용할 경우 정적과 동적 실험에서의 유동응력의 차이가 거의 없으므로 변형률 속도의 영향을 무시한 정적결과를 이용하여 해석을 수행한다. 그러나 본 연구에서 사용된 A17003- T7의 경우 변형률속도에 따른 유동응력의 증가가 작다고는 하나 무시할 수준이 아니므로 변형률속도에 따른 구분선형(piecewise linear)데이터로 유한 요소해석에 적용하여 충돌특성을 파악하였다.
- 이러한 문제점을 최소한으로 완화하기 위하여 알루미늄 압출재의 기계적 물성을 완화시켰으며 멤버의 두께를 감소시켰다. 기존의사 각, 육각, 팔각의 멤버 두께를 3mm 에서 2mm 로 수정 압출하여 변형 시 접힘 부분의 두께에 의한 변형량을 최소화 하였고, 압출재의 인장강도를 291MPa(A17003-T7) 에서 215MS (A17003-T5)수준으로 하향시키고 연신율 또한 16%에서 23%로 상향시켰다. A17003-T5 의 공칭응력-변형률 곡선은 Fig.
- 003/sec 의준정 적 변 형 률속도에서는 정 적 시험 기 (Instron 5583로 시험이 수행되었으며 물성은 Table 1과 같다. 동적 인장시험은 KAIST에서 제작된 고속재료시험기를 사용하여 0.1 ~200/sec의 중 변형률 속도에서 동적 인장특성을 파악하였다[8]. 정적 및 동적 시험에서 얻은 공칭응력-변형률 선도는 Fig.
- 각 단면의 크래쉬박스는 전체길이 189mm, 멤버의 두께는 3mm, 격막의 두께는 2mm 로 동일하다. 변형이 거의 없는 프런트 브라켓 및 리어 브라켓은 입방 (solid)요소를 사용하였으며 주요 에너지 홉수 부분인 멤버 및 격막은 쉘(shell) 요소로 모델링 하였다. 실제 RCAR 정면충돌시험은 Fig.
- 본 연구에서는 고속 충돌시 알루미늄 크래쉬박스의 변형모드 및 에너지 흡수능을 평가하고자 Fig. 8의 고속충돌시험기 (high speed crash testingmachine)를 사용하였다. 서보 유압 시스템(servo-hydraulic system)을 적용하여 순간적으로 1000mm 스트로크의 피스톤이 고속으로 발사되어 250kg의 대차를 가속시킨다.
- 이때 차량은 약 158OOJ 의 충돌 에너지를 흡수하며 범퍼와 크래쉬 박스가 각각 7800J 과 8000J 의 에너지를 흡수한다. 본 연구에서는 이상의 해석 결과를 참조하여 8000J 의 충돌에너지를 크래쉬박스 단품에 부과하였다. 향후 충돌시험에 사용할 KAIST 의 고속 충돌시험기는 250kg 의 대차를 최대 17m/sec 의 속도로 중돌시킬 수 있는 시험기이다.
- 4개의 압전소자(piezoelectric) 로드셀이 충돌하중을 분배하여 측정하며 변위계로 시편의 변위를 측정한다. 시험에 사용된 부재는 사각, 육각, 팔각단면에 격막을 추가한 크래쉬박스이며 8m/sec의 속도로 대차를 충돌시켜 각 부재별 반력, 압궤모드 및 충돌흡수능을 평가하였다.
- 발생하는 문제점이 생겼다. 이러한 문제점을 최소한으로 완화하기 위하여 알루미늄 압출재의 기계적 물성을 완화시켰으며 멤버의 두께를 감소시켰다. 기존의사 각, 육각, 팔각의 멤버 두께를 3mm 에서 2mm 로 수정 압출하여 변형 시 접힘 부분의 두께에 의한 변형량을 최소화 하였고, 압출재의 인장강도를 291MPa(A17003-T7) 에서 215MS (A17003-T5)수준으로 하향시키고 연신율 또한 16%에서 23%로 상향시켰다.
- 본연구에서는 크래쉬박스 단품에 강체가 충돌하는 조건으로 RCAR 충돌시험과 유사한 충돌조건을 부여하고자 하였다. 이를 위하여 ULSAB・PNGV[10] 모델(전체질량 1600kg)을 선정하여 RCAR 저속 정면 중돌 규정에 의하여 최대 16km/h(4.44m/sec)의 속도로 충돌벽에 오프셋(off-set)으로 충돌하는 해석을 수행하였다. 이때 차량은 약 158OOJ 의 충돌 에너지를 흡수하며 범퍼와 크래쉬 박스가 각각 7800J 과 8000J 의 에너지를 흡수한다.
- 본 연구에서는 A17003-T7 알루미늄 합금 압출소재에 대하여 정적 및 동적 인장시험을 수행하였다. 자연시효가 발생되지 않도록 A17003-T7 에 인공시효 열처리를 적용하였으며 항복과 인장강도 수준을 낮게 유지하는 대신 연신율을 극대화시켜 충격시 파괴 인성값을 향상시켰다. 이를 통하여 중돌시 발생하는 초기 변형저항(초기 peak 값) 값을 줄일 수 있으며 결국 구조재 손상방지 및 승객의 안전을 향상시킬 수 있다.
