[논문]자동차 도어 경량화를 위한 판재형 사이드 임팩트 빔 개발 프로세스

이인철; 이태규; 장동환

doi:10.5228/kstp.2015.24.2.130

문제 정의

본 논문에서는 설계된 사이드빔에 대한 적합성을 평가하고 설계변경에 반영하기 위하여 유한요소 법에 의한 옆문 강도해석을 수행하였다. 이러한 옆 문강도해석은 도어의 측면변형에 대한 기본적인 강도특성을 평가하는 필수적인 법규항목이다.
본 논문에서는 완성된 시제품의 성능에 대한 타당성을 검토하기 위하여 Fig. 9와 같이 상대적으로 설계변경의 난이도가 높았던 전면 도어에 대한 옆 문 강도시험을 수행하였다. 그림에서와 같이 시험조 건은 옆문 강도해석 조건과 동일하며 기존에 양산되고 있는 도어에 제작된 사이드 임팩트 빔을 조립하였다.
본 논문에서는 자동차 도어에 대한 경량화를 위하여 굽힘저항이 향상된 판재형 사이드 빔을 제안 하였다. 제품개발을 위하여 도어의 디자인 자유도를 향상시키기 위한 사이드빔에 대한 개념설계를 수행하였다.
본 논문은 기존 자동차 도어에 범용적으로 적용되고 있는 튜브형 사이드 임팩트 빔에 대해 경량화를위하여 판재형으로 개선한 개발 프로세스에 관한 것이다. 이를 위하여 핫스탬핑 공법으로 프레스 성형이 가능한 형상을 제안하였으며 수치해석결과를 이용하여 설계변경을 수행하고 시제품을 제작 하여 성능을 시험하였다.

가설 설정

하중조건은 FMVSS 214 시험방법에 따라 사이드 임팩트 빔이 조립된 도어에 대해 강체(rigid body)로 설정된 램(ram)을 차체의 횡방향으로 460mm까지 가압하였다. 이때 램에 발생하는 반력(reaction force)을 준정적 문제(quasi-static problem)로 가정하여 사이드 임팩트 빔에 대한 굽힘 저항력으로 계산하였다. 후면도어에 대한 해석조건은 Fig.

