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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 효율적인 중량 저감을 위한 최적화 프로세스의 구축 및 이 프로세스를 적용한 소형전술차량 샤시부품들의 중량 저감효과에 대해 기술하였다. 먼저 현가 로어암의 경우 비선형 최적화 모듈인 ATOM의 위상 최적화 기법을 이용해서 형상, 체적, 변위제한조건을 설정하였고 중량 최소화라는 목적함수에 대한 최적설계를 통해 로어암의 중량 절감안을 도출하였다.
- 진화 알고리즘은 전역 최적해 탐색, 함수 형태와 상관없이 적용 가능, 효과적인 이산형 변수 처리 등의 장점이 있는 반면, 함수계산을 많이 하므로 해석 모델에 따라 최적설계 시 장시간이 소요되는 단점도 있다. 따라서 본 연구에서는 전역 최적해 탐색이 가능하며 이산형 변수를 효과적으로 처리할 수 있는 진화 알고리즘을 사용하여 샤시 프레임의 중량을 최소화하는 최적설계를 수행하였다.
- 앞서 전후륜 로어암의 강도해석 결과 모두 충분한 항복 안전율을 확보한 것으로 판단되었지만, 본 연구에서는 경량설계 자유도가 높은 후륜 로어암을 대상으로 중량 최적설계를 진행하였다.
제안 방법
- 1) 후륜 로어암과 샤시 프레임의 중량을 최소화하도록 설계변수와 설계 요구사항을 포함한 제한조건들을 정의하고 최적설계 문제를 정식화하였으며, 최적설계 수행을 위해 비선형 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS, 최적화모듈인 ATOM, 그리고 다중 최적화 프로그램인 Isight를 연계하는 프로세스를 구축하였다.
- 먼저 현가 로어암의 경우 비선형 최적화 모듈인 ATOM의 위상 최적화 기법을 이용해서 형상, 체적, 변위제한조건을 설정하였고 중량 최소화라는 목적함수에 대한 최적설계를 통해 로어암의 중량 절감안을 도출하였다.2-5) 다음으로 샤시 프레임의 경량화를 위해 다목적 최적화 프로그램인 Isight를 이용해서 프레임의 구성 부재별 중량효과를 고려한 비틀림 강성 민감도 해석을 통해 비틀림 강성에 둔감한 중량 부재들을 선정하였다. 6,7) 그리고 선정된 부재들의 두께 상하한을 설계변수로, 비틀림 강성 하한값을 제한조건으로, 전체중량의 최소화를 목적함수로 설정한 후 최적설계를 수행하여 프레임의 중량 절감안을 도출하였다.
- 2-5) 다음으로 샤시 프레임의 경량화를 위해 다목적 최적화 프로그램인 Isight를 이용해서 프레임의 구성 부재별 중량효과를 고려한 비틀림 강성 민감도 해석을 통해 비틀림 강성에 둔감한 중량 부재들을 선정하였다. 6,7) 그리고 선정된 부재들의 두께 상하한을 설계변수로, 비틀림 강성 하한값을 제한조건으로, 전체중량의 최소화를 목적함수로 설정한 후 최적설계를 수행하여 프레임의 중량 절감안을 도출하였다. 마지막으로 경량화 최적 프로세스의 유용성과 로어암과 샤시 프레임 중량 절감안의 설계 적용 가능성을 검토하기 위해 최적화 전후 사양에 대한 내구해석을 수행하였다.
- 이에 따라 본 연구에서는 최적 설계 수행을 위한 경계조건 입력시 Table 2와 같은 제동, 범핑, 코너링시 해석조건을 모두 고려하였다. 다음으로 후륜 로어암의 중량 저감을 위한 위상 최적화 정식화를 수행하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
- 2로 나타나 충분한 안전율을 갖는 것으로 나타났다. 따라서 목표 강도 및 내구성능을 만족시키면서 로어암의 중량을 효과적으로 줄이기 위해 단조형 구조물의 경량설계에 적합한 위상 최적화 기법을 적용하였다.
- 지금까지 위상 최적화 기법은 선형 구조설계에 적용되어 왔으나, 기하 및 재료 비선형 구조에 대한 사례는 찾아보기 힘든 상태이다. 따라서 본 연구에서는 비선형 구조해석에서도 적용 가능한 위상 최적화 기법을 정립하기 위해 비선형 구조해석 프로그램인 ABAQUS와 최적화 기능이 탑재된 ATOM 모듈을 이용하였으며, ATOM의 전체적인 해석절차는 Fig. 3과 같다.