- 7와 같이 사각, 육각, 팔각 단면을 중심으로 각 브라켓 및 연결 부품들이 셀프-피어싱(self-piecing)과리벳(rivet) 공정을 통하여 결합되었다. 추가 적으로 기계적 접합을 보강하고 소음, 진동성능을 향상시키기 위하여 에폭시(epoxy) 계열의 상온 경화형 본드를 각 결합부에 사용하였다.
- 10 과 같으며 유동응력이 변형률속도에 거의 영향을 받지 않는 물성을 보인다. 충돌시 터짐현상의 원인을 파괴인성의 부족으로 접근하여 압출재의 합금 성분 중에서 구리함량을 조정하여 파괴 인성을 향상시켰다.
- 고강도 알루미늄 합금의 정적 및 고속 인장시험을 수행하여 동적 인장특성을 해석에 적용하였으며 충돌성능이 우수한 크래쉬박스의 단면형상을 도출하기 위해 사각, 육각, 팔각의 단면형상을 고려하여 정면충돌해석을 수행한다. 크래쉬 박스의 충돌에너지흡수능 향상을 위하여 내부에 격막을 고려하여 격막의 형상변화에 따른 충돌성능을 비교 평가한다.
- 크래쉬박스는 형상은 Fig. 2 와 같으며 사각, 육각, 팔각 단면 및 단면 내부의 격막(rib) 유무를 고려하여 6 가지 종류로 설계하였다. 크래쉬박스는 범퍼와의 연결을 위한 프런트 브라켓(ont bracket), 프런트 사이드 멤버와 연결되는 리어 브라켓(rear bracket)과 중돌에너지를 흡수하는 크래쉬박스 멤버(member) 및 각 브라켓과 멤버를 연결하는 부품(connecting plate)으로 구성되어 있다.
이론/모형
- 2 를 부과하였다. 해석은 외연적 유한요소프로그램 LS-DYNA3D v970 을 사용하였다.
성능/효과
- Fig. 4(b), (c)의 육각단면과 팔각단면은 멤버와 브라켓이 대칭으로 연결되어 있어 좌굴없이 압궤되었다. 특히 팔각 단면은 브라켓과 멤버의 연결부에서 접촉으로 인하여 굽힘이 발생하였다.
- 1차 충돌시험 결과에서 확인하였듯이 충돌 최초 최대 하중값이 평균 반력값과 충돌과 동시에 튜브의 변형 모드가 아코디언처럼 완전히 변형되지 못하고 터짐 현상이 발생하는 문제점이 생겼다. 이러한 문제점을 최소한으로 완화하기 위하여 알루미늄 압출재의 기계적 물성을 완화시켰으며 멤버의 두께를 감소시켰다.
- 개선 전 크래쉬박스의 경우 주어진 8000J 의 충돌에너지를 모두 흡수하나 육각과 팔각 부재의 경우 변형에 대한 응력 집중으로 터짐 현상과 대체로 높은 최대 하중과 평균 반력을 가져 후방의 사이드 멤버에 부정적인 영향을 줄 수 있다. 개선 후 크래쉬박스의 경우는 8000J 의 충돌에너지를 모두 흡수하면서 터짐현상이 개선되었고 초기 하중과 평균 반력이 상대적으로 낮아 후방의 사이드 멤버를 충격으로부터 변형을 방지하고 RCAR 의 법규를 만족시킬 수 있는 결과를 나타내었다.
- 이는 후방의 사이드 멤버에 변형저항, 즉 충돌시 사이드 멤버 변형을 적극적으로 해소하고 있음을 의미한다. 또한 1차 충돌시험에서 발생된 가장 큰 문제인 압출재의 터짐 현상은 완전히 개선되었고, 초기 하중값이 낮으며, 평균 반력 또한 강재 사양과 대등한 경향을 나타내었다 경량화 측면과 성능적인 측면을 고려하였을 때 강재보다 기능적인 측면에서 우위에 있다고 예상된다.
- 이는 하중의 진동으로 인하여 측정값이 왜곡되어 나타난 결과로 보이며 이를 위하여 하중 측정부의 형상 개선을 통한 하중진동 저감이 필요하다. 시험결과 사각튜브 내부에 적용된 격막의 작용으로 주어진 충돌에너지는 모두 흡수하나 최종 변형량 및 형상이 해석값과 차이가 발생하였다. 해석결과에서는 Fig.
후속연구
- 에너지 흡수능을 비교한다면 격막이 있는 팔각단면이 우수하나 실제 다른 부재와의 결합 시 높은 충돌 하중으로 인하여 프런트사이드멤버가 변형을 일으킬 수 있으며 균일한 접힘이 발생하지 않을 수도 있다. 본 연구에서는 동일한 경계조건에 대하여 알루미늄 크래쉬박스의 단면형태에 따른 영향을 고찰하였으므로 다른 차체 부재와의 결합을 고려한 분석이 향후에 수행되어야 한다.
- 또한 팔각 격막형도 앞에서 언급된 터짐현상은 완전히 개선되었다. 향후 사이드 멤버 개발시 팔각형의 부재가 더 효율적이라 할 수 있겠다.
- 본 연구에서는 이상의 해석 결과를 참조하여 8000J 의 충돌에너지를 크래쉬박스 단품에 부과하였다. 향후 충돌시험에 사용할 KAIST 의 고속 충돌시험기는 250kg 의 대차를 최대 17m/sec 의 속도로 중돌시킬 수 있는 시험기이다. 따라서 시험기 사양을 고려하여 Fig.
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