제안 방법

(1) 자동차 전면과 후면도어에 대한 판재형 사이드 임팩트 빔을 설계하고 안전성 평가를 위해 북미 FMVSS 214 정적 시험법규를 적용하여 수치해석을 수행하여 설계변경에 반영하였다.
Fig. 2(a)에서와 같이 1차 설계 단계에서 전면도어의 사이드 임팩트 빔은 두께 1.4mm의 굴곡형상의 개방형 형상을 적용하였다. 후면도어에서는 전면 도어 대비 상대적으로 단축된 도어의 형상을 고려하여 Fig.
Fig. 3(a)에서와 같이 전면 도어에 대한 옆문 강도해석에서는 도어를 차체 구조물(body-in-white)에 장착한 후에 해석의 효율성을 위해서 차체 구조물의 대칭방향으로 절단하고 모든 방향에 대한 병진운동(translate motion)을 구속하였다. 하중조건은 FMVSS 214 시험방법에 따라 사이드 임팩트 빔이 조립된 도어에 대해 강체(rigid body)로 설정된 램(ram)을 차체의 횡방향으로 460mm까지 가압하였다.
4와 같이 개방형 구조로 인하여 가해진 하중으로 중심에서 양방향으로 인장되어 벌어지는 현상이 발생하였다. 따라서 Fig. 5와 같이 단면에 대한 개방형 구조를 폐쇄형 구조로 변경하였으며 판재의 두께를 1.6mm로 증가시키고 사이드 임팩트 빔의 중앙 굴절부에 두께1.4mm의 보강재를 추가하였다. 이러한 설계변경에 따라 옆문 강도해석을 수행한 결과 Table 4와 같이 모든 경우에 대해 법규 기준을 만족하였다.
그리고 최대변위에 대한 굽힘 저항력은 법규에 제시된 100% 값을 만족하는 것으로 적용하고 있다. 따라서 본 논문에서는 정적 옆문 강도시험에서 초기와 중기변위에서는 120%, 최대변위 에서는 100%의 굽힘 저항력에 해당하는 값을 이용하여 사이드 임팩트 빔에 대한 적합성을 검증하였다.
표에서 알 수 있듯이 중기와 최대변위에서는 굽힘 저항력에 대한 법규기준을 만족하였으나 초기 변위에서는 목표값을 달성하지 못하였다. 변형된 형상에 대한 분석결과 특히 초기 굽힘저항에서 취약한 것으로 판단되어 Fig. 7과 같이 전면 도어와 동일하게 폐쇄형 단면의 형상으로 변경하고 가장 변형이 극심한 부분에 보강재 구조물을 추가하였다.이러한 설계변경에 따라 옆문 강도해석을 수행한 결과 Table 7과 같이 모든 경우에 대해 법규 기준을 만 족하였다.
본 논문에서는 자동차 도어에 대한 경량화를 위하여 기존에 냉연강판인 STDE980 소재를 적용한 중량 1.983kgf와 1.490kgf의 전/후면 튜브형 사이드 임팩트 빔에 대해 단면설계를 통하여 Fig. 2와 같이 프레스 성형이 가능한 판재형으로 각각 변경하였다. Fig.
제품개발을 위하여 도어의 디자인 자유도를 향상시키기 위한 사이드빔에 대한 개념설계를 수행하였다. 설계에 대한 적합성을 검증하기 위하여 유한요소해석에 의한 굽힘 저항특성을 검토하였으 며 해석결과를 이용하여 상세설계에 반영하였다. 전면 도어의 사이드 임팩트 빔에 대한 시제품을 제작 하여 도어모듈에 조립하고 요구되는 성능에 대한 평가를 위하여 옆문 강도시험을 수행하였다.
그림에서와 같이 시험조 건은 옆문 강도해석 조건과 동일하며 기존에 양산되고 있는 도어에 제작된 사이드 임팩트 빔을 조립하였다. 시험을 위하여 도어를 고정하기 위한 차체 구조물과 동일한 지그를 별도로 제작하고 미국 MTS사의 5ton 선형 유압 액츄에이터를 이용하여 1 mm/sec의 속도로 가압하여 시험을 수행하였다. Table 8은 전면도어의 옆문 강도시험에 의한 굽힘 저항력을 나타낸 것으로서 모든 조건에 대해 법규기준을 만족하였으며 초기변위에서는 해석결과보다 상대적으로 성능이 우수한 것으로 나타났다.
본 논문은 기존 자동차 도어에 범용적으로 적용되고 있는 튜브형 사이드 임팩트 빔에 대해 경량화를위하여 판재형으로 개선한 개발 프로세스에 관한 것이다. 이를 위하여 핫스탬핑 공법으로 프레스 성형이 가능한 형상을 제안하였으며 수치해석결과를 이용하여 설계변경을 수행하고 시제품을 제작 하여 성능을 시험하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
설계에 대한 적합성을 검증하기 위하여 유한요소해석에 의한 굽힘 저항특성을 검토하였으 며 해석결과를 이용하여 상세설계에 반영하였다. 전면 도어의 사이드 임팩트 빔에 대한 시제품을 제작 하여 도어모듈에 조립하고 요구되는 성능에 대한 평가를 위하여 옆문 강도시험을 수행하였다.
제안된 자동차 도어에 대한 판재형 사이드 임팩트 빔의 성형성과 조립성을 검토하기 위하여 판재 와 보강재에 대한 시작금형을 각각 가공하였다. 보론강 SABC1470 블랭크는 고주파 가열로를 이용하여 5분간 733C로 가열하였으며 이송시간은 8초이다.
본 논문에서는 자동차 도어에 대한 경량화를 위하여 굽힘저항이 향상된 판재형 사이드 빔을 제안 하였다. 제품개발을 위하여 도어의 디자인 자유도를 향상시키기 위한 사이드빔에 대한 개념설계를 수행하였다. 설계에 대한 적합성을 검증하기 위하여 유한요소해석에 의한 굽힘 저항특성을 검토하였으 며 해석결과를 이용하여 상세설계에 반영하였다.
3(b)와 같으며 경계조건과 가압조건은 전면도어의 경우와 동 일하게 설정하였다. 해석에 사용된 차체 구조물에서 각각의 부재들과 판재들의 용접조건들에 대한 영향은 무시했으며 모든 차체 구조물의 구성요소들을 강체요소(RBE2)로 결합하는 일반적인 방법을 사용하였다. 유한요소모델링에서 쉘 격자망(shell mesh)을 사용하였으며 전/후처리와 해석을 위해서 상용프로 그램인 HyperMesh와 Nastran을 각각 사용하였다.

