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문제 정의
- 본 연구는 차량의 후륜 현가장치의 개발과정에서 컴퓨터 해석 결과의 활용도가 매우 낮음을 인식하고 이를 대체할 수 있는 통합 CAE 기법을 개발하고, 범용 소프트웨어를 이용한 피로수명 예측 과정에 소요되는 시간을 단축하며, 피로수명 예측 결과와 실험 결과의 비교 분석을 통해 정확도를 확보함을 목표로 하였다.
- 본 연구에서는 차량의 후륜 현가장치의 개발과정 중 컴퓨터 해석 결과의 활용도가 매우 낮음을 인식하고, 이를 대체할 수 있는 CAE(Computer Aided Engineering) 기법을 개발하는 것을 목표로 하였다.
제안 방법
- 구성 완료한 모델을 이용하여 1 Live의 동역학 해석을 진행한 후 이 결과를 다시 MSC.Fatigue을 이용하여 내구해석 하는 방법과 ADAMS/Durability를 이용하여 내구해석을 하는 방법을 모두 이용하여 내구해석을 수행하였다.
- 또한 이러한 과정에서 해석의 시간을 단축할 수 있다. 그러나 본 논문에서는 준 정적 내구해석과의 차이를 최소화하기 위해 정규 모드해석의 결과로 얻은 36차 모드까지의 결과 중 강체 모드 6개를 제외한 총 30개의 모드를 모두 선택하여 유연체 해석을 수행하였다. 이것은 준정적 내구해석에서 이와 같은 중간과정에서 결과에 영향 끼치는 작업을 할 수 없기 때문이다.
- 기구학적 요소의 연결을 위해서는 그라운드와 댐퍼의 연결과 토션빔과 댐퍼의 연결에 자유도가 3인 구면 조인트를 이용하였고, 그라운드와 토션빔의 연결과 토션빔과 차축과의 연결에 자유도가 1인 레볼루트 조인트를 이용하였다. 그리고 차체에 장착되는 하드 포인트를 고정 조인트를 이용하여 완전 구속하였다.
- 기구학적 요소의 연결을 위해서는 그라운드와 댐퍼의 연결과 토션빔과 댐퍼의 연결에 자유도가 3인 구면 조인트를 이용하였고, 그라운드와 토션빔의 연결과 토션빔과 차축과의 연결에 자유도가 1인 레볼루트 조인트를 이용하였다. 그리고 차체에 장착되는 하드 포인트를 고정 조인트를 이용하여 완전 구속하였다.
- 첫 번째는 실제 차량에서 장착되는 것과 동일한 경계조건에서 구조해석을 수행하여 변형량(Deformation), 응력(Stress) 등의 결과를 도출하였다. 두 번째는 자유 경계조건에서 모드 해석을 수행하여 노드좌표계, 모드 질량, 강성(Generalized Stiffness), 질량(Generalized Mass) 등의 결과를 도출하였다. 이 결과를 바탕으로 MD.
- 모델은 실 차량에 장착된 것과 같은 기구학적 구조를 가지는 조인트로 구성하였으며, 기구학적 모드와 컴플라이언스 모드에 따라 작용하는 조인트 또는 부시를 다르게 하였다.
- 이 때 구성된 요소의 평균 Mesh-size는 5mm이며 각 재질은 Table 1에 나타낸 바와 같다. 유한 요소 모델은 MD.Nastran을 이용하여 두 가지 서로 다른 결과 파일을 도출하였다. 첫 번째는 실제 차량에서 장착되는 것과 동일한 경계조건에서 구조해석을 수행하여 변형량(Deformation), 응력(Stress) 등의 결과를 도출하였다.
- 두 번째는 자유 경계조건에서 모드 해석을 수행하여 노드좌표계, 모드 질량, 강성(Generalized Stiffness), 질량(Generalized Mass) 등의 결과를 도출하였다. 이 결과를 바탕으로 MD.ADAMS/Flex를 이용하여 MNF(Modal Neutral File) 형식의 파일을 생성하였다.(5,6) 두 개의 서로 다른 파일형태를 도출한 이유는 준정적 내구해석 기법과 공진 내구해석 기법에서 각자 요구되는 입력인자에 차이가 있기 때문이다.
- 이 목표를 실현하기 위하여 준정적 내구해석 기법을 검토하고 문제점을 도출하였다.
- 이를 위해 범용 소프트웨어를 이용한 피로수명 예측에 있어서 준정적 내구해석 기법과 공진 내구해석 기법(3)의 해석시간 분석을 통해 경제성을 비교하였으며, 해석을 통해 도출한 피로수명 예측 결과와 실험을 통해 얻은 피로수명 결과의 차이를 비교 분석하여 두 해석의 정확도를 비교함을 목표로 한다.
- 따라서 이를 대체할 방법을 도출하기 위해 내구해석 결과를 활용하는 업계의 요구사항을 연구하였으며 그 결과 구조해석 대신 정규모드해석의 결과를 이용한 다물체 동역학 모델을 구성하고 이를 이용해 동역학 해석을 할 경우 업체에서 요구하는 차량의 기구학적 특성 예측 및 차량 전체(Full car)해석을 위한 차량의 하위 모델을 구축할 수 있었다. 이를 통해 기존의 구조해석과 동역학 해석을 따로 하던 과정을 일원화하여 해석 결과의 활용도를 높였으며 해석 결과의 검증 및 이해가 쉽도록 하였다.
- Nastran을 이용하여 두 가지 서로 다른 결과 파일을 도출하였다. 첫 번째는 실제 차량에서 장착되는 것과 동일한 경계조건에서 구조해석을 수행하여 변형량(Deformation), 응력(Stress) 등의 결과를 도출하였다. 두 번째는 자유 경계조건에서 모드 해석을 수행하여 노드좌표계, 모드 질량, 강성(Generalized Stiffness), 질량(Generalized Mass) 등의 결과를 도출하였다.
- 토션빔 액슬의 해석은 초기 균열(Initial Crack)이 발생했을 때, 파손이 일어났다고 판단하기 위해서 초기균열(Crack Initiation) 해석을 수행하였다. 평균응력의 효과를 고려하기 위해서 Morrow 식을 적용하였다.
대상 데이터
- 부시는 트레일링 암과 차체의 결합부에 사용된 A Bush의 물성치를 사용하였다. 이때 사용된 물성치는 제품 제작 업체에서 제공한 Data를 활용하였다.
- 유한 요소 모델링은 개발품의 3차원 모델을 업체로부터 제공받아 기본 형상으로 이용하였으며, Mesh는 Altair HyperMesh을 이용하여 Fig. 1과 같이 구성하였다. 구성된 유한요소모델은 ‘Element quality check’을 활용하여 3차원 모델과의 차이가 1%이하가 되도록 하였다.
이론/모형
- 토션빔 액슬의 해석은 초기 균열(Initial Crack)이 발생했을 때, 파손이 일어났다고 판단하기 위해서 초기균열(Crack Initiation) 해석을 수행하였다. 평균응력의 효과를 고려하기 위해서 Morrow 식을 적용하였다. Morrow식은 SWT식에 비해 강재(Steel) 제품에 대해 높은 정확성을 가진다.
성능/효과
- 하지만 해석을 위한 시간만을 비교해 보면 준정적 내구해석의 경우 총 20회의 반복 해석을 한 결과, 해석 시간이 평균 약 13시간으로 본 연구에 이용된 기법에서의 총 30회의 반복 해석 평균인 약 32분에 비해 약 25배 오래 걸림을 확인하였다. 따라서 본 연구 중 개발한 기법을 사용할 경우 부품 개발 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 이점이 있다.
- 따라서 이를 대체할 방법을 도출하기 위해 내구해석 결과를 활용하는 업계의 요구사항을 연구하였으며 그 결과 구조해석 대신 정규모드해석의 결과를 이용한 다물체 동역학 모델을 구성하고 이를 이용해 동역학 해석을 할 경우 업체에서 요구하는 차량의 기구학적 특성 예측 및 차량 전체(Full car)해석을 위한 차량의 하위 모델을 구축할 수 있었다. 이를 통해 기존의 구조해석과 동역학 해석을 따로 하던 과정을 일원화하여 해석 결과의 활용도를 높였으며 해석 결과의 검증 및 이해가 쉽도록 하였다.
