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문제 정의
- 본 연구에서는 연료전지 시작차 프레임 모델에 대해 고유진동수 확보를 목표로 최적화 설계 방안을 모색하였으며, 후방프레임 설계를 위한 형상설계 개념을 파악하고자 모사 모델을 대상으로 형상 설계변수 변화에 따른 붕괴성능 영향을 분석하였다. 또한, 차체와 샤시가 장착된 각 마운팅 브라켓에서의 입력점 강성을 평가하였으며, 시스템 하중에 대한 마운팅 브라켓부 내구성을 평가하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 연료전지 시작차 프레임 모델에 대해 고유진동수 확보를 목표로 최적화 설계 방안을 모색하였으며, 후방프레임 설계를 위한 형상설계 개념을 파악하고자 모사 모델을 대상으로 형상 설계변수 변화에 따른 붕괴성능 영향을 분석하였다. 또한, 차체와 샤시가 장착된 각 마운팅 브라켓에서의 입력점 강성을 평가하였으며, 시스템 하중에 대한 마운팅 브라켓부 내구성을 평가하였다. 마지막으로 차체 브라켓 형상 모델을 대상으로 모재와 브라켓 형상, 두께 변화에 대한 용접부 내구강도 변화를 분석하였다.
- 또한, 차체와 샤시가 장착된 각 마운팅 브라켓에서의 입력점 강성을 평가하였으며, 시스템 하중에 대한 마운팅 브라켓부 내구성을 평가하였다. 마지막으로 차체 브라켓 형상 모델을 대상으로 모재와 브라켓 형상, 두께 변화에 대한 용접부 내구강도 변화를 분석하였다.
- 앞·뒤 범퍼를 부착한 상태에서 해석을 수행하여 시험결과와 비교하였다(Table 1).
- 해석 단순화를 위해 결합부 국부 보강으로 강성 확보가 용이한 비틀림 고유진동수를 제외한 1차종굽힘, 횡방향 고유진동수 확보를 조건으로 최적화 해석을 수행하였다.
- 차량의 저주파 진동특성(아이들링, 세이크 등)과 조종안정성 확보를 위해 , 현 사양의 동적 강성을 유지하면서 중량을 감소할 수 있는 설계 개선안을 도출하기 위해서 고유진동해석을 수행하였다. 먼저, 현 사양(기본 모델, base model)에 대해 해석과 시험 결과를 비교해 모델의 신뢰성을 검증한 다음 중량 감소를 위한 두께 최적화(thickness optimization) 해석을 수행하였다.
- 차량의 저주파 진동특성(아이들링, 세이크 등)과 조종안정성 확보를 위해 , 현 사양의 동적 강성을 유지하면서 중량을 감소할 수 있는 설계 개선안을 도출하기 위해서 고유진동해석을 수행하였다. 먼저, 현 사양(기본 모델, base model)에 대해 해석과 시험 결과를 비교해 모델의 신뢰성을 검증한 다음 중량 감소를 위한 두께 최적화(thickness optimization) 해석을 수행하였다.1)
- 모델 검증을 위해서 MSC/NASTRAN을 이용하여 자유 경계조건에 대한 고유진동해석을 수행하였다. 앞·뒤 범퍼를 부착한 상태에서 해석을 수행하여 시험결과와 비교하였다(Table 1).
- 검증된 모델을 대상으로 각 부재의 두께를 설계 인자로 하여(Fig. 2) 고유진동수 변화 없이 중량을 최소화 할 수 있는 설계 방안(구조최적화1 모델)을 모색하였다. 해석 단순화를 위해 결합부 국부 보강으로 강성 확보가 용이한 비틀림 고유진동수를 제외한 1차종굽힘, 횡방향 고유진동수 확보를 조건으로 최적화 해석을 수행하였다.
- 구조최적화1 모델에 대해 기본 모델의 중량을 유지하면서 고유진동수를 향상시킬 수 있는 설계안(구조최적화 2 모델)을 모색하였다. 구조최적화 1에서 변형에너지가 크게 발생한 부재 두께를 증가시켰으며 비틀림 진동수를 증가시키는 방안으로 비틀림시 변형에너지가 크게 발생한 부재(#6 X/MBR)의 직경을 50mm에서 66mm으로 증가시켰다.
- 구조최적화1 모델에 대해 기본 모델의 중량을 유지하면서 고유진동수를 향상시킬 수 있는 설계안(구조최적화 2 모델)을 모색하였다. 구조최적화 1에서 변형에너지가 크게 발생한 부재 두께를 증가시켰으며 비틀림 진동수를 증가시키는 방안으로 비틀림시 변형에너지가 크게 발생한 부재(#6 X/MBR)의 직경을 50mm에서 66mm으로 증가시켰다. 반면, 중량중가를 최소화하기 위해 변형에너지가 작게 나타난 #2 차체 마운팅 브라켓의 두께를 2.
