[논문]자동차 보강재 경량화을 위한 충격 실험장치 개발

김익태; 강형선

doi:10.5762/kais.2014.15.10.5963

자동차 보강재 경량화을 위한 충격 실험장치 개발
Development of an impact test device for Light-weight Automotive Reinforcements 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.15 no.10, 2014년, pp.5963 - 5967

김익태 (조선이공대학교 메카트로닉스과) , 강형선 (조선이공대학교 기계설계과)

초록
AI-Helper

본 자동차 충돌사고는 인간이 자동차 문명을 발전시킨 이래 누려온 편의성의 대가이기 때문에 많은 사람들이 충돌사고 시 승객의 사망과 상해를 기술적으로 감소시키기 위해 여러 가지 노력을 기울여 왔다. 도로교통공단 통계자료에 따르면 승용차 충돌사고로 인한 사망자 충 측면충돌사고에 의한 사망자가 정면충돌사고의 사망자보다 많다. 자동차 설계자들은 이에 대응하기 위해 도어 내부에 임팩트 빔(Impact Beam)과 임팩트 프레임(Impact Frame)이라는 보강재를 추가시켜 왔다. 이러한 보강재 개발을 위해 충돌실험은 필수적이다. 충돌실험의 경우 많은 비용과 시간이 소모되게 된다. 본 연구는 임팩터를 떨어뜨려 충격량과 변형량을 얻을 수 있는 실험장치 개발이 목적이다. 경제적 비용을 줄일 수 있는 이상적인 실험장치 구성을 제시하고, 수치해석 값과 실험결과 값을 비교 분석한 결과 충돌 시작 후 3.5E-3sec에서 각각 3.49E-3, 3.99E-3의 변형량을 나타냈다.

Abstract ▼ AI-Helper

Reducing the impact of collisions of cars is a major issue for reducing the injury and death of passengers. According to the statistical data of the Road Traffic Authority, the deaths from side collision accidents caused by the collision of passenger cars is greater than the deaths from head-on collision accidents. To accommodate this, vehicle designers have added a reinforcing material called the impact frame and impact beam on the inside of the door. Many experiments are needed to develop the door impact beam. These reinforcements to develop a collision experiment is essential. Collision experiments are costly and time consuming. This study used a drop Impactor to obtain the impulse and a strain experimental device was developed for this purpose. The economic costs were reduced and the ideal experiment device configuration was determined. A comparison of the experimental results with numerical value analysis revealed $3.5{\tiimes}10-3sec$ strain ranging from $3.49{\tiimes}10-3$ to $3.99{\tiimes}10-3$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

낙하 충격에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 Karas' example의 이론식과 Ansys WB을 통한 시뮬레이션 결과를 비교하고자 한다. 궁극적으로 신뢰도 높은 해석기법을 제시하여 낙하 충격에 대한 시뮬레이션을 수행하는데 그 목적이 있다.
본 연구는 많은 비용과 시간이 소모되는 기존의 실험보다 경제적 비용을 절감시킬 수 있는 실험장치 개발이 목적이다.
자동차 구조의 안정성을 확보하기 위한 통상적인 충격실험은 그 비용이 과다하므로 간소한 장치로 문제점을 개선 할 수 있는 방법을 개발하고자 하였다.

제안 방법

5) Winch Crane : 임팩터와 임팩터 클램프를 수직방향으로 이송하기 위한 장치로, 낙하 지점에서는 임팩터만 분리되어 자유낙하 될 수 있도록 설계하였다.
Fig. 3에서처럼 200mm×200mm×8mm 크기의 steel plate에 직경 10mm의 Ball을 150mm 높이에서 자유낙하시키는 Karas' example(Rigid Ball & Plate)을 해석하여, 이론식 결과와 비교하였다[3].
LabView를 이용한 제어 프로그램은 로드셀로부터 임팩터의 충격력을 측정하며, 동시에 도어 임팩트 빔에 부착한 스트레인게이지의 변형량을 실시간 모니터링 및 저장이 가능하도록 설계하였다.
낙하 충격에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 Karas' example의 이론식과 Ansys WB을 통한 시뮬레이션 결과를 비교하고자 한다.
따라서 이상적인 실험장치 구성을 제시하고, 수치해석 값과 실험결과 값을 비교 분석하였다.
본 시스템은 낙하충격을 이용한 충돌시스템이다. 충돌 시스템의 신뢰성 확보를 위해 아래와 같은 이론적 배경을 바탕으로 한 수치해석과 실험결과를 비교분석하였다.
본 시스템은 크게 수직 배치된 Pole을 중심으로 LM 가이드 시스템을 장착하고 Impact Beam이 장착된 실차 Door를 Loading 할 수 있는 Door Supporter와 충돌 직전까지 구동 및 이송의 기능을 하는 서보 시스템으로 구성하고자 하였으나, Scale down 한 예비 테스터 제작 결과 이송부 및 서보 시스템에 극한의 충돌하중 발생과 기구부의 다소 복잡한 메카니즘 설계가 이루어져야 하므로, 본 시스템의 자유낙하 방식의 수직충돌 타입으로 하였다.
본 연구에서는 로드셀에 의한 충격력 측정에 오류가 있어 스트레인게이지를 이용한 변형량 측정만 실시하였다.
수치해석을 통해 변형률 및 응력 등을 확인하였으며, 스트레인게이지를 이용한 Impactor의 낙하충격 실험을 통해 변형량을 측정 하였다.
본 시스템은 낙하충격을 이용한 충돌시스템이다. 충돌 시스템의 신뢰성 확보를 위해 아래와 같은 이론적 배경을 바탕으로 한 수치해석과 실험결과를 비교분석하였다.

