[논문]알루미늄 폼이 충전된 충돌부재의 충격흡수 성능

김낙현; 김지훈; 이종국; 김대용

doi:10.5228/kstp.2011.20.8.555

알루미늄 폼이 충전된 충돌부재의 충격흡수 성능
Impact Performance of a Crash Member Filled with Aluminum Foam 원문보기

소성가공 = Transactions of materials processing : Journal of the Korean society for technology of plastics, v.20 no.8, 2011년, pp.555 - 561

김낙현 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 김지훈 (한국기계연구원 부설 재료연구소) , 이종국 (현대자동차 중앙연구소) , 김대용 (한국기계연구원 부설 재료연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

The energy absorbing characteristics of crash members in a car collision play an important role in controlling the amount of damage to the passenger compartment. Crash members filled with aluminum foam are expected to have reduced mass while maintaining or even improving the crashworthiness compared to the conventional hollow-beam types. Finite element simulations are carried out in the present work to assess the improvement of crashworthiness by the use of aluminum foam fillers. The numerical results agreed well with experimental measurements. Parametric studies are conducted to analyze the effect of impact velocity, weld strength, and initiator on the crash response.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 연구에서는 차량용 충돌부재의 유한요소해석과 부재에 삽입된 알루미늄 폼을 이용해 충격 에너지의 흡수 및 부재의 접힘과 굽힘 거동을 분석 하기 위해 해석을 진행하였다. 그 결과 아래와 같은 결론을 얻을 수 있었다.

제안 방법

대차의 속도가 충돌성능에 미치는 영향을 해석을 통해서 알아보았다. 해석결과 속이 빈 부재는 속도에 따라서 평균힘은 크게 변하지 않은 것을 볼 수 있다(Fig.
충돌부재가 쉽게 접힘이 발생하도록 개시부(initiator)를 주어 그 접힘에 따라서 충격흡수의 영향도 알아 보았다. 또한 용접부가 완전 접착된 경우와 일정한 전단력(230kg/cm2)을 받으면 파괴되는 경우에 대해서도 해석해보았다. 충전재로 사용된 발포알루미늄 Al6101-T6의 상대밀도는 12%이며, 해석에 사용된 임팩터의 질량은 290kg이다.
충전재가 들어가지 않은 구조물의 충돌성능에 대해서는 Lee 등이 해석을 통한 연구를 수행하였다[13]. 본 연구에서는 충돌부재 내 발포알루미늄을 이용한 충전재의 양과 충돌속도에 따른 충돌 성능을 분석하여 충격을 흡수하는 특성을 비교하였으며 이를 위하여 상용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS V6.10을 사용하였다.
실제실험과 해석결과를 비교하기 위해 실제 충돌의 속도를 해석모델에 입력하여 그 결과를 비교하였다. Fig.
고속충돌시험기로 낼 수 있는 대차의 최대 속도는 76km/h 이며 최대 충돌 에너지는 78,000J이다. 실험에 사용되는 충돌부재는 레일의 끝부분에 장착을 하였으며 충돌에 사용되는 대차는 고압가스에 의해서 가속되어 충돌실험을 진행 하였으며, 고속카메라를 설치하여 시편이 변형되는 형상을 기록하였다(Fig. 4).
알루미늄 폼 충전재를 이용한 차량 경량화 가능성을 알아보기 위해 같은 무게의 속이빈 부재와 100% 충전된 부재, 50% 충전된 부재의 충돌성능을 비교하였다. 동일한 조건하에서 비교하기위해 세 경우 모두 한쪽에 13개의 용접점과 동일한 판재 물성을 사용하였다.
0mm의 판재가 부착되었다. 충돌부재가 쉽게 접힘이 발생하도록 개시부(initiator)를 주어 그 접힘에 따라서 충격흡수의 영향도 알아 보았다. 또한 용접부가 완전 접착된 경우와 일정한 전단력(230kg/cm2)을 받으면 파괴되는 경우에 대해서도 해석해보았다.
충돌부재를 만들때 적용한 점용접부의 강도의 영향을 확인하기 위해서 용접부위의 전단강도를 다르게 하여 해석을 수행하였다(Fig. 11).부재의 판재의 접힘에 의해서 충격에너지 흡수가 이루어지는데 용접 강도가 낮은 충돌부재는 판재가 충격에 견디지 못하고 서로 분리되어 안정된 접힘과 에너지 흡수가 이루어지지 않았다.
충돌부재의 안정적인 접힘을 도와주는 개시부(initiator)의 영향을 알아보기 위해 부재의 윗면과 옆면에 개시부를 도입해서 해석해보았다(Fig. 9). 윗면에 적용한 개시부의 크기는 100mm×50mm이며 반경의 크기는 5mm이다.