- 프레임 형상 설계변수 6가지(θ1, θ2, H1, H2, R1, R2) 각각에 대해, 최대저항력(Pmax)과 붕괴변위 300mm까지의 평균저항력(Pmean)에 대한 영향을 분석하였다(Fig.
- 4(a))에 대해 붕괴성능에 대한 형상설계 변수의 영향을 분석하였다. 각 형상 변수 변화에 대해 붕괴해석을 수행하였으며, 그 결과로부터 최적화 설계안을 도출하여 붕괴성능 향상 정도를 예측하였다.5)
- 좌우 프레임 간 횡방향 구속을 재현하기 위해 범퍼를 강체판(rigid plate)으로 대체하였으며 중앙부에 대칭조건을 부여하였다. 모델 한쪽을 완전고정 시킨 후 강체판에 변위하중(최대 300mm)을 가하면서 저항력을 산출하였다(Fig.
- 좌우 프레임 간 횡방향 구속을 재현하기 위해 범퍼를 강체판(rigid plate)으로 대체하였으며 중앙부에 대칭조건을 부여하였다. 모델 한쪽을 완전고정 시킨 후 강체판에 변위하중(최대 300mm)을 가하면서 저항력을 산출하였다(Fig. 4(b)).
- 차체 및 노면으로부터의 진동 가진력이 마운팅 브라켓(mounting bracket)을 통해 프레임에 전달되므로 프레임에 부착된 브라켓들은 충분한 강성과 내구성 확보가 요구된다. 앞서 구성된 프레임 유한 요소 모델을 이용 마운팅 브라켓부 강성과 내구성을 평가하였다.
- 브라켓을 대상으로 1,000Hz까지의 주파수 영역에서 전후, 좌우 및 상하 각 방향으로 단위 가진력(1N)을 작용한 후, 동일 위치에서의 가속도 응답을 얻음으로써 입력점의 마운팅 브라켓 국부강성을 평가하였다.
- 연구대상 연료전지차량의 동역학 모델을 이용 시스템 하중으로 불리는 전후(longitudinal), 좌우(lateral), 그리고 상하(bumping, vertical) 반복하중에 대해 마운팅 브라켓부의 내구성을 예측하였다. Table 4는 각 방향 시스템 하중 크기를 나타낸 것이다.
- 해석모델은 초기형상과 브라켓의 두께 감소(모델1), 사이드멤버의 두께 감소(모델2) 및 증가(모델3), 그리고 브라켓의 하부 삭제(모델 4) 각각을 대상으로 해석함으로써 브라켓 용접부 주위 두께 변화와 형상 변화에 따른 영향을 검토하였다.
- 다음으로 Table 6은 일정진폭 하중하에서의 용접부에서의 손상과 균열발생 수명과의 관계를 나타낸 것이다. 일정진폭 하중이므로 손상과 수명은 역수의 관계를 가질 것이며 용접부 구조에 따른 S-N 선도를 이용해서 계산하였다.
- 연료전지 차량 차체프레임에 대해 구조해석을 수행하였다.
- Pmax, Pmean 각 성능의 극대화를 위한 형상을 모색한 후, Pmean와 Pmax 모두를 최대한 향상시킬 수 있는 형상 설계안을 고찰하였다. 해석결과(Fig.
대상 데이터
- 소재는 부재(member)에는 SPFH 590, 브라켓에는 SAPH 440이 각각 적용되었다.
- 4(a)). 프레임의 두께는 2.3mm, 재질은 SPFH 590 (YS= 474.1 MPa, TS= 586.8 MPa)을 적용하였으며, 해석에는 LS-DYNA를 이용하였다.
- 브라켓의 형상 및 두께 변화에 따른 마운팅 브라켓 용접부에서의 내구성을 고찰하기 위해#1, #3, #4차체 마운팅 브라켓 구조를 대표하는 형상의 해석 모델을 구성하였다(Fig. 9). 브라켓 주위의 국부적인 해석을 위해서 사이드 멤버의 전후부는 고정하였으며, 중앙부에 상하방향으로 2kN의 하중을 작용하였다.
이론/모형
- ∙설계변수(Design variable bound) : 두께 1.0~5.0mm 최적화 해석에는 Hyperworks의Optistuct2)을 사용하였다.
- 8은 시스템 하중으로부터 계산된 프레임의 내구안전지수(fatigue safety factor) 분포와 중요부에서의 크기를 나타낸다. 내구안전지수는 그림에서 나타낸 바와 같이 수정된 Goodman 선도를 적용하였다.
- 브라켓 주위의 국부적인 해석을 위해서 사이드 멤버의 전후부는 고정하였으며, 중앙부에 상하방향으로 2kN의 하중을 작용하였다. 구조해석에는 MSC/NASTRAN, 용접부 수명예측에는 nCode사의 DesignLife 프로그램을 각각 사용하였다.6,7)
성능/효과
- Table 2는 구조최적화 1 모델의 고유진동수 및 중량 변화를 나타낸다. 고유진동수 변화가 거의 없었으며 중량은 기본 모델 대비 4.3 kg 감소되었다.
- 해석결과 Table 3에서와 같이 기본 모델의 중량을 유지하면서 비틀림 모드의 고유진동수가 기본 모델대비 0.4 Hz 정도 높게 산출되었고 1차 굽힘 모드와 횡굽힘 모드도 각각 0.7Hz, 2.7 Hz 상승되었다. 프레임 길이 방향으로 부재들을 세분화하거나 또는 부분적인 보강재를 적용한다면 현재 보다 더 좋은 결과를 기대할 수 있으리라 판단된다.
- Pmax, Pmean 각 성능의 극대화를 위한 형상을 모색한 후, Pmean와 Pmax 모두를 최대한 향상시킬 수 있는 형상 설계안을 고찰하였다. 해석결과(Fig. 6) Pmax의 극대화 설계안의 경우 기본형상 대비 Pmax 28.8%, Pmean 4.8%의 증가를 나타냈으며, 일반적으로 단순한 보강재 추가에 의해서 Pmax가 획기적으로 향상되기 어려운 점을 고려할 때3,4) Pmax를 극대화를 위해서는 설계초기단계 프레임 형상 최적화가 매우 중요함을 알 수 있다.
- Pmax, Pmean의 동시 극대화를 모색한 설계안은 각각 Pmax 18.6%, Pmean 9.2%가향상되었다.
- 7은 주파수(x-축, Hz)에 따른 3방향의 가속도(y-축, mm/sec2) 응답특성을 500kgf/mm, 1000 kgf/mm 선도와 함께 나타낸 것이다. 그 결과, #1 차체 마운팅 브라켓(일부 주파수 범위에서 강성부족)을 제외한 전체 브라켓의 국부강성이 전 주파수 범위에서 500 kgf/mm 이상으로 산출되어 설계목표를 만족하였다. 또한, 리어 서스펜션 로워 암 마운팅 브라켓의 고유진동수가 347Hz로 설계 목표주파수(500Hz 이상)를 만족시키지 못하여 강성보완이 요구되나 그 외 모든 마운팅 브라켓의 고유진동수(Fig.
- Table 5는 응력과 변형량의 크기를 비교한 것이다. 모든 모델에 대해 용접부 끝단에서 최대응력이 발생하며(Fig. 11) 브라켓 두께 변화보다 사이드 멤버의 두께 변화에 보다 민감하게 변함을 알 수 있다. 한편, 브라켓 강성은 모델4에서와 같이 브라켓 자체의 형상과 더욱 밀접한 관계를 갖는다.
- 1) 고유진동수를 유지하면서 중량감소를 위한 최적화 해석을 수행한 결과, 4.2kg의 중량감소 방안을 산출하였으며, 중량증가 없이 고유진동수를 최대 7.3% 향상시킬 수 있는 개선안을 도출하였다.
- 2) 후방프레임 모사모델에 대한 붕괴성능 해석을 통해 붕괴특성 극대화를 위해서는 설계초기단계 후방 프레임 형상의 최적화가 매우 중요함을 확인할 수 있었다.
- 3) 마운팅 브라켓부들의 강성과 내구성을 검토한 결과, 대부분 설계목표를 모두 만족하고 있으며 브라켓의 구조에 따른 용접부 내구성을 분석한 결과, 최대응력과 파손 취약부는 용접 선단에서 발생하며 사이드멤버의 두께 변화에 매우 민감하게 나타났다.
- 응력집중이 용접부 끝단의 사이드멤버에서 발생하고 있으므로 내구성도 동일한 위치에서 제일 취약하게 나타난다. 한편, 기본모델(base model)의 수명을 단위 크기로 해서 비교한 결과, 용접부 내구수명은 사이드멤버의 두께 변화에 따라 크게 변할 뿐만 아니라 브라켓 자체의 구조가 약화됨에 따라 응력이 크게 감소하여 내구수명이 대폭 감소됨을 알 수 있다.
후속연구
- 7 Hz 상승되었다. 프레임 길이 방향으로 부재들을 세분화하거나 또는 부분적인 보강재를 적용한다면 현재 보다 더 좋은 결과를 기대할 수 있으리라 판단된다.
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