In the present study, the low speed (4 km/h) crash behaviour of an aluminium bumper system was characterised by FE analyses based on the FMVSS 581, which regulates automotive bumpers. Two types of cross-sectional designs, i.e., Model 1, which contains a single rib and Model 2, double ribs, have been...
In the present study, the low speed (4 km/h) crash behaviour of an aluminium bumper system was characterised by FE analyses based on the FMVSS 581, which regulates automotive bumpers. Two types of cross-sectional designs, i.e., Model 1, which contains a single rib and Model 2, double ribs, have been considered along with Al7021, 6082 and 6060 for the aluminium bumper back beam. Variations in thickness starting from 2 to 4 mm of the bumper system cross-section in the FE model was implemented in order to investigate the thickness effect on the bumper's crash behaviour.. Three kinds of design variables, namely, number of ribs, material and thickness, are considered. The FE analysis results are summarised with the maximum load and the Specific Energy Absorption (SEA) since they are the key factors in determining the crashworthiness of automotive structures. The results may also be able to indicate how to achieve lightweight structure of the automotive bumper system either directly or indirectly.
In the present study, the low speed (4 km/h) crash behaviour of an aluminium bumper system was characterised by FE analyses based on the FMVSS 581, which regulates automotive bumpers. Two types of cross-sectional designs, i.e., Model 1, which contains a single rib and Model 2, double ribs, have been considered along with Al7021, 6082 and 6060 for the aluminium bumper back beam. Variations in thickness starting from 2 to 4 mm of the bumper system cross-section in the FE model was implemented in order to investigate the thickness effect on the bumper's crash behaviour.. Three kinds of design variables, namely, number of ribs, material and thickness, are considered. The FE analysis results are summarised with the maximum load and the Specific Energy Absorption (SEA) since they are the key factors in determining the crashworthiness of automotive structures. The results may also be able to indicate how to achieve lightweight structure of the automotive bumper system either directly or indirectly.
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가설 설정
1) Model 1의 경우 범퍼 백빔 두께는 3 mm ~ 4 mm가 접합하다고 할 수 있다. 그리고 Model 2는 범퍼 백빔 두께가 2 mm ~ 4 mm 모두 적합하다고 생각된다.
제안 방법
3 차량의 무게중심점(center of gravity)에 차량무게 약 2000 kg의 무게를 정의하고, 플레이트와 강체(rigid)로 연결하여 차량 무게가 정의 될 수 있도록 하였다. 그리고 각 부재 접합방법인 용접과 볼팅은 강체로 연결하여 접합부를 모사하였다. 마지막으로 충돌해석 조건은 고정 벽(rigid wall)에 4km/h (2.
또한 제안된 Model 1, 2 모델의 소재는 세 가지 종류의 알루미늄 압출재(Al7021-T7, Al6082-T6, Al6060-T6(이하, 7021, 6082, 6060))를 적용하였으며, 소재변화에 따라 Table 1처럼 6가지의 변수조합을 구성하였다. 그리고 두께변화(2, 3, 4 mm)를 달리하면서 범퍼 백빔과 크래쉬 박스를 Table 2처럼 9가지로 변수 조합을 구성하였다. 그리고Table 3에는 9가지의 두께변화에 따른 무게를 나타내었다.
본 논문에서는 알루미늄 압출재를 적용하여 새로운 구조적 안전성이 고려된, 두 종류(Model 1, 2)의 범퍼 시스템을 선정하였다. 그리고 범퍼 시스템의 기초연구로 FMVSS Part 581에서 정의하는 범퍼 규격을 참조하여 4 km/h의 저속 충돌해석을14,15) 진행하였다. 그리고 재질·두께별 특성 평가를 위한 변수로 세 종류의 압출 알루미늄(Al7021-T7, Al6082-T6, Al6060-T6), 두께변경은 범퍼 백빔과 크래쉬 박스(crash box)로 결정하였다.
그리고 재질·두께별 특성 평가를 위한 변수로 세 종류의 압출 알루미늄(Al7021-T7, Al6082-T6, Al6060-T6), 두께변경은 범퍼 백빔과 크래쉬 박스(crash box)로 결정하였다.
9는 전체 무게가 4 kg가 초과하지만 결과 비교를 위하여 참고자료로 삽입하였다. 그리고 적절한 범퍼 시스템의 강도를 만족하는 최대하중 범위 선정은 선행연구18,19)에 나타난 최대하중(80 kN~ 110 kN)을 기준으로 비교 평가하였다.