대상 데이터

충돌 실험을 위하여 부재의 앞, 뒷면에는 면적 185mm×185mm, 두께 5.0mm의 판재가 부착되었다.
충돌해석에 사용된 부재는 인장강도 440MPa의 강판을 사용하였으며 모델의 전체적인 크기는 145mm×350mm×65mm로 속이 빈 부재의 제작에는 두께 1.93mm의 강판을 사용하였고 충전재가 삽입되는 부재에는 두께 1.0mm의 강판이 사용되었다(Fig. 1).
또한 용접부가 완전 접착된 경우와 일정한 전단력(230kg/cm2)을 받으면 파괴되는 경우에 대해서도 해석해보았다. 충전재로 사용된 발포알루미늄 Al6101-T6의 상대밀도는 12%이며, 해석에 사용된 임팩터의 질량은 290kg이다. 부재의 접힘을 원활하게 도와주는 개시부가 들어간 모델을 Fig.

데이터처리

충돌해석에 사용된 모델을 검증하기 위해서 Fig. 3의 고속충돌시험기[1]를 사용하여 비교실험을 수행하였다.

성능/효과

(1) 충돌해석 결과와 실험결과를 비교해 본 결과 속이 빈 경우와 폼이 충전된 경우 모두 충돌 해석모델이 실제 충돌현상을 잘 모사하고 있는 것을 검증하였다.
(2) 충돌과정에서 대차가 받는 평균힘은 대차의 속도와 비교적 무관하며, 최종변위는 부재에 흡수된 에너지와 비례한다. 이는 판재의 접힘 또는 폼의 압축이 순차적으로 일어난다는 것을 보여준다.
(3) 개시부가 있는 충돌 부재는 접힘이 안정적으로 발생하며 접힘은 충격에 가장 약한 상부영역부터 발생하는 것으로 예측되었다.
(4) 용접강도가 약할 경우 부재에 먼저 파단이 일어나서 접힘이 안정적으로 발생하지 못한다.
최종변위와 평균힘의 오차를 Table 1에 나타내었다. 실험과 비교했을때 해석의 평균 오차는 평균힘의 경우 2.8%이며 최종변위는 4.5%로, 실험과 해석 모델의 결과가 거의 일치하는 것으로 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자동차의 크래쉬 영역을 도입한 이유는 무엇인가?	저속충돌에서 차체손상을 줄여주고 충돌성능을 향상시키기 위해서 도입된 크래쉬 영역(crash zone)은 이제 자동차 업계에서 보편적으로 쓰이는 설계 개념이 되었다. 특히 충돌에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 크래쉬 박스(crash box)의 개발을 통하여 안전성을 향상시키고 차량의 피해를 최소화 하고 있다[1].
	발포알루미늄은 다공성 구조체로 어떠한 특성을 나타내는가?	4g/cm3으로 철의 1/10정도로 경량성이 우수하여 자동차 및 건설, 조선업 등 경량성 및 강성을 요구하는 구조물에 많이 이용되고 있다. 또한 다공성 구조체로 에너지 흡수 및 변형율 에너지 흡수에 우수한 성질을 나타냄과 동시에 반영구적인 흡음성을 지닌다. 발포알루미늄을 충전재로 사용할 경우 충전재가 굽힘하중 하에서 크래쉬 박스의 국부적 접힘을 방지하거나 지연시키는 역할을 함으로써 부재의 굽힘저항을 크게 증가시키게 된다[3~12].
	크래쉬 박스 개발의 의의는?	저속충돌에서 차체손상을 줄여주고 충돌성능을 향상시키기 위해서 도입된 크래쉬 영역(crash zone)은 이제 자동차 업계에서 보편적으로 쓰이는 설계 개념이 되었다. 특히 충돌에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 크래쉬 박스(crash box)의 개발을 통하여 안전성을 향상시키고 차량의 피해를 최소화 하고 있다[1].

