[논문]정강도를 고려한 상부 컨트롤 암의 구조설계

송병철; 박한석; 권영민; 김성환; 박영철; 이권희

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a structural design method for the upper control arm installed at the rear side of a SUV. The weight of control arm can be reduced by applying the design and material technologies. In this research, the former includes optimization technology, and the latter the technologies for ...

This study proposes a structural design method for the upper control arm installed at the rear side of a SUV. The weight of control arm can be reduced by applying the design and material technologies. In this research, the former includes optimization technology, and the latter the technologies for selecting aluminum as a steel-substitute material. Strength assessment is the most important design criterion in the structural design of a control arm. At the proto design stage of a new control arm, FE (finite element) analysis is often utilized to predict its strength. This study considers the static strength in the optimization process. The inertia relief method for FE analysis is utilized to simulate the static loading conditions. According to the classification of structural optimization, the structural design of a control arm is included in the category of shape optimization. In this study, the kriging interpolation method is adopted to obtain the minimum weight satisfying the strength constraint. Optimum designs are obtained by ANSYS WORKBENCH and the in-house program, EXCEL-kriging program. The optimum results determined from the in-house program are compared with those of ANSYS WORKBENCH.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 Al6061M6에 대해서는 초기설계가 이를 만족시키고 있으므로 충분히 경량화를 시킬 수 있는 여지가 있다고 판단하여 본 연구에서 컨트롤 암의 구조최적화를 수행하였다.
완성차 업체나 컨트롤 암 제조업체들은 정강도 평가를 위한 하중조건과 그에 상응하는 기준을 가지고 있다. 본 연구에서는 Z 업체에서 사용되고 있는 4가지하중을 고려하였고, 이 중 가장 엄격한 하중조건을 고려하여 최적화를 수행 하였다.
즉, 중량 및 최대응력에 대한 크리깅 메타모델을 가지고 최적화를 수행하는 것이다. 본 연구에서는 이 과정을 엑셀에서 구현 가능하도록 비주얼 베이직으로 EXCEL-kriging 프로그램을 개발하였다. 메타모델 기법으로 널리 적용되고 있는 반응 표면법(response surface method)을 선택하지 않은 이유는 크리깅 내 삽법이 비선형성이 큰 함수의 예측에 유리하기 때문이다.
또한 Kim⁴⁾ 등과 Ahn⁵⁾등은 컨트롤 암의 공정변수에 대한 최적해를 제시하였다. 본 연구에서는 재료기술과 최적화 기술을 이용하여 최적의 컨트롤 암 형상을 제기하고자 한다.
본 연구에서는 주어진 하중조건 하에서 중량을 최대한 감량시키기 위하여 위상최적설계를 수행한 후 메타모델을 이용한 형상최적설계를 수행하였다.
(i=1,2,…,n) > 0이다. 본 연구에서는 크리깅 방법을 컨트롤 암 설계에 쉽게 적용할 수 있도록 EXCEL-kriging 프로그램을 개발하였다.
에 대한 추정치를 표시한 것이다. 즉 본 연구에서는 이 반응치에 대한 크리깅 메타모델을 구성하여 최적해를 산출하였다.

제안 방법

각각의 실험점을 Table 2에 표시하였다. 각 행에 대하여 유한요소해석을 수행한 것이며 중량과 최대응력을 반응치로 하여 메타모델을 생성하였다. 이 때 각 실험점의 유한요소해석은 자동적으로 수행이 된다.
그러나 본 연구에서는 상용 소프트웨어에서 지수 제공을 하지 않으므로 이에 대한 비교는 수행하지 않았다. 대신 산출된 최적해에서 추정치와 유한요소 해석 결과치의 오차를 계산하였다.
본 연구에서는 먼저 정강도 계산을 위한 4 가지의 하중조건 중 최악하중을 선정하여 이를 고려한 최적해를 산출하고 나머지 하중조건에 대해서도 검토를 한다.
유한요소 모델 생성시 3 자유도를 가지는 사면체 요소를 사용하였으며 요소의 크기는 수렴해석을 통하여 결정하였다.
이를 방지하기 위하여 본 연구에서는 메타모델을 이용한 형상최적설계를 수행하였다.
컨트롤 암 재료를 위해 이 특성을 이용하고 동시에 결정립을 미세화 하고 마그네슘 함량을 낮추어 미세 석출물의 고른 분산을 도모하였다.

