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문제 정의
- 본 논문에서는 군 요구 성능에 적합하도록 신규 개발된 소형전술 시제차량의 가상 시험 모델을 구축한 후 전달 하중 해석을 통해 트림 차체(Trimmed body)의 내구 성능을 평가하는 방법을 제시하였다. 먼저 시제차량을 이용하여 국방과학연구소 기동시험장에서 내구도 평가 기준에 따라 포장로, 비포장로, 야지로 주행 계측 시험을 실시하였고, 계측된 가속도 이력 데이터에 대한 신호 처리를 통해 가상 시험 모델 입력용 하중 이력 데이터를 추출하였다.
- 한국형 소형전술 시제차량의 실차 내구도 평가에 앞서 내구 성능을 사전 평가하기 위해 트림 차체의 진동 특성을 고려한 MSM 내구해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 1) 노면 하중 이력 계측, 다륜 차량용 가상 시험기 업데이트, 가상 시험 모델 구성, 전달 하중 해석, 그리고 동적 내구해석 수행을 통해 소형전술 시제 차량의 전산 내구평가 프로세스를 구축하였다.
- 가상 시험 모델의 유효성 검토를 위해 3인치 간격 충격로 전달 하중 해석 및 주행 시험을 실시하였다. 여러 위치 중 캐빈 플로어 센터에서의 수직 가속도 이력을 비교해 본 결과, Fig.
- 다음으로 군 요구 성능 중 하나인 횡경사 등판 능력을 파악하기 위해 Fig. 5에 보이는 바와 같이 횡경사로 주행 해석 및 시험을 수행하였다. 해석 결과 Fig.
- 먼저 시제차량을 이용하여 국방과학연구소 기동시험장에서 내구도 평가 기준에 따라 포장로, 비포장로, 야지로 주행 계측 시험을 실시하였고, 계측된 가속도 이력 데이터에 대한 신호 처리를 통해 가상 시험 모델 입력용 하중 이력 데이터를 추출하였다. 다음으로 시제차량의 트림 차체에 대한 모달 시험과 고유 진동 해석을 수행하였는데, 모달 시험 결과와 고유 진동 해석 결과의 비교 검증을 통해 신뢰성 있는 유한 요소 해석 모델을 구축하였다. 또한, 트림 차체의 유연성을 고려한 동역학 모델의 직진 및 횡경 사로 주행 해석을 수행한 후, 실 중량 분포 및 횡경사 시험 결과와의 비교를 통해 동역학 모델의 신뢰성을 검증하였다.
- 동하중 이력 추출용 가상 시험 모델 구성에 앞서 전체 차량의 중량 배분 및 주행 성능을 검토하기 위해 조향 및 현가장치 모델에 트림 차체의 유연체, 타이어, 파워트레인, 제동장치 서브시스템을 추가하여 Fig. 4에 나타나 있는 것과 같은 유연체 동역학 모델을 구성하였다.
- 또한, 소형전술 시제차량의 용접부 내구해석을 위한 용접 재질은 MSC/FATIGUE에서 지원되는 Seam_steel_flex와 Seam_steel_stiff를 적용하였으며, 응력-수명곡선은 Fig. 14와 같다.
- 다음으로 시제차량의 트림 차체에 대한 모달 시험과 고유 진동 해석을 수행하였는데, 모달 시험 결과와 고유 진동 해석 결과의 비교 검증을 통해 신뢰성 있는 유한 요소 해석 모델을 구축하였다. 또한, 트림 차체의 유연성을 고려한 동역학 모델의 직진 및 횡경 사로 주행 해석을 수행한 후, 실 중량 분포 및 횡경사 시험 결과와의 비교를 통해 동역학 모델의 신뢰성을 검증하였다. 유효한 결과를 보인 유연체 동역학 모델에 4-post 가상 시험기 템플릿을 추가시켜 가상시험 모델을 구성하였으며, 내구 주행 모드별 노면 하중 이력들을 기초로 한 가상 주행 해석을 통해 현가 장치 마운팅에서의 동하중 이력들을 추출하였다.
- 유효한 결과를 보인 유연체 동역학 모델에 4-post 가상 시험기 템플릿을 추가시켜 가상시험 모델을 구성하였으며, 내구 주행 모드별 노면 하중 이력들을 기초로 한 가상 주행 해석을 통해 현가 장치 마운팅에서의 동하중 이력들을 추출하였다. 마지막으로 추출된 동하중 이력과 재료의 피로물성을 기초로 트림 차체와 현가 부품의 내구해석을 수행하여 시제차량의 내구 성능을 사전 분석하였다.