- 6,7) 그리고 선정된 부재들의 두께 상하한을 설계변수로, 비틀림 강성 하한값을 제한조건으로, 전체중량의 최소화를 목적함수로 설정한 후 최적설계를 수행하여 프레임의 중량 절감안을 도출하였다. 마지막으로 경량화 최적 프로세스의 유용성과 로어암과 샤시 프레임 중량 절감안의 설계 적용 가능성을 검토하기 위해 최적화 전후 사양에 대한 내구해석을 수행하였다.
- 마지막으로 샤시 프레임 최적설계안에 대한 내구해석을 수행하여 목표 내구성능 만족여부를 고찰하였다. 내구해석 결과, 최적설계안의 내구지수는 Fig.
- 마지막으로 후륜 로어암 최적화 전후사양의 내구해석을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 7과 같다. 최적화 전후사양의 내구지수는 각각 2.
- 따라서 본 논문에서는 효율적인 중량 저감을 위한 최적화 프로세스의 구축 및 이 프로세스를 적용한 소형전술차량 샤시부품들의 중량 저감효과에 대해 기술하였다. 먼저 현가 로어암의 경우 비선형 최적화 모듈인 ATOM의 위상 최적화 기법을 이용해서 형상, 체적, 변위제한조건을 설정하였고 중량 최소화라는 목적함수에 대한 최적설계를 통해 로어암의 중량 절감안을 도출하였다.2-5) 다음으로 샤시 프레임의 경량화를 위해 다목적 최적화 프로그램인 Isight를 이용해서 프레임의 구성 부재별 중량효과를 고려한 비틀림 강성 민감도 해석을 통해 비틀림 강성에 둔감한 중량 부재들을 선정하였다.
- 샤시 프레임의 내구해석 결과 목표 내구성능을 만족시키므로, 목표 비틀림 강성내에서 내구지수 1.0 이상을 만족시키는 최적설계안을 도출하기 위해 OLHC(Optimal Latin HyperCube) 민감도 해석 및 진화 알고리즘에 의한 최적설계를 수행하였다. 이를 위해 Fig.
- 03인데, 최적설계를 통해 중량 저감 뿐만 아니라 내구성능 역시 향상됨을 알 수 있다. 이는 주로 확공부 증대 및 전방에서 봤을 때 꺽임각 축소에 기인한 것으로 판단되며, 쇽업소버 장착성까지 유리하게 만든 사양이므로 이 최적설계안을 최종 설계안으로 적용하였다.
- 0 이상을 만족시키는 최적설계안을 도출하기 위해 OLHC(Optimal Latin HyperCube) 민감도 해석 및 진화 알고리즘에 의한 최적설계를 수행하였다. 이를 위해 Fig. 12에 나타낸 바와 같이 다목적 최적화 프로그램인 Isight를 이용하여 비틀림 강성에 기반한 민감도 해석을 통해 주요 설계변수를 설정한 후 비틀림 강성과 두께 변화와 같은 제한조건에 따른 최소 중량안을 도출시키는 최적설계 절차를 구성하였다.
- 일반적으로 샤시 단조품의 강도해석을 위해 관성제거 기법이 활용되고 있으나, ATOM 모듈의 위상 최적화 기법에서는 관성 제거 기법을 적용할 수 없으므로 시행착오 방법을 통해 Table 2와 같은 등가의 정적 해석조건을 도출하였다. 또한 로어암의 경우 기본적으로 제동, 범핑, 코너링 조건에서 모두 항복 안전율을 확보해야 하는데, 해석조건별로 취약부가 다르게 나타나므로 산출된 최적 모델의 신뢰성이 부족할 수 있다.
대상 데이터
- 소형전술차량의 샤시 프레임은 휠베이스 기준으로 단축형(3300mm)과 장축형(4000mm) 2가지 유형으로 나뉘는데, 본 연구에서는 Fig. 8과 같은 캐빈과 후방 탑재물을 지지하는 장축형 프레임을 대상으로 경량설계를 진행하였다. 장축형 프레임의 경우 캐빈 마운팅 6개소, 후방 탑재물 마운팅 8개소, 총 14개소에서 지지하고 있으며, 설계된 프레임 중량이 차량 총중량의 8% 정도를 차지하므로 최적화 기법을 이용하여 강성, 강도 및 내구성능을 만족시키면서 경량화시키는 방안을 마련할 필요가 있다.
