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문제 정의
- 하지만 이러한 강체 다물체 동역학 모델은 실제 강성이 낮은 요소들의 탄성변형을 고려하지 못하여 실제 시험과 다른 결과를 도출할 수도 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 차량의 샤시 부품을 유연체 모델로 해석함으로써(4) 보다 정확한 해석이 가능하게 하였다. 본 연구에서는 다물체 동역학 해석프로그램 MSC.
- NASTRAN을 이용하여 모드해석을 수행하고 유연체 모델을 생성하여 Adams/View 상의 강체 모델에 입력하였다. 그 결과 탄성변형을 고려한 해석으로 좀 더 정확한 해석을 가능케 하였다.
제안 방법
- 이러한 문제점을 해결하기 위해 본 연구에서는 차량의 샤시 부품을 유연체 모델로 해석함으로써(4) 보다 정확한 해석이 가능하게 하였다. 본 연구에서는 다물체 동역학 해석프로그램 MSC.ADAMS(5)를 이용하여 다물체 동역학 모델을 구성하고 그 모델의 휠 센터에 도로하중이력을 부여하여 각 부품의 동하중을 분석하고 MSC.Fatigue(6)를 사용하여 각 부품의 수명을 예측하였다.
- 현가장치와 같은 다물체 동역학 해석에서 유연성을 고려하는 요소에는 부시 요소와 댐퍼 요소를 들 수 있으며 이러한 거동 모델은 해석의 정확성에 영향을 끼친다. 부시 요소는 각 차량과 부품 사이의 충격을 완화해주는 역할을 하는데 부시의 특성은 정적시험을 통하여 3 방향의 강성과 3 방향의 회전 강성을 측정하였고, 측정한 강성은 강성계수로 표현 되었다. 텐션, 래터럴 암과 서브프레임, 서브프레임과 차체, 어퍼암과 차체는 부시로 연결하였으며 각 부시의 강성은 Table 1과 같다.
- NASTRAN(7)을 이용하여 자유경계조건에서 모드해석을 수행하여 Nodal coordinates, Element topology, Nodal mass, Generalized stiffness, Generalized mass, Nodal displacements 등 각 부품의 유연성 데이터를 생성한다. 이를 ADAMS.FLEX에서 MNF 파일을 생성하여 ADAMS 모델에 입력하였다. 총 6개의 부품을 정규모드해석을 통해 고유주파수를 추출하였으며, 각 부품의 1차 모드는 Table 2와 같다.
- FLEX에서 MNF 파일을 생성하여 ADAMS 모델에 입력하였다. 총 6개의 부품을 정규모드해석을 통해 고유주파수를 추출하였으며, 각 부품의 1차 모드는 Table 2와 같다.
- 2장에서 모델링한 가상시험 모델을 이용하여 가상내구해석을 수행하였다. 유연체 다물체 동역학 해석을 통하여 차량 서스펜션 요소에서 가장 큰 응력을 나타내는 래터럴 암과 어퍼 리어 암의 내구해석을 수행하였다.
- 2장에서 모델링한 가상시험 모델을 이용하여 가상내구해석을 수행하였다. 유연체 다물체 동역학 해석을 통하여 차량 서스펜션 요소에서 가장 큰 응력을 나타내는 래터럴 암과 어퍼 리어 암의 내구해석을 수행하였다. Fig.
- 고유모드해석을 통해 시스템 고유진동수가 가진 주파수 범위 내에 있다면 동적특성을 고려한 피로해석을 수행해야 하며, 이 과정에서 고유모드 해석시 모드별 응력 값을 산출한다. 다음으로 입력하중에 대한 시스템 응답을 구하기 위해 과도 진동해석을 수행한다. 마지막으로 피로해석부에서는 모드별 응력과 과도응답해석의 결과인 모드기여도를 중첩하여 실제 응력을 얻고, Fig.
- (1) 차량의 각 부품을 유한요소로 모델링 한 후 MSC.NASTRAN을 이용하여 모드해석을 수행하고 유연체 모델을 생성하여 Adams/View 상의 강체 모델에 입력하였다. 그 결과 탄성변형을 고려한 해석으로 좀 더 정확한 해석을 가능케 하였다.
- (2) 실제 도로에서 추출한 하중이력을 가상시험실 내의 차량의 휠 센터에 입력하여 각 부품에 부여되는 동하중을 해석하고 실제 주행 테스트 결과와 비교하여 해석결과를 검증하였다. 그 결과 스프링의 변위는 시험 결과와 수렴하였지만 로워 래터럴 암의 볼 조인트의 동하중은 다소 상이하게 나타났다.
- 본 연구에서 고려한 차량은 국산 대형 승용차로서 서스펜션 방식은 앞뒤 모두 멀티링크로 구성되어 있다. 본 논문에서는 시작차 제작 이전의 설계 단계에서의 전륜 현가장치의 수명 예측이므로 다른 요소들은 생략하고 전륜현가장치 요소만 고려하여 모델링 하였다. Fig.
- 모델은 유연체 다물체 동역학 해석을 위해 MSC. NASTRAN(7)을 이용하여 자유경계조건에서 모드해석을 수행하여 Nodal coordinates, Element topology, Nodal mass, Generalized stiffness, Generalized mass, Nodal displacements 등 각 부품의 유연성 데이터를 생성한다. 이를 ADAMS.