참고문헌 (13)

J. S. Yoo, S. B. Kim, M. Y. Lee, H. Huh, 2008, Development of Al Crash Box for High Crashworthiness Enhancement, Trans. Mater. Process, Vol. 17, No 3, pp. 182-188.

원문보기 상세보기
J. W. Kim, I. S. Park, C. S. Lee, 2010, A Study on the Improvement of a Damageabillity and Repairability by Improving Mounting Structure of a Bumper for Passenger Cars, Trans. Kor. Soc. Mech. Eng, Vol. 34, No. 1, pp. 1-9.

원문보기 상세보기
A. K. Kim, H. J. Lee, S. S. Cho, 2003, Proc. Kor. Soc. Mech. Eng. Conf.(ed. K.Y. Lee), Pusan, Korea, p. 19.
S. Santos, T. Wierzbicki, M. Langseth, 2000, Experimental and Numerical Studies of Foam-Filled Sections, Int. J. Impact Eng., Vol. 24, No. 5, pp. 509-533.

상세보기
B. D. Yoon, S. J. Heo, B. J. Kim, H. Y. Kim, J. K. Kim, H. Kang, J. M. Kim, 2000, Proc. Kor. Soc. Automot. Eng. Conf.(ed. B.S. Shim), Daegu, Korea,p. 951.
H. Y. Kim, J. K. Kim, S. J. Heo, H. Kang, 2002, Design of the Impact Energy Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum Intensive Vehicle, Trans. Kor. Soc. Automot. Eng., Vol. 10, No. 1, pp. 216-233.
S. M. Oak, Y. H. Moon, 2001, Physical Modeling of Process Parameters for Aluminum-Foam Generation, Trans. Kor. Soc. Mech. Eng., Vol. 10, No 7, pp. 558-564.
W. Chen, 2001, Experimental and Numerical Study on Bending Collapse of Aluminum Foam-filled Hat Profiles, Int. J. Solid Struct., Vol. 38, No. 44-45, pp. 7919-7944.

상세보기
H. W. Song, Z. J. Fan, G. Yu, Q. C. Wang, A. Tobota, 2005, Partition Energy Absorption of Axially Crushed Aluminum Foam-filled Hat Sections, Int. J. Solid Struct., Vol. 42, No. 9-10, pp. 2575-2600.

상세보기
H. R. Zarei, M. Kroger, 2008, Optimization of the Foam-filled Aluminum Tubes for Crush Box Application, Thin Walled Struct., Vol. 46, No. 2, pp. 214-221.

상세보기
A. K. Toksoy, M. Guden, 2011, Partial Al Foam Filling of Commercial 1050H14 Al Crash Boxes: The Effect of Box Column Thickness and Foam Relative Density on Energy Absorption, Thin Walled Struct., Vol. 48, No. 7, pp. 482-294.
J. Huh, J. H. Yoon, J. H. Lim, S. H. Park, H. Huh, 2008, Proc. Kor. Soc. Technol. Plast. Conf.(ed. J.S. Lee), Kor. Soc. Technol. Plast., Jeju, Korea, p. 259.
M. G. Lee, H. Ryou, C. Kim, S. J. Kim, K. Chung, 2008, Parametric Study on Crashworthiness of Automotive Sheet Alloy, Metals Mater. Int., Vol. 14, No. 1, pp. 21-31.

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증