먼저 범퍼 시스템의 최적화를 위하여 목표 무게를 4 kg로 설정하였다. 또한 제안된 Model 1, 2 모델의 소재는 세 가지 종류의 알루미늄 압출재(Al7021-T7, Al6082-T6, Al6060-T6(이하, 7021, 6082, 6060))를 적용하였으며, 소재변화에 따라 Table 1처럼 6가지의 변수조합을 구성하였다.
본 논문에서는 알루미늄 범퍼 시스템 초기 설계 단계에서 안전성 확보를 위해 재질 두께별 평가를 FMVSS part 581의 평가방법에 따라 유한요소법으로 충돌해석을 진행하였고 다음과 같은 결론을 얻을 수있었다.
본 논문에서는 알루미늄 압출재를 적용하여 새로운 구조적 안전성이 고려된, 두 종류(Model 1, 2)의 범퍼 시스템을 선정하였다. 그리고 범퍼 시스템의 기초연구로 FMVSS Part 581에서 정의하는 범퍼 규격을 참조하여 4 km/h의 저속 충돌해석을14,15) 진행하였다.
2와 같다. 요소분할은 약 4 mm의 요소크기로 하였으며, 두께 변화에 따른 영향을 분석하기 때문에 쉘(shell) 요소로 모델링을 진행하였다. 요소 수는 Model 1, 2 약 24300, 26300개로 되었다.
충돌해석을 진행한 결과를 세 가지 유형으로 정리하였는데, 유한요소해석 Model 1, 2의 충돌특성에 대한 분석과 단위 질량당 흡수에너지 변화에 관하여 분석으로 정리하였다. 참고로 Model 2의 No.
대상 데이터
먼저 범퍼 시스템의 최적화를 위하여 목표 무게를 4 kg로 설정하였다. 또한 제안된 Model 1, 2 모델의 소재는 세 가지 종류의 알루미늄 압출재(Al7021-T7, Al6082-T6, Al6060-T6(이하, 7021, 6082, 6060))를 적용하였으며, 소재변화에 따라 Table 1처럼 6가지의 변수조합을 구성하였다. 그리고 두께변화(2, 3, 4 mm)를 달리하면서 범퍼 백빔과 크래쉬 박스를 Table 2처럼 9가지로 변수 조합을 구성하였다.
두 모델의 차이는 범퍼 백빔 내부에 보강된 리브(rib)의 차이가 되겠다. 모델 구성은 범퍼 백 빔, 크래쉬박스, 플레이트로 구성된다. 이렇게 정해진 범퍼 시스템의 충돌해석을 위하여 전처리 과정을 마친 모델은 Fig.
데이터처리
전체 고정변수로 무게를 4 kg으로 정하였다. 평가분석을 위해 충돌에 의한 최대 하중과 이때 발생되는 단위 질량당 흡수에너지(Specific Energy Absorption, SEA)를 기준으로 결과를 비교분석 하였다.
이론/모형
본 논문에서는 자동차 범퍼 시스템 규격인 FMVSS part 581을 적용하였으며, 평가를 위한 충돌해석용 모델은 Fig. 1과 같이 두 가지 모델(Model 1, 2)을 선정하였다. 두 모델의 차이는 범퍼 백빔 내부에 보강된 리브(rib)의 차이가 되겠다.
성능/효과
1,2) 그리고 동일한 차체강성을 보상하기 위해 알루미늄 소재 두께가 증가됨에 따라 차체 굽힘 · 비틀림 강성 증가와 내구수명 측면에서 우수할 뿐만 아니라, 경량화에 따른 고유진동수 증가 효과가 있다.
7,11) 강제 법규는저속 충돌 시 차체로 전달되는 충돌에너지가 범퍼 시스템의 적절한 변형 발생으로 흡수되어 최소화 해야함을 규정하고 있다.10) 범퍼 시스템 안전성을 평가하기 위한 시험조건은 우리나라의 경우 자동차안전기준 시행 세칙에 명시하고 있으며, 미국에서는 미연방 도로교통안전국(NHTSA)의 FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standards) Part 581에서 명시하고 있다.11)
2) 충돌특성 분석결과 Model 1, 2 모두 두께 조합에 따른 최대하중 변화 양상은 유사하게 나타났다. 서로 다른 두께 조합에서 유사한 최대하중 결과들이 나타나고, 재질별 특성을 확인할 수있다.
5(a)에 범퍼 백빔의 두께 변화에 따른 영향을 정리하여 나타내었다. 고정변수가 두께 2 mm의 크래쉬 박스인 경우 강도가 높은 7021보다 6082인 경우에 최대하중이 상대적으로 높게 나타났다. 범퍼 백빔의 두께가 두꺼워 짐에 따라 Case A ~ F의 최대하중 분포범위가 최대 28 kN에서 10 kN으로 감소하는 결과를 보였다.
7에 정리하여 나타내었다. 단위 질량당 흡수에너지는 전체적인 모델 대부분이 질량이 증가하면서 흡수에너지는 낮아지는 결과를 보였다. 범퍼 백빔 두께를 기준으로 두께가 두꺼워 짐에 따라 No.
고정변수가 두께 2 mm의 크래쉬 박스인 경우 강도가 높은 7021보다 6082인 경우에 최대하중이 상대적으로 높게 나타났다. 범퍼 백빔의 두께가 두꺼워 짐에 따라 Case A ~ F의 최대하중 분포범위가 최대 28 kN에서 10 kN으로 감소하는 결과를 보였다. 그리고Case B, E외의 Case는같은 재질의 크래쉬 박스 Case끼리 유사하게 최대하중 변화가 나타났다.
후속연구
3) 본 연구결과를 토대로 차량 상황에 맞는 적절한 알루미늄 범퍼 시스템 설계의 DB자료로 활용할 수 있다고 생각된다. 경량화와 고강도의 부재가 적용된 범퍼 시스템 설계가 가능할 것으로 판단된다.
3) 본 연구결과를 토대로 차량 상황에 맞는 적절한 알루미늄 범퍼 시스템 설계의 DB자료로 활용할 수 있다고 생각된다. 경량화와 고강도의 부재가 적용된 범퍼 시스템 설계가 가능할 것으로 판단된다.
다만 최대하중의 차이가 나타나는 조합도 있지만 이것은 예외적인 부분이라고 할 수있다. 서로 다른 두께 조합에서 유사한 최대하중 결과들이 나타나고, 재질별 특성을 확인할 수 있기에, 본 결과를 토대로 차량 상황에 맞는 적절한 알루미늄 범퍼 시스템 설계의 DB자료로 활용할 수 있다고 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차체 경량화를 위하여 알루미늄을 차체 구조물에 사용하였을 경우 어느 정도 경량화가 가능한가?
최근 고 안전 부재들이 위치한 전방 차체 구조물에 알루미늄 적용을 확대하여 차체 경량화와 차량 충돌 성능을 확보하고 있다. 일반적으로 알루미늄 차체는 기존 철강재 대비 동일한 차체강성을 만족시킬 때 약 30 % 수준의 경량화가 가능한 것으로 알려져 있다.1,2) 그리고 동일한 차체강성을 보상하기 위해 알루미늄 소재 두께가 증가됨에 따라 차체 굽힘 비틀림 강성 증가와 내구수명 측면에서 우수할 뿐만 아니라, 경량화에 따른 고유진동수 증가 효과가 있다.
알루미늄 압출재의 장점은 무엇인가?
1,2) 그리고 동일한 차체강성을 보상하기 위해 알루미늄 소재 두께가 증가됨에 따라 차체 굽힘 비틀림 강성 증가와 내구수명 측면에서 우수할 뿐만 아니라, 경량화에 따른 고유진동수 증가 효과가 있다. 또한, 알루미늄 압출재는 철강재에 비하여 고가이지만 부품을 일체 성형 할 수 있어 제품 생산 공정을 줄이고 가공 공정을 차별화하면 가격 상승을 억제할 수 있다. 그리고 압출형상의 자유도가 있어 구조적인 강성 보강이가능하며 균일한 품질의 제품을 연속적으로 생산 할 수 있는 장점이 있어 자동차 구조용 부재로 알루미늄 압출재의 적용이 확대되고 있다.3,4)
범퍼 시스템은 무엇으로 구성되어 있는가?
범퍼 시스템은 차량 충돌 시 발생하는 충돌에너지가 차체에 전달되기 전에 흡수하여 차체 및 승객을 보호하는 것이 목적이기 때문에, 경량화를 이루면서 높은 강도를 유지할 필요가 있다. 범퍼 시스템은 크게 커버(cover), 폼(foam) 구조의 충격흡수재, 범퍼 백빔(bumper back beam), 스테이(stay)로구성되며, 이중 범퍼 백빔과 스테이는 차체 사이드 멤버(side member)에 장착되어 충돌 시 대부분의 충돌에너지를 흡수한다.5-9) 그래서 안전성 확보를 위해 범퍼 시스템의 저속(4 km/h, 8 km/h) 충돌 시 차체 및 승객에게 피해를 입히지 않을 것을 각국에서강제 법규로 규정하고 있다.
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