대상 데이터

해석에 사용된 차체 구조물에서 각각의 부재들과 판재들의 용접조건들에 대한 영향은 무시했으며 모든 차체 구조물의 구성요소들을 강체요소(RBE2)로 결합하는 일반적인 방법을 사용하였다. 유한요소모델링에서 쉘 격자망(shell mesh)을 사용하였으며 전/후처리와 해석을 위해서 상용프로 그램인 HyperMesh와 Nastran을 각각 사용하였다. 해석에 사용된 SABC1470에 대한 물성조건은 Table 2와 같다[11].
제조원가의 급격한 상승을 방지하고 강성을 확보하기 위해서 기존에 적용된 철강소재를 유지하면서 핫스탬핑 공법으로 성형이 가능한 보론강 SABC1470 소재를 이용하였다. 적용되는 대상차종은 국내 완성차 메이커의 중형급 양산모델이며 전면과 후면 도어에 동일하게 적용하였다. 설계된 사이드 임팩트 빔에 대한 안전도에 대한 적합성을 검증하기 위해서 북미의 FMVSS 214 정적 시험법규를 이용하여 굽힘 저항력에 대한 평가기준을 적용하였다 [10].
8mm로 되어 있는 두 개의 개방형 판재가 겹치는 구조로 구성하였다. 제조원가의 급격한 상승을 방지하고 강성을 확보하기 위해서 기존에 적용된 철강소재를 유지하면서 핫스탬핑 공법으로 성형이 가능한 보론강 SABC1470 소재를 이용하였다. 적용되는 대상차종은 국내 완성차 메이커의 중형급 양산모델이며 전면과 후면 도어에 동일하게 적용하였다.

이론/모형

적용되는 대상차종은 국내 완성차 메이커의 중형급 양산모델이며 전면과 후면 도어에 동일하게 적용하였다. 설계된 사이드 임팩트 빔에 대한 안전도에 대한 적합성을 검증하기 위해서 북미의 FMVSS 214 정적 시험법규를 이용하여 굽힘 저항력에 대한 평가기준을 적용하였다 [10]. Table 1은 각각 전면과 후면도어에 대해 옆문 강도시험에서 FMVSS 214 법규에 규정된 굽힘 저항력을 나타낸 것이다.
3(a)에서와 같이 전면 도어에 대한 옆문 강도해석에서는 도어를 차체 구조물(body-in-white)에 장착한 후에 해석의 효율성을 위해서 차체 구조물의 대칭방향으로 절단하고 모든 방향에 대한 병진운동(translate motion)을 구속하였다. 하중조건은 FMVSS 214 시험방법에 따라 사이드 임팩트 빔이 조립된 도어에 대해 강체(rigid body)로 설정된 램(ram)을 차체의 횡방향으로 460mm까지 가압하였다. 이때 램에 발생하는 반력(reaction force)을 준정적 문제(quasi-static problem)로 가정하여 사이드 임팩트 빔에 대한 굽힘 저항력으로 계산하였다.