대상 데이터

1) 본 연구에서는 상부 컨트롤 암의 경량화를 위해 Al6061에 비해 고강도인 Al6061M6을 대체 재료로 적용하였다.
본 연구에서는 초기 시작단계 시 사용되었던 Al6061 재질을 경량화를 위해 기계적 성질이 개선된 알루미늄합금인 Al6061M6으로 대체하였다.
또한 상용 알루미늄합금 대비 고강도의 알루미늄 합금의 개발이 가속화되고 있다. 본 연구에서는 현재 상용화되고 있는 Al6061 합금보다 우수한 기계적 특성의 알루미늄 합금인 Al6061M6을 대체 재료로 하여 자동차 현가장치의 핵심 부품인 컨트롤 암에 적용하였다.
3에 표시하였다. 이 때 재질은 Al6061M6으로 고려하였다. 초기모델에서의 검토되는 응력인 최대 폰미제스 응력(vonMises stress)은 275.

데이터처리

본 연구에서는 EXCEL-kriging 프로그램으로 산출된 결과를 ANSYS WORKBENCH9)에 최근에 내장된 최적화 기법인 DOE와 크리깅 방법에 의한 두 가지 결과와 비교, 검토하였다.

이론/모형

본 연구에서 적용한 최적화 기법은 위상최적설계(topology optimization)와 크리깅^1,6,7)을 이용한 메타모델 방법이다. 위상 최적설계는 기본설계에서 중량을 최대한 감소시키기 위하여 적용한 기법이다.
그 다음, 식 (3)을 풀기 위해 표본점을 생성한다. 본 연구에서는 최대엔트로피법(maximum entropy method)⁹⁾을 적용하였다. 각 표본점에 대하여 유한요소해석을 수행한 후, 중량과 최대응력에 대한 크리깅메타모델을 구성하고 식 (3)을 EXCEL에 내장되어 있는 최적화 알고리듬으로 해결한다.
본 연구에서는 먼저 정강도 계산을 위한 4 가지의 하중조건 중 최악하중을 선정하여 이를 고려한 최적해를 산출하고 나머지 하중조건에 대해서도 검토를 한다. 유한요소해석 시 구속조건이 필요 없는 관성제거기법(inertia relief analysis)⁸⁾을 이용하였다. 형상설계변수는 CAD 모델에서 정의하며 크리깅 메타모델을 구성하기 위한 표본점에서 최대응력 및 중량의 반응치를 계산한다.
에 내장되어 있는 반응표면법과 크리깅법을 이용해서 해결하였다. 이때 표본점 생성 방법은 최대엔트로피 방법을 이용하였고 표본점 수는 50으로 하였다. 각각의 실험점을 Table 2에 표시하였다.

성능/효과

2) 본 연구에서는 단조품의 컨트롤 암 형상최적설계를 위한 일련의 절차를 제시하였으며 정강도만을 고려하여 이를 초기모델 대비 약 18%의 중량감소를 이룰 수있었다.
3) 개발한 Excel-kriging 프로그램에 의한 최적해는 상용프로그램에서 최근 삽입한 메타모델에 의한 최적해 보다 우수함을 알 수 있었다.
이와 같은 현상은 망간의 함량이 용체화 처리시 재결정립의 조대화를 억제시키기 때문으로 판단된다. 그리고 구리의 함량을 증가시키고 마그네슘의 함량을 낮추어 규소화마그네슘(Mg₂Si) 상의 조대화를 최소화 하였다. 위와 같은 방법으로 개선된 고강도 알루미늄 합금인 Al6061M6의 대표적인 재료 물성치를 Al6061 재료의 것과 비교하여 Table 1에 정리하였다.
세 가지 결과 중 본 연구에서 제시한 방법이 가장 우수한 해 임을 알 수 있다. 반면에 상용소프트웨어에 의한 결과가 불리하게 나타나는 현상은 추정된 최적해 근방에서 랜덤하게 3개의 후보최적점을 추천하기 때문에발생하는 것으로추측된다.
반면에 상용소프트웨어에 의한 결과가 불리하게 나타나는 현상은 추정된 최적해 근방에서 랜덤하게 3개의 후보최적점을 추천하기 때문에발생하는 것으로추측된다. 즉, 본연구에서 제시한 최적해에서는 최대응력이 허용응력과 거의 동일하게 산출되는 활성화 제한조건(active constraint)이다. 반면에 상용소프트웨어의 반응표면이나 크리깅 방법에서 산출된 최적해에서의 최대응력은 허용응력과 차이를 보이고 있다.
최적해에서 유한요소해석을 수행한 결과를 예측된 최대응력과 비교해보면 0.02%의 오차를 보이고 있다. 또한 비선형성이 크지 않은 컨트롤 암의 중량의 추정치는 실제 중량값과 거의 오차가 없었다.

후속연구

4) 본 연구는 정강도만을 고려하여 최적해를 산출한 것으로써, 보다 실질적인 최적해의 산출을 위해서는 내구조건을 고려한 최적화 및 시험을 통한 검증이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	컨트롤 암은 어떻게 연결되는가?	컨트롤 암의 한쪽 끝은 차체 프레임(frame)과 연결되고 다른 끝은 너클(knuckle)에 연결되어 피봇 역할을 한다. 컨트롤 암은 승차감(ride comfort)과 조종안정성(handling performances)에 영향을 미치는 현가장치(suspension)의 핵심 부품이다.
	현재 컨트롤 암 제조업계에서는 무엇을 사용하여 컨트롤암을 제작하고 있는가?	현재 컨트롤 암 제조업계에서는 주로 강 및 알루미늄 계열의 단조품을 사용하여 컨트롤암을 제작하고 있다. 이러한 컨트롤 암의 구조 설계에 최적화 기술을적용한 사례로는 다음과 같은 연구가 있었다.
	메타 모델 방법을 이용한 최적화 방법은 어떤 문제에 적합한가?	위상 최적설계는 기본설계에서 중량을 최대한 감소시키기 위하여 적용한 기법이다. 또한 메타모델을 이용한 최적화 방법은 계산시간이 오래 소요되는 해석이 포함된 경우, 복곡면 등이 존재하여 형상변수의 정의가 어려운 경우, 또는 최적화 진행 중에 유한요소의 왜곡이 심하거나 깨지는 경우 등의 설계문제에 적합하다. 반면에 상용프로그램에 내장되어 있는 민감도를 이용한 고전적인 형상 최적설계 방법은 위에 열거한 문제의 해결에는 한계가 있다.

참고문헌 (11)

K.H. Lee and D.H. Kang, "Structural Optimization of an Automotive Door Using the Kriging Interpolation Method," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol.221, No.12, pp.1524-1534, 2007
D. C. Lee and J. I. Lee, "Structural Optimization Concept for the Design of an Aluminium Control Arm," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, Vol.217, No.8, pp.647-656, 2003

상세보기
M.S. Kim, C.W. Lee, S.H. Son, H.J. Lim and S.J. Heo, "Shape Optimization for Improving Fatigue Life of a Lower Control Arm Using the Experimental Design," Transactions of KSAE, Vol.11, No.3, pp.161-166, 2003
Y. S. Kim, H. S. Son, J. Y. Park, S. G. Choi and S. H. Yang, "Finite Element Analysis to Design and Optimized Forming Conditions for Lower Control Arm," Metallurgical and Materials Transactions A, Vol.37A, pp.2539-2547, 2006
P.S. Ahn, S.M. Baeck, H.D. Lee, D.U. Kim and W.J. Kim, "Development of Aluminum Automotive Control Arm Using Squeeze Casting Process," Proc. JSAE Annual Congress, Vol.18-06, pp.9-12, 2006
J. Sacks, W. J. Welch, T. J. Mitchell and H. P. Wynn, "Design and Analysis of Computer Experiments," Statistical Science, Vol.4, No.4, pp.409-435, 1989

상세보기
A. Guinta and L. Watson., "A Comparison of Approximation Modeling Techniques: Polynomial versus Interpolating Models," Proceedings of the 7th AIAA/USAF/NASA/ISSMO Symposium on Multidisciplinary Analysis and Optimization, St. Louis, Mo, AIAA, Vol.2, pp. 392-440, 1998
Bessert N. and Frederich O., "Nonlinear Airship Aeroelasticity," Journal of Fluids and Structures, Vol.21, No.8, pp.731-742, 2005

상세보기
DNDE, ANSYS WORKBENCH-Simulation Introduction Release 10.0, Busan, Korea, 2006
MSC Software Corporation, MSC.NASTRAN 2004 Design Sensitivity and Optimization User's Guide, Santa Ana, California, 2004
VR & D, Inc., GENESIS Version 6.0 User's Manual, Colorado Springs, Colorado, 2000

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