- 본 논문에서는 군 요구 성능에 적합하도록 신규 개발된 소형전술 시제차량의 가상 시험 모델을 구축한 후 전달 하중 해석을 통해 트림 차체(Trimmed body)의 내구 성능을 평가하는 방법을 제시하였다. 먼저 시제차량을 이용하여 국방과학연구소 기동시험장에서 내구도 평가 기준에 따라 포장로, 비포장로, 야지로 주행 계측 시험을 실시하였고, 계측된 가속도 이력 데이터에 대한 신호 처리를 통해 가상 시험 모델 입력용 하중 이력 데이터를 추출하였다. 다음으로 시제차량의 트림 차체에 대한 모달 시험과 고유 진동 해석을 수행하였는데, 모달 시험 결과와 고유 진동 해석 결과의 비교 검증을 통해 신뢰성 있는 유한 요소 해석 모델을 구축하였다.
- 소형전술 시제차량의 트림 차체에 대해 범용 유한 요소 모델링 프로그램인 HyperMesh를 이용하여 총 560,957개의 요소 수를 갖는 유한 요소 모델을 Fig. 2와 같이 구성한 후, 범용 구조해석 프로그램인 MSC/NASTRAN에서 지원하는 고유 진동 해석을 통해 모드 특성들을 추출하였다.
- 또한, 트림 차체의 유연성을 고려한 동역학 모델의 직진 및 횡경 사로 주행 해석을 수행한 후, 실 중량 분포 및 횡경사 시험 결과와의 비교를 통해 동역학 모델의 신뢰성을 검증하였다. 유효한 결과를 보인 유연체 동역학 모델에 4-post 가상 시험기 템플릿을 추가시켜 가상시험 모델을 구성하였으며, 내구 주행 모드별 노면 하중 이력들을 기초로 한 가상 주행 해석을 통해 현가 장치 마운팅에서의 동하중 이력들을 추출하였다. 마지막으로 추출된 동하중 이력과 재료의 피로물성을 기초로 트림 차체와 현가 부품의 내구해석을 수행하여 시제차량의 내구 성능을 사전 분석하였다.
- 전륜 현가장치는 상부암(Upper control arm), 하부암(Lower control arm), 기어드 허브(Geared hub), 코일스프링, 쇽업소버, 범프 스톱으로 구성되어 있고, 후륜 현가장치는 횡방향 운동 제어용 래디어스 로드(Radius rod)를 제외하면 전륜 현가장치와 동일한 부품들로 구성되어 있다. 이와 같은 조향 및 현가장치의 주요 부품 모델링 및 구성 부품간 연결은 차량동역학 해석 전용 프로그램인 ADAMS/Car에서 지원하는 파트, 조인트 및 힘 요소들을 이용하였다.
- 이와 같이 업데이트된 가상 시험기 템플릿과 유연체 동역학 모델을 조합하여 Fig. 8에 나타낸 것과 같은 소형전술 시제차량의 가상 시험 모델을 구축하였다.
- 주행 모드별로 계측된 휠 4개소에서의 가속도 이력은 신호 처리 과정을 통해 Fig. 8에 나타낸 바와 같이 상하 변위 이력, 전후 및 좌우 하중 이력의 형태로 산출한 후 전달 하중 해석의 입력 조건으로 사용하였다.4)
- 주행 모드별로 산출된 노면 하중 이력을 기초로 한 전달 하중 해석을 통해 각종 현가장치 마운팅에서의 동하중들을 계산하였으며, 그 중 비포장로 모드시 후륜 현가장치의 우측 코일 스프링 상부, 우측 상부암 마운팅 후방, 우측 하부암 마운팅 후방에 전달된 동하중 이력들을 Fig. 10에 나타내었다.
- 트림 차체의 고유 진동 특성은 내구 수명에 영향을 미치는 주요 인자이기 때문에, 차량 설계 데이터에 근거한 유한 요소 모델의 고유 진동 결과와 모달 시험 결과간 상관성 분석을 통해 신뢰성이 검증된 트림 차체 해석 모델을 구성해야 한다.