성능/효과

(2) 판재형 사이드 임팩트 빔에 대해 개방형 구조는 굽힘 저항이 취약하며 폐쇄형 구조가 상대적으로 가압하중에 의한 에너지를 흡수하는 구조로 적 합하다.
(3) 굽힘 저항력을 향상시키기 위하여 판재형 사이드 임팩트 빔의 구조물에서는 변형이 극심한 굴 절 중앙부에 보강재의 추가가 효율적이며 전체적인 구조물의 강성에 많은 영향을 준다.
(4) 기존 튜브형 사이드 임팩트 빔과 비교하여 법 규기준을 모두 만족하면서 판재형 전면 도어 사이드 임팩트 빔은 2 2.5%, 후면 도어의 경우는 25.5%의 경량화 효과가 각각 있었다.
(5) 핫스탬핑 공법으로 제작된 전면도어의 사이드 임팩트 빔에 대한 옆문 강도시험을 평가한 결과 요구되는 법규조건을 만족하였다.
이러한 설계변경에 따라 옆문 강도해석을 수행한 결과 Table 7과 같이 모든 경우에 대해 법규 기준을 만 족하였다. 또한 기존 양산에서 사용하고 있는 튜브형 사이드 임팩트 빔과 비교하여 25.5%의 경량화를 달성하였다. 이상과 같은 결과를 통해 도어의 사이드 임팩트 빔은 전면이나 후면이나 동일하게 개방형 구조로는 가압 하중에 의한 에너지를 용이하게 흡수할 수 없는 구조로 판단되었다.
이와 같은 최종적인 전면도어에 대한 사이드 임팩트 빔의 옆문 강도해석결과 Table 5와 같이 모든 경우에 대해 만족하면서 2차 설계모델과 비교하여 전반적으로 굽힘 저항특성도 향상되었다. 또한 기존에 양산모델과 비교하여 중량이 2 2.5% 감소하여 경량화의 효과를 얻을 수 있었다.
현재까지 튜브형 구조물에 대해 순수 굽힘 응력 상태에서 직경과 두께의 변화에 따른 모멘트 특성을 이론적으로 예측하는 많은 연구가 진행되어져 왔다. 또한 유한요소법을 이용한 모의실험을 통해 이러한 구조물에 대한 변형특성을 분석하고 이를 통해 박육형 구조물에 대해서도 수치해석적 방법을 적용하여 하중특성을 효율적으로 예측할 수 있는 것으로 알려졌다[4].
8은 최종적으로 성형이 완료된 전면과 후면 도어에 대한 사이드 임팩트 빔에 대한 사진으로서 판재와 중앙 굴절부의 보강재 는 레이저 용접을 이용하여 체결하였다. 완성된 시제품에 대해 육안으로 확인한 결과 표면손상, 국부 터짐, 주름 등과 같은 성형불량은 나타나지 않았다.
5%의 경량화를 달성하였다. 이상과 같은 결과를 통해 도어의 사이드 임팩트 빔은 전면이나 후면이나 동일하게 개방형 구조로는 가압 하중에 의한 에너지를 용이하게 흡수할 수 없는 구조로 판단되었다. 또한 사이드 임팩트 빔의 구조물에서는 보강재의 역할이 지배적인 영향을 주는 것으로 보여진다.
6mm로 두께를 증가시켰다. 이와 같은 최종적인 전면도어에 대한 사이드 임팩트 빔의 옆문 강도해석결과 Table 5와 같이 모든 경우에 대해 만족하면서 2차 설계모델과 비교하여 전반적으로 굽힘 저항특성도 향상되었다. 또한 기존에 양산모델과 비교하여 중량이 2 2.

후속연구

(6) 향후에 저연비 차량개발을 위해 모노코크 차체의 기타 다른 구조물에 대해서도 판재형 구조물 을 이용한 적용 가능성이 높을 것으로 판단된다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

자동차 도어 경량화를 위한 판재형 사이드 임팩트 빔 개발 프로세스
Development Process of Side Impact Beam for Automotive Light-Weighting Door using Sheet Type 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

자동차 도어 경량화를 위한 판재형 사이드 임팩트 빔 개발 프로세스 Development Process of Side Impact Beam for Automotive Light-Weighting Door using Sheet Type 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이인철 (8) 장동환 (15)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

자동차 도어 경량화를 위한 판재형 사이드 임팩트 빔 개발 프로세스
Development Process of Side Impact Beam for Automotive Light-Weighting Door using Sheet Type 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper