[논문]CAE 해석을 이용한 자동차용 AA6061 리어 서브-프레임의 경량화 설계

김기주; 임종한; 박준협; 최병익; 이재웅; 김윤재

doi:10.7467/ksae.2012.20.3.077

Abstract ▼ AI-Helper

It is well known that the targeted fuel efficiency could only be achieved by more than 40% reduction of the vehicle weight through improved design and extensive utilization of lightweight materials. In order to obtain the goal of the weight reduction of automobiles, the researches about lighter and ...

It is well known that the targeted fuel efficiency could only be achieved by more than 40% reduction of the vehicle weight through improved design and extensive utilization of lightweight materials. In order to obtain the goal of the weight reduction of automobiles, the researches about lighter and stronger rear sub-frame have been studied without sacrificing the safety of rear sub-frame. In this study, the weight reduction design process of rear sub-frame could be proposed based on the variation of von-Mises stress contour by substituting an AA6061 (aluminum 6061 alloy) having tensile strength of 310 MPa grade instead of SAPH440 steels. In addition, the stress ratio variations (stress over fatigue limit) of the rear sub-frame were examined and compared carefully. It could be reached that this approach method could be well established and be contributed for light-weight design guide and the optimum design conditions of the automotive rear sub-frame development.

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문제 정의

본 연구에서는 인장강도 310MPa급 AA6061 알루미늄 합금 소재를 이용한 리어 서브-프레임의 경량화 설계 과정을 기존의 상용화로 검증된 SAPH440 Steel 소재로 제작된 서브-프레임을 참고로 하여 CAE를 이용해 다루고자 한다. 특히, von Mises stress를 피로한도로 정규화(normalizing)하여 안전계수와 같은 형태의 안전율을 부여하여 피로특성을 정적해석결과로 단순하게 계산하는 방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 인장강도 310MPa급 AA6061 알루미늄 합금 소재를 이용한 리어 서브-프레임의 경량화 설계 과정을 기존의 상용화로 검증된 SAPH440 Steel 소재로 제작된 서브-프레임을 참고로 하여 CAE를 이용해 다루고자 한다. 특히, von Mises stress를 피로한도로 정규화(normalizing)하여 안전계수와 같은 형태의 안전율을 부여하여 피로특성을 정적해석결과로 단순하게 계산하는 방법을 제시하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 인장강도 310MPa급 AA6061 알루미늄 합금 소재를 이용한 리어 서브-프레임의 경량화 설계 과정을 기존의 상용화로 검증된 SAPH440 Steel 소재로 제작된 서브-프레임을 참고로 하여 CAE를 이용해 계산하였다. 특히, von Mises stress를 피로한도로 정규화(normalizing)하여 안전계수와 같은 형태의 안전율을 부여하여 피로특성을 정적해석결과로 단순하게 계산하는 방법을 제시하고자 한다.

대상 데이터

이 리어 서브프레임은 2개의 사이드 멤버(Side Member)와 앞･뒤 크로스 멤버(Cross Member) 및 1~6번 브라켓으로 구성된다. 본 연구에서는 SAPH440 소재로 개발된 리어 서브-프레임의 구성 파트를 알루미늄 6061 합금으로 소재변경하여 경량화 설계를 진행하였으며 Fig. 1에 그 형상과 구성부품명을 나타내었다.

데이터처리

CAE 해석은 상용프로그램으로 검증된 Nastran 프로그램을 이용하였으며 Fig. 3에 해석에 사용한 경계조건을 나타내었는데, 리어 서브-프레임이 차체와 연결되는 가장자리 4 곳을 고정(fixed point) 후 6개의 브라켓 각각에 x, y, z-방향으로 단위 하중을 부여 시 최대 응력값을 구하여 AA6061 재질 및 SAPH440 소재로 제작된 서브-프레임을 비교하였다(소재물성은 Table 1 참조).

성능/효과

7에 나타내었다. 그 두께를 4.2 mm까지 줄인 결과 SAPH440과 유사한 형태의 무게인자를 나타내는 것을 알 수 있었으며 이로부터 AA6061은 4.2 mm가 설계기준을 만족하는 최적화 두께임을 알 수 있다.
Table 2에 SAPH440 및 AA6061으로 리어 서브-프레임을 제작 시 체적, 밀도 및 무게를 비교하여 나타내었으며 무게인자를 고려 시 기존의 SAPH 소재보다 AA6061로 서브-프레임 제작할 때 36.8%의 경량화가 가능함을 알 수 있었다.
8%의 경량화가 가능함을 알 수 있었으며 2배수 안전율을 고려하더라도 18% 이상의 경량화 가능성을 알 수 있었다. 본 논문에서 제시하는 무게인자와 응력비를 도입한 정적해석을 통한 동적특성 최적화 방법을 이용하면 최적의 두께를 찾아내는데 상당히 간단하고 유용한 방법임을 알 수 있었다.
특히, von Mises stress를 피로한도로 정규화(normalizing)하여 안전계수와 같은 형태의 안전율을 부여하여 피로특성을 정적해석결과로 단순하게 계산하는 방법을 제시하고자 한다. SAPH440의 무게인자와 AA6061의 무게인자가 가장 근접한 모드에서 다양한 두께해석을 통해 최적화 두께를 찾아내었으며 이를 통해 최대 36.8%의 경량화가 가능함을 알 수 있었으며 2배수 안전율을 고려하더라도 18% 이상의 경량화 가능성을 알 수 있었다. 본 논문에서 제시하는 무게인자와 응력비를 도입한 정적해석을 통한 동적특성 최적화 방법을 이용하면 최적의 두께를 찾아내는데 상당히 간단하고 유용한 방법임을 알 수 있었다.

후속연구

또한, 유럽 연합은 교토의정서에 의거하여 2012년까지 온실가스 배출을 1990년 대비 8% 감축 시킬 것을 목표로 2012년 유럽에서 판매되는 자동차 신차의 이산화탄소 배출량이 130g/km을 초과 시, 2012년 20€/g, 2013년 30€/g, 2014년 60€/g, 2015년 95€/g로 각각 단계적으로 벌과금을 부과할 예정이다.

참고문헌 (4)

S. J. Lee, J. S. Park and D. H. Goo, "The Development of Material Technology Applied to Bumper Beam," Transactions of KSAE, Vol.10, No.4, pp.206-215, 2002.
J. W. Lee and K. A. Youn, "Hood and Bumper Structure Design Methodology for Pedestrian Regulation," Transactions of KSAE, Vol.13, No.3, pp.162-170, 2005.
K. J. Kim and S.-T. Won, "Effect of Structural Variables on Automotive Body Bumper Impact Beam," Int. J. Automotive Technology, Vol.9, No.6, pp.713-717, 2008.

원문보기 상세보기
D. H. Shin, K. H. Kim and K. Sohn, "Analysis of Car-pedestrian Collisions Using Scaled Korean Dummy Models," Journal of KSPE, Vol.24, No.5, pp.110-117, 2007.

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