대상 데이터
- 본 연구 대상 차량인 소형전술 시제차량의 노면 하중 계측 시험은 Table 4와 같은 주행 모드를 기준으로 국방과학연구소 기동시험장에서 수행되었다.
- 소형전술 시제차량의 내구해석은 트림 차체와 현가장치 부품을 대상으로 하며, Fig. 11과 같은 MSM 내구해석 기법을 적용하였다. MSM 기법은 먼저 대상 모델에 작용하는 하중 이력의 주파수 특성을 분석하고 작용 하중 범위에 대한 고유 진동 해석을 수행하여 각 모드의 모달 응력(Modal stress)을 산출한다.
데이터처리
- 구성된 유한 요소 모델의 신뢰성 검토를 위해 트림 차체의 모달 시험을 실시한 후, 대표적인 2가지 모드에서의 시험 결과와 해석 결과를 상대 비교하였다. Table 2에 나타난 바와 같이 시험-해석간 고유 진동수 차이는 최대 5% 정도이며, 모드 형상은 잘 일치한 것으로 나타났다.
성능/효과
- 2) 소형전술 시제차량의 내구해석 결과, 캐빈과 프레임의 내구 수명은 각각 34,702km와 39,788km이고, 현가 부품 중 최소 내구 수명은 37,903km로 내구도 평가 목표 거리인 32,000km보다 높게 나타나 본 시제차량이 내구 안전성을 충분히 갖고 있음을 알 수 있었다. 본 해석 결과는 향후 시제 차량의 가속 내구 시험 후 구조물 검사를 통해 검증될 예정이다.
- 18에 보이는 바와 같이 전후방 프레임 마운팅 판넬간 용접 연결부와 마운팅 부쉬 근방의 단면 축소부인데, 상부암에서와 마찬가지로 하부 볼 조인트를 통해 전달되는 하중의 주 방향이 횡방향과 수직 방향인 것에 기인한다. 마지막으로 기어드 허브의 내구 취약부는 Fig. 19에 보이듯이 상부 볼 조인트 암과 허브 본체간 용접 연결부인데, 해당 용접 연결부의 곡률 반경이 2mm 정도로 작아 수직 방향 하중에 취약한 구조이므로 상부 볼 조인트 암 용접 연결부의 곡률 반경을 증대하는 설계 변경을 진행하면 기어드 허브의 내구 성능이 더욱 향상될 것으로 판단된다.
- 가상 시험 모델의 유효성 검토를 위해 3인치 간격 충격로 전달 하중 해석 및 주행 시험을 실시하였다. 여러 위치 중 캐빈 플로어 센터에서의 수직 가속도 이력을 비교해 본 결과, Fig. 9에서와 같이 해석파형이 시험 파형을 잘 추종하므로 내구 모드별 전달 하중 해석에 유효한 모델임을 알 수 있다.
- 먼저 직진 주행 해석을 통해 전후방 축중 분포를 계산한 후 실차 중량 계측 결과와 비교하여 Table 3에 나타내었다. 축중 및 차량 총 중량 측면에서 해석과 시험의 차이가 2% 이하인 것으로 볼 때 유연체 동역학 모델의 차량 자세 및 하중 전달이 잘 구현된 것으로 판단된다.
- 5에 보이는 바와 같이 횡경사로 주행 해석 및 시험을 수행하였다. 해석 결과 Fig. 6에서와 같이 40% 이상 71% 수준까지 횡경사 등판 주행이 가능한 것으로 나타났으며, 시험에서도 40% 횡경사 등판이 가능함을 알 수 있었다.
후속연구
- 3) 본 연구를 통해 소형전술 시제차량에 대한 전산 내구 평가 프로세스를 구축하였으므로, 향후 방위사업청에 납품할 기본형과 장축형 4차종에 대해서도 동일한 프로세스를 적용하면 소형전술 차량 체계 개발사업의 기간 및 비용을 대폭 절감시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 2) 소형전술 시제차량의 내구해석 결과, 캐빈과 프레임의 내구 수명은 각각 34,702km와 39,788km이고, 현가 부품 중 최소 내구 수명은 37,903km로 내구도 평가 목표 거리인 32,000km보다 높게 나타나 본 시제차량이 내구 안전성을 충분히 갖고 있음을 알 수 있었다. 본 해석 결과는 향후 시제 차량의 가속 내구 시험 후 구조물 검사를 통해 검증될 예정이다.
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