- 그리고 본 연구에서 진행한 내구해석의 결과를 비교한 결과 내구시험에서 목표로 한 값에 더욱 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 또 이 결과는 준정적 내구해석에서 내구시험 결과와 해석 결과의 연관성 확보를 위해 했던 부시의 강성을 변경하거나 환산 계수(Scale Factor)의 조정을 하지 않고도 도출한 결과였기에 준정적 내구해석을 함께 진행한 업체의 정형화된 해석 방법보다 시간을 획기적으로 축소하고 내구수명 결과를 비교적 정확히 예측할 수 있는 방법이라 판단하였다.
- 또한 두 방법의 내구해석의 결과에서도 그 결과가 1390 Lives(= 205,725,560 cycles)로 무한 수명이라 판단하였던 준정적 내구해석의 결과보다 시험에서 목표로 했던 5 Lives의 수명에 가까운 결과를 도출하여 기존의 방법에 비해 업체의 요구조건에 부합하였다고 판단된다.
- 또한 준정적 내구해석에서 가장 많은 시간을 소요했던 구조해석의 계산 시간과 비교하여 동역학 해석을 위한 모델을 구성하고 동역학 해석을 진행하면 획기적인 시간 단축이 가능하였다.
- 마지막으로 준정적 내구해석 시 진행한 내구 시험의 결과와 내구해석의 결과,(7) 그리고 본 연구에서 진행한 내구해석의 결과를 비교한 결과 내구시험에서 목표로 한 값에 더욱 근접한 결과를 얻을 수 있었다. 또 이 결과는 준정적 내구해석에서 내구시험 결과와 해석 결과의 연관성 확보를 위해 했던 부시의 강성을 변경하거나 환산 계수(Scale Factor)의 조정을 하지 않고도 도출한 결과였기에 준정적 내구해석을 함께 진행한 업체의 정형화된 해석 방법보다 시간을 획기적으로 축소하고 내구수명 결과를 비교적 정확히 예측할 수 있는 방법이라 판단하였다.
- 유연체 모델을 동역학 모델에 적용 시 본 연구의 대상이 되는 토션빔의 경우에는 모드 선택을 통해 실제 작동 조건이 고주파 영역에서는 작동하지 않으므로 고(高) 차수 모드를 제외하고 과도 응답 해석을 진행하여도 해석에 충분한 신뢰성을 얻을 수 있다. 또한 이러한 과정에서 해석의 시간을 단축할 수 있다.
- 9는 1 Live의 동역학 해석을 완료한 결과로부터 핫스팟의 하중 이력을 도시한 것이다. 이 결과를 구조해석의 최대 응력과 비교한 Table 4에서 두 결과의 오차가 0.502%인 것으로 보아 해석 결과는 본 연구에 이용된 기법과 준정적 내구 해석에서 이용된 기법의 차이가 거의 없는 것으로 판단된다.
- 에서는 해석결과에 영향을 미치는 유한요소모델 요소의 분석을 위해 준정적 내구해석을 이용하였으며, 비선형 특성을 보이는 부시의 물성치를 고려하기 위하여 ABAQUS/Standard를 이용하여 구조해석을 수행하였고, 이로 인해 최종 결과를 도출하기까지 평균 20시간이 소요되었다. 이 중 구조해석 시 컴퓨터를 이용한 계산에 소요된 시간은 평균 13시간으로 이 시간을 줄일 수 있다면 최종적으로 전체 내구해석에 소요되는 시간을 줄일 수 있을 것으로 판단하였다.
- 하지만 해석을 위한 시간만을 비교해 보면 준정적 내구해석의 경우 총 20회의 반복 해석을 한 결과, 해석 시간이 평균 약 13시간으로 본 연구에 이용된 기법에서의 총 30회의 반복 해석 평균인 약 32분에 비해 약 25배 오래 걸림을 확인하였다. 따라서 본 연구 중 개발한 기법을 사용할 경우 부품 개발 시간을 획기적으로 단축할 수 있는 이점이 있다.
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