[논문]분산 분석을 이용한 자동차 안전벨트 준정적 해석과 인장시험 상관성 개선

이광섭; 어영우; 김삼성; 김두용; 송택림; 이경상

doi:10.7467/ksae.2016.24.3.273

분산 분석을 이용한 자동차 안전벨트 준정적 해석과 인장시험 상관성 개선
Quasi-static Analysis of Vehicle Seatbelt Using Analysis of Variance and Improvement of Tensile Test Correlation 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.3, 2016년, pp.273 - 278

이광섭 (우신세이프티시스템 기술연구소 선행개발팀) , 어영우 (우신세이프티시스템 기술연구소 선행개발팀) , 김삼성 (우신세이프티시스템 품질보증팀) , 김두용 (우신세이프티시스템 기술연구소 선행개발팀) , 송택림 (우신세이프티시스템 기술연구소 선행개발팀) , 이경상 (우신세이프티시스템 기술연구소 선행개발팀)

Abstract ▼ AI-Helper

This study makes a relative comparison of the results of tensile test and quasi-static analysis using AGL(Adjuster Guide Loop) model that plays a role in adjusting the height of shoulder belt, of the components of the vehicle seatbelt system and attempts to propose a method of reducing the error rate of the quasi-static analysis technique effectively. This study selects two major factors affecting the result of an analysis, draws the result of analysis through the method of experimental design, one of the statistical techniques and understands the contribution rate of the major factors affecting the result of the analysis through ANOVA(Analysis of Variance).

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구의 시험 목적은 해석 결과의 신뢰성을 검증하기 위해 인장 시험 법규 하중인 14.7 kN보다 가혹 조건에서 제품의 한계 하중을 평가하고자 진행하였으며, 이는 법규 기준을 만족하는 제품이므로 실차의 충돌시험이나 법규내 하중의 준정적 시험에서는 핀 이탈로 인한 슬라이더의 거동 특성은 나타나지 않는다.

제안 방법

AGL 인장 시험은 일반적으로 최상단, 중단, 최하단으로 구분하여 실시하며, 본 연구에서는 최상단 장착 위치(top position)를 기준으로 시험을 진행하였다. AGL 인장 시험 결과는 저자가 사내에서 인장 시험을 통해 얻은 결과로 Table 5와 같이 총 3회 실시하였다.
본 연구에서는 자동차 안전벨트 시스템 구성품 중 AGL 인장시험을 효과적인 준정적 해석으로 묘사하기 위해 동적 외연적 유한 요소 프로그램인 LS-Dyna를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석 결과에 영향을 미치는 2개의 주요 인자를 선정하여 통계 기법중 하나인 실험 계획법을 통해 matrix를 생성하여 L9 모델의 해석을 수행하였으며, 당사 현수준 해석 결과의 신뢰성을 확보하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 자동차 안전벨트 시스템 구성품 중 Fig. 1의 AGL(Adjuster Guide Loop) 인장 시험을 주제로 선정하였으며, 이는 차량 B-Pillar에 장착되어 Fig. 2와 같이 button을 눌러 shoulder belt의 상, 하 높낮이를 조절하는 역할을 한다.

데이터처리

3과 같으며, Pre/Post process는 Hypermesh⁴⁾와 LS-Prepost⁵⁾를 사용하였다. Solver는 동적 외연적 유한 요소 해석 프로그램인 LS-Dyna를 통해 준정적 해석을 수행하였다. 경계 조건은 AGL 유한요소모델을 지그(jig)에 볼트(bolt)로 구속하고, 하중 조건은 Z-Axis 방향으로 인자별 loading curve를 적용하여 인장 시험을 묘사하였다.
Table 7은 분산 분석 결과를 나타내며, excel의 data분석(분산 분석:반복 없는 이원 배치법)을 이용하여 구한 수치이며, 기여율은 SS(factor)와 SS(total)의 비로 계산하였다.
해석 결과에 영향을 미치는 2개의 주요 인자를 선정하여 통계 기법중 하나인 실험 계획법을 통해 matrix를 생성하여 L9 모델의 해석을 수행하였으며, 당사 현수준 해석 결과의 신뢰성을 확보하였다. 또한 분산 분석을 통해 주요인자가 해석 결과에 미치는 기여도를 파악하였다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.
본 연구에서는 독립변수가 2개인 경우 집단간 평균 비교를 위한 분석 방법 중 하나인 이원 분산 분석(two-way analysis of variance)을 통해 앞서 선정된 2개의 인자가 해석 결과에 미치는 기여도를 검토하였다.
²⁾이러한 과정을 효과적으로 풀 수 있는 해석 방법으로는 준정적 해석(quasi static analysis)이 있으며, 일반적으로 이를 해석적으로 활용하고 있다. 본 연구에서는 해석 조건으로 이러한 관성의 동적 효과를 최소화하기 위한 주요 인자를 선정하고, 실험계획법(design of experiments)을 이용한 준정적 해석 결과를 분산 분석(analysis of variance)을 통해 기여도를 파악하였으며, 인장 시험 결과와 상관성 검증을 통해 해석 결과의 신뢰성을 향상시켰다.³⁾
본 연구에서는 자동차 안전벨트 시스템 구성품 중 AGL 인장시험을 효과적인 준정적 해석으로 묘사하기 위해 동적 외연적 유한 요소 프로그램인 LS-Dyna를 이용하여 해석을 수행하였다. 해석 결과에 영향을 미치는 2개의 주요 인자를 선정하여 통계 기법중 하나인 실험 계획법을 통해 matrix를 생성하여 L9 모델의 해석을 수행하였으며, 당사 현수준 해석 결과의 신뢰성을 확보하였다. 또한 분산 분석을 통해 주요인자가 해석 결과에 미치는 기여도를 파악하였다.

이론/모형

본 연구에서는 LS-Dyna의 implicit code를 사용하여 모달해석을 수행하였으며, Table 1, Fig. 5와 같이 모드 해석 결과를 도출하였다.
본 연구에서는 인장 시험을 효과적인 준정적 해석으로 묘사하기 위해 관성 제거법(inertia relief method)⁶⁾을 적용하여 운동에너지를 최소화 시켰다. 관성의 동적 효과를 최소화하기 위하여 최대 하중 도달 시간에 해당하는 loading curve의 기울기와 damping global value를 주요 인자로 선정하였다.

성능/효과

1) 분산 분석을 통해 Fig. 12와 같이 loading rate와 damping global value가 준정적 해석 결과에 미치는 기여도를 검증하였으며, 이를 통해 인장 시험 결과와 해석 결과의 상관성을 확보하게 되었다.
2) 인장 시험 편차내 준정적 해석 결과 도출로 인하여 당사 현재 적용중인 경계 조건의 신뢰성을 검증을 하였으며, 현재 조건은 준정적 해석의 특성을 적절히 묘사하고 있음을 알게 되었다.
3회 시험 결과 공통적으로 레일(rail)과 슬라이더(slider)를 고정하는 핀(pin)이 이탈되면서 슬라이더가 시험전 최상단 위치에서 Fig. 6 ~ 8과 같이 시험후 최하단(bottom position)으로 이동하는 거동 특성을 나타냈다.
Case 05는 당사 기준 적용 해석 결과이며, 3회 시험 결과의 편차내 수준으로 신뢰성이 높음을 알 수 있었다. 또한 현재 해석 조건인 loading rate 0.375, damping global 0.10은 인장시험을 준정적 해석으로 적절히 묘사하고 있다는 것을 검증할 수 있었다. Case 05의 해석 결과 거동 특성은 Fig.
분산 분석 기여율 검토 결과 damping global value(P2) 인자가 해석 결과에 미치는 기여도는 97 % 수준으로 Loading Rate(P1) 기여도 1.7 % 대비 매우 중요한 인자로 검증되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	LS-Dyna는 무엇인가?	3과 같으며, Pre/Post process는 Hypermesh4)와 LS-Prepost5)를 사용하였다. Solver는 동적 외연적 유한 요소 해석 프로그램인 LS-Dyna를 통해 준정적 해석을 수행하였다. 경계 조건은 AGL 유한요소모델을 지그(jig)에 볼트(bolt)로 구속하고, 하중 조건은 Z-Axis 방향으로 인자별 loading curve를 적용하여 인장 시험을 묘사하였다.
	AGL은 어떤 역할을 하는가?	본 연구에서는 자동차 안전벨트 시스템 구성품 중 Fig. 1의 AGL(Adjuster Guide Loop) 인장 시험을 주제로 선정하였으며, 이는 차량 B-Pillar에 장착되어 Fig. 2와 같이 button을 눌러 shoulder belt의 상, 하 높낮이를 조절하는 역할을 한다.
	준정적 해석은 어떤 과정을 효과적으로 풀 수 있는 해석 방법인가?	인장 시험은 통상적으로 수십초의 시간이 소요되며, 이러한 실제 시험 소요 시간을 해석 경계 조건으로 동일하게 적용한다면 LS-Dyna1)와 같은 동적 외연적(dynamic explicit) 알고리즘을 사용하는 프로그램에서는 solving time이 무한대로 커지기 때문에 정상적인 해석을 수행할 수가 없게 된다. 일반적으로 인장 시험과 같이 시간 증가량에 따라 제품이 변화하는 거동을 분석해야 하는 해석은 동해석(dynamic analysis)으로 분류하고 있으며, 무한대로 증가하는 solving time을 대폭 감소시키고, 해석 문제를 단순화하기 위해 동적 하중의 영향이 무시될 수 있을 정도로 작다면 동해석을 정해석(static analysis)으로 단순화 시킬 수가 있다.2) 이러한 과정을 효과적으로 풀 수 있는 해석 방법으로는 준정적 해석(quasi static analysis)이 있으며, 일반적으로 이를 해석적으로 활용하고 있다.

참고문헌 (8)

LSTC Inc., LS-Dyna Keyword User's Manual Ver.971 R6.1.0, 2012.
MIDAS IT., Technical Paper, http://www.midasit.com, 2015.
J. Kim and M. Song, "Quasi-static Seatbelt Anchorage Simulation Using by Taguchi Method," KSAE Fall Conference Proceedings, pp.1605-1609, 2005.
Altair Engineering, Altair Hypermesh User's Guide Ver.13, 2015.
LSTC Inc., LS-Prepost Training Manual, 2015.
J. Song, H. Park, H. Kang and S. Yang, "The Analysis of Practical Dynamic Load of Structure with Quasi-static Analysis and Inverse Problem," KSAE Spring Conference Proceedings, pp.651-657, 2001.
K. Lee, D. Kim, H. Yun and K. Lee, "Improvement of the Correlation between Sled FEA and Test of Vehicle Seatbelt System Using the Statistics Technique," Transactions of KSAE, Vol.23, No.4, pp.454-461, 2015.

원문보기 상세보기
K. S. Lee, A Study on Improvement of the Correlation between Frontal Sled FEA and Test of Vehicle Seatbelt System, M. S. Thesis, Ajou University, Suwon, 2014.

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