대상 데이터

1) Impactor : 질량 80kg±10 이내로 설계하였으며, SM45C 재질로 제작하였다.
4처럼 Impactor, Plate로 구성되어 있다. 해석에 사용된 Plate의 경우 재질은 스틸과 스테인레스 스틸을 사용하였다. Impactor의 최대 지름은 200mm이며, Plate는 750mm×400mm×20mm이다.

데이터처리

수치해석 결과 값과 이론값 차이가 크지 않으므로 해석방법에 무리가 없는 것으로 판단하여 본 시스템에 대하여 수치해석을 수행하고, 실험 결과값과 비교하였다.
이론식에 따른 계산결과와 해석결과를 비교하였다. Max.

이론/모형

Karas' example의 이론적 배경은 Hertz's theory를 참고하였다.

성능/효과

8에 나타내었다. 변형량 형상은 응력형상과 일치하며, 최대 변형량도 3.5E-3sec에서 3.49E-3으로 나타났다.

후속연구

향후과제로는 측면 충돌 안정성평가시험법에 따른 결과값과 본 실험장치를 이용한 결과값 비교가 필요할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충돌 사고 시 승객의 사망과 상해를 감소하기 위해 많은 노력을 기울여 온 이유는?	자동차 충돌사고는 인간이 자동차 문명을 발전시킨 이래 누려온 편의성의 대가이기 때문에 많은 사람들이 충돌 사고 시 승객의 사망과 상해를 기술적으로 감소시키기 위해 여러 가지 노력을 기울여 왔다. 하지만 지금가지 개발·적용된 충돌안전대책의 내용을 살펴보면, 주로 승용차의 정면 충돌시의 승객상해를 감소시키는데 치중되어 왔다는 것을 알 수 있다.
	지금까지 개발·적용된 충돌안전대책의 한계는?	자동차 충돌사고는 인간이 자동차 문명을 발전시킨 이래 누려온 편의성의 대가이기 때문에 많은 사람들이 충돌 사고 시 승객의 사망과 상해를 기술적으로 감소시키기 위해 여러 가지 노력을 기울여 왔다. 하지만 지금가지 개발·적용된 충돌안전대책의 내용을 살펴보면, 주로 승용차의 정면 충돌시의 승객상해를 감소시키는데 치중되어 왔다는 것을 알 수 있다. 충돌사고 가운데 가장 빈번히 발생하고 승객에게 치명적인 상해를 가장 많이 입혔던 사고가 정면충돌사고였기 때문이다.
	자동차의 측면 충돌안정성 평가의 두 구분은 무엇인가?	자동차의 측면 충돌안정성 평가는 크게 2가지로 구분되어 있다. 일반적인 충돌 실험과 기둥측면충돌 실험으로 이루어지게 되어 있다.

참고문헌 (3)

W. J. Stronge, "Impact Mechanics" Cambridge Univ. Press, Illinois, pp.128-130, 2000. DOI: http://dx.doi.org/10.1017/CBO9780511626432
Serge Abrate, "Impact on Composite Structures" Cambridge Univ. Press, Illinois, pp.101-132, 1998.
D. H. Jung, J. J. Baek, "Study of Drop/impact test and Shock/impact survivability test for ELT(Emergency Locator Transmitter) Operations" KSAS, pp.204-208, December, 2008.

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