- 가상시험실을 구축하여 차량부품의 내구성을 예측하기 위해선 각 부품에 하중이력을 부여하여야 한다. 본 논문에서는 연구 대상 차량에 WFT(wheel force transducer)를 부착하여 Fig. 2와 같은 PG(proving ground)내 내구시험로인 벨지안로를 주행하여 하중이력을 6분력으로 측정하였다. 이렇게 실제 도로에서 측정한 도로 하중 이력을 가상시험실내 차량 모델의 휠 센터에 부여 하였다.
- (3) 모드 중첩법과 응력-수명 방법을 이용하여 차량 부품 중 가장 응력이 크게 집중되는 리어 어퍼암과 차량부품 내구성에 영향을 미치는 로워 래터럴 암을 MSC.Fatigue를 이용하여 내구성 해석을 수행하였다. 그 결과 어퍼 리어 암은 11,400회 벨지안로를 주행할 수 있는 결과를 예상하여 최적설계 범주 안에 들지만, 로워 래터럴 암은 1.
대상 데이터
- 본 연구에서 고려한 차량은 국산 대형 승용차로서 서스펜션 방식은 앞뒤 모두 멀티링크로 구성되어 있다. 본 논문에서는 시작차 제작 이전의 설계 단계에서의 전륜 현가장치의 수명 예측이므로 다른 요소들은 생략하고 전륜현가장치 요소만 고려하여 모델링 하였다.
- 차량 모델은 실제 차량과 같은 기구학적 구조를 가지는 조인트로 구성하였다. 텐션암 및 래터럴 암과 너클, 두 개의 어퍼암과 너클, 너클과 타이로드 엔드는 자유도가 3인 구면 조인트를 사용하였다. 현가장치와 같은 다물체 동역학 해석에서 유연성을 고려하는 요소에는 부시 요소와 댐퍼 요소를 들 수 있으며 이러한 거동 모델은 해석의 정확성에 영향을 끼친다.
- Fatigue를 이용하여 각 요소의 내구성 예측이 가능하다. 이를 위해 전륜의 서브프레임, 로어 레터럴암, 로어 텐션암, 두 개의 어퍼암을 유연체로 선정하였다. 모델은 유연체 다물체 동역학 해석을 위해 MSC.
이론/모형
- 이를 위해 전륜의 서브프레임, 로어 레터럴암, 로어 텐션암, 두 개의 어퍼암을 유연체로 선정하였다. 모델은 유연체 다물체 동역학 해석을 위해 MSC. NASTRAN(7)을 이용하여 자유경계조건에서 모드해석을 수행하여 Nodal coordinates, Element topology, Nodal mass, Generalized stiffness, Generalized mass, Nodal displacements 등 각 부품의 유연성 데이터를 생성한다.
- 내구성 해석은 MSC.Fatigue를 사용하였으며 데이터 양을 줄이면서 구조물의 동적인 효과를 고려할 수 있는 모드 중첩법을 이용하여 내구성 해석을 수행하였다.(5) Fig.
- 그 결과 스프링의 변위는 시험 결과와 수렴하였지만 로워 래터럴 암의 볼 조인트의 동하중은 다소 상이하게 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해 피로역학적으로 의미 있는 레인지-페어 기법을 이용하여 동역학 해석 결과를 검증하였다.
- 하지만 고주파수 구간에선 시험결과와 다소 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다. 따라서 시간에 따른 하중으로는 비교할 수 없다고 판단하여 피로 해석학적으로 의미 있는 레인지-페어 카운팅(Range-pair counting) 기법을 이용하여 해석 결과를 검증하였다. Fig.
성능/효과
- 7은 전륜 스프링의 변위를 시험과 비교한 결과를 도시하였다. 저주파수 구간에서 부품하중에 대한 최대값을 비교할 경우 시험결과와 해석결과가 일치하는 것으로 나타났다. 하지만 고주파수 구간에선 시험결과와 다소 차이가 나타나는 것을 볼 수 있다.
- 그 결과 어퍼 리어 암은 11,400회 벨지안로를 주행할 수 있는 결과를 예상하여 최적설계 범주 안에 들지만, 로워 래터럴 암은 1.02 × 108회가 예상되어 다소 과설계된 측면이 있으므로 부품의 두께를 줄이거나 기존의 소재보다 강성이 낮은 저렴한 소재를 사용하여 차량의 경량화와 비용절감이 충분히 가능 하다고 판단된다.
- (2) 실제 도로에서 추출한 하중이력을 가상시험실 내의 차량의 휠 센터에 입력하여 각 부품에 부여되는 동하중을 해석하고 실제 주행 테스트 결과와 비교하여 해석결과를 검증하였다. 그 결과 스프링의 변위는 시험 결과와 수렴하였지만 로워 래터럴 암의 볼 조인트의 동하중은 다소 상이하게 나타났다. 이러한 문제를 해결하기 위해 피로역학적으로 의미 있는 레인지-페어 기법을 이용하여 동역학 해석 결과를 검증하였다.
- 이와 같이 본 논문에서는 차량설계가 완료되기 전 개발 초기단계에 내구성 해석, 구조 해석, 유연체 다물체 동역학 해석 등 다양한 해석을 복합적으로 수행함으로써 실험실 내에서의 로드 시뮬레이터를 이용하여 내구 시험을 수행하기 전에 가상 시험실에서의 내구성 예측을 가능하게 하여 비용과 시간의 절감을 가능하게 하였다.
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