- 샤시 프레임의 내구해석을 위해서는 현가 마운팅부 전달하중 이력 추출을 위한 전달하중 해석을 수행해야 한다. 전달하중 해석의 입력인 휠 노면하중 성분들은 국방과학연구소 기동시험장에서 수행되는 실차 내구도 평가 기준에 근거하여 Table 3과 같은 주행 모드에 따른 노면하중 계측시험으로부터 취득하였으며, 실제 계측시험 중 야지로 계측시험장면은 Fig. 9에 나타내었다.
성능/효과
- 1) 신규 소형전술차량은 민수차량과 달리 다양한 군의 요구사항들을 충족시켜 개발되는데, 이 중 차량 총중량 제한은 최우선적으로 만족되어야 하는 항목이다. 특히 장축형 소형전술차량의 총중량은 7톤으로 제한되고 있으므로, 초기 설계단계에서 차량 전 부분에 걸친 경량설계 방안을 수립하여 여유 중량을 확보하는 게 요구되고 있다.
- 2) 후륜 로어암의 위상 최적화 결과, 변형에너지와 변위를 동시에 감소시키면서 체적을 감소시키는 최적 설계안을 도출하였으며, 최적설계안은 목표 내구지수를 만족시킴과 동시에 28.0%의 중량 저감효과도 나타내어 최종 설계안으로 적용할 수 있었다.
- 3) 샤시 프레임의 최적설계 결과, 52개 부재의 두께 변화를 반영한 경량 최적설계안을 도출하였으며, 현 사양 대비 4.1% 중량 저감효과가 있을 것으로 판단되었다.
- 마지막으로 샤시 프레임 최적설계안에 대한 내구해석을 수행하여 목표 내구성능 만족여부를 고찰하였다. 내구해석 결과, 최적설계안의 내구지수는 Fig. 13에 보이는 바와 같이 현 사양의 것보다 낮은 1.12 이상이나 목표 내구지수 이상이므로 중량 최소화라는 최적설계 목표를 달성하였다.
- 다음으로 휠 노면하중 이력을 기반으로 전달하중해석을 수행하여 각종 현가장치 마운팅부에서의 전달하중 이력을 추출한 결과, 현가 로어암, 어퍼암, 그리고 스프링을 거쳐 샤시 프레임에 전달되는 횡력과 수직력에 의해 샤시 프레임의 사이드레일과 크로스멤버에서 비틀림이 국부적으로 크게 발생될 것으로 예측되었다. 다음으로 추출된 전달하중 이력들을 입력조건으로 샤시 프레임의 내구해석을 수행한 결과 내구지수 1.
- 1과 같은 더블위시본 독립현가장치를 적용하고 있다. 전후륜 현가장치의 설계 데이터를 기반으로 반차 모델(Half-car model)을 구성한 후 현가 정하중 해석을 수행한 결과, 더블위시본 타입 특성상 기어드허브(Geared hub)를 통한 로어암(Lower control arm) 전달하중의 크기가 어퍼암(Upper control arm)의 것에 비해 크고, 로어암에 작용하는 힘 성분 중 횡력의 크기가 상당히 큼을 알 수 있었다.
- 최적설계 수행 결과, Fig. 4와 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 체적은 70% 수준을 유지하면서 변형에너지와 변위가 동시에 감소함을 알 수 있다.
- 최종적으로 최적화 해석을 통해 샤시 프레임의 목표 비틀림 강성을 만족시키는 각 부재들의 판넬 두께를 Table 4와 같이 결정하였으며, 이로부터 현 사양(556kg) 대비 4.1% 감소된 최적설계안(533kg)을 도출하였다.
- 현가 정하중 해석으로부터 추출된 전후륜 로어암의 하드포인트별 정적 전달하중을 기초로 하여 현 사양(재질: SCM440, 항복강도 834MPa)에 대해 관성 제거(Inertia Relief) 기법에 의한 강도해석을 수행한 결과, Fig. 2와 Table 1에 나타낸 바와 같이 항복안전율은 각각 2.0과 2.2로 나타나 충분한 안전율을 갖는 것으로 나타났다. 따라서 목표 강도 및 내구성능을 만족시키면서 로어암의 중량을 효과적으로 줄이기 위해 단조형 구조물의 경량설계에 적합한 위상 최적화 기법을 적용하였다.
후속연구
- 4) 본 연구의 중량 최적화 기법을 적용하면 초기 설계단계 및 시작차 제작 이전 샤시부품들의 경량 설계안을 효과적으로 제시할 수 있을 뿐만 아니라 개발기간 단축 및 시제품 개발비용 절감도 동시에 달성할 수 있으리라 판단된다.
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