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문제 정의
- 본 연구는 섬유금속적층판을 사용한 임펙트 빔의 적용 가능성을 확인하는 것이 목표다. 먼저, 임펙트 빔 형상을 결정하기 위한 삼점 굽힘 시험을 수치해석적으로 수행하였으며, 원통형과 이중모자형의 임펙트 빔은 중심부의 극부접힘 현상이 상대적으로 적게 발생하기 때문에 단면적 대비 굽힘 하중이 모자형보다 높음을 알 수 있었다.
가설 설정
- 5(b)와 같은 성형한계선도(forming limit curve) 파괴 모델을 사용하였다[19]. 또한, 본 연구에서 사용한 섬유금속적층판의 DP 980과 자기 강화형 폴리프로필렌에 대한 층간분리가 굽힘거동에 큰 영향을 주지 않는다 판단하여, DP 980과 자기 강화형 폴리프로필렌은 완전접착상태(perfect bonding state)라고 가정하였다.
제안 방법
- 기존의 연구에서는 섬유금속적층판의 성능 분석에 관한 기초연구가 주를 이루고 있지만[14-16], 자동차 임펙트 빔 개발 및 제품의 성능평가에 관한 연구가 미비한 것을 알 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 섬유금속적층판을 임펙트 빔에 적용하여 기존의 금속 소재와 반력-변위, 흡수 에너지 등을 비교함으로써, 대체 가능성을 평가하였다. 먼저, 임펙트 빔의 단면 형상을 결정하기 위해, 세 가지 형태의 임펙트 빔을 모델링하여 삼점 굽힘 시험을 수치해석적으로 모사하였다.
- 6과 같다. 또한, 자동차 측면 도어 굽힘 시험을 통한 섬유금속적층판의대체 가능성을 판단하기 위해, 동일 형상의 DP 980과 섬유금속적층판을 사용한 임펙트 빔을 설치하여 비교 분석하였다. 섬유금속적층판은 Fig.
- 따라서, 본 연구에서는 섬유금속적층판을 임펙트 빔에 적용하여 기존의 금속 소재와 반력-변위, 흡수 에너지 등을 비교함으로써, 대체 가능성을 평가하였다. 먼저, 임펙트 빔의 단면 형상을 결정하기 위해, 세 가지 형태의 임펙트 빔을 모델링하여 삼점 굽힘 시험을 수치해석적으로 모사하였다. 반력-변위 그래프를 비교하여 임펙트 빔의 단면 형상을 결정하였으며, 결정된 임펙트 빔에 DP 980과 섬유금속적층판을 적용하여 FMVSS 214S(Federal Motor Vehicle Safety Standard) 규격에 따라 자동차 측면 도어 굽힘 시험을 수치 해석적으로 수행하였다.
- 또한, 원통형 임펙트 빔의 경우, 기존의 섬유금속적층판으로 제작하기 어려운 단점을 가지고 있다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서는 이중모자형 펙트 빔 모델을 사용하여 자동차 측면 도어 굽힘 시험을 수치해석적으로 수행하였다.
- 먼저, 임펙트 빔 형상을 결정하기 위한 삼점 굽힘 시험을 수치해석적으로 수행하였으며, 원통형과 이중모자형의 임펙트 빔은 중심부의 극부접힘 현상이 상대적으로 적게 발생하기 때문에 단면적 대비 굽힘 하중이 모자형보다 높음을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 DP 980과 섬유금속적층판을 사용한 이중모자형의 임펙트 빔을 모델링하여 자동차 도어에 부착하였다. 그 후, 임펙트 빔이 설치된 자동차 도어는 FMVSS 214S 규격에 따라 자동차 측면 도어 굽힘 시험을 수치해석적으로 수행하였다.
- 자동차 측면 도어 임펙트 빔의 단면 형상을 결정하기 위해 삼점 굽힘 시험을 수치해석적으로 수행하였다. 단면 형상은 Fig.
대상 데이터
- 단면 형상은 Fig. 1과 같이 원통(cylinder)형, 모자(hat)형, 이중모자(double-Hat)형으로 선정하였다. 모자형과 이중모자형의 두께는 2.
- 7과 같이 DP 980 판재와 교직(woven)상태의 자기 강화형 폴리프로필렌이 적층된 구조를 가지고 있다. DP 980과 섬유금속 적층판을 사용한 임펙트 빔은 해석 시간의 단축을 위해 연속체 쉘 요소(continuum shell element)를 사용하였다. 이때, 램은 강체요소를 사용하였으며, Fig.
- 본 연구에서는 DP 980과 자기 강화형 폴리프로필렌(selfreinforced polypropylene, SRPP)을 적층한 섬유금속적층판을 사용하였다. 섬유금속적층판은 기존의 복합재료와 금속 소재가 적층된 하이브리드 소재로서, 복합재료의 단점인 금속소재와의 물리적 체결 문제를 해결할 수 있으며, 충격하중에 의한 손상 저항이 우수하다는 장점을 가지고 있다[12,13].
- 본 연구에서는 미국 NCAC(National Crash Analysis Center)에서 제공한 Chevrolet C2500 모델의 자동차 도어를 사용하였다. 이때, 자동차 도어의 형상은 Fig.
- 3 mm이며, 임펙트 빔의 길이는 1,000 mm이다. 세 가지 형상의 임펙트 빔은 동일 소재인 DP 980을 사용하였으며, 물성치는 Table 1과 같다. 원통형 임펙트 빔의 경우, 8 절점 사면체 요소(8-node brick element)를 사용하였으며, 모자와 이중모자형 임펙트 빔의 경우, 4 절점 쉘 요소(4-node shell element)를 사용하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 상용 프로그램은 Abaqus/explicit을 사용하여 삼점 굽힘 시험에 대한 유한요소해석을 수행하였으며, 각 형상에 따른 임펙트 빔은 Fig. 3과 같이 변형됨을 알 수 있다.
- 6에서의 도어 락(door lock)과 도어 힌지(doorhinge)를 완전 구속하였다. 유한요소해석은 Abaqus/explicit으로 수행하였으며, 램으로부터 반력과 변위 그래프를 측정하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 자동차 옆문의 충격 시험을 수치해석 기법을 활용하여 모사하기 때문에, 소재의 대변형 및 파괴거동을 충분히 고려할 필요가 있다. DP 980은 성형한계선도(forming limit curve) 파괴 모델을 사용하였으며, 성형한계선도는 Fig. 5(a)와 같다[20].
- 이러한 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 DP 980과 섬유금속적층판을 사용한 이중모자형의 임펙트 빔을 모델링하여 자동차 도어에 부착하였다. 그 후, 임펙트 빔이 설치된 자동차 도어는 FMVSS 214S 규격에 따라 자동차 측면 도어 굽힘 시험을 수치해석적으로 수행하였다. 결과적으로, 섬유금속적층판은 FMVSS 214S 규격을 만족하며, 충분히 임펙트 빔으로써 사용이 가능함을 보였다.
- 먼저, 임펙트 빔의 단면 형상을 결정하기 위해, 세 가지 형태의 임펙트 빔을 모델링하여 삼점 굽힘 시험을 수치해석적으로 모사하였다. 반력-변위 그래프를 비교하여 임펙트 빔의 단면 형상을 결정하였으며, 결정된 임펙트 빔에 DP 980과 섬유금속적층판을 적용하여 FMVSS 214S(Federal Motor Vehicle Safety Standard) 규격에 따라 자동차 측면 도어 굽힘 시험을 수치 해석적으로 수행하였다.
- 자동차의 측면 충돌에 대한 안정성을 평가하기 위해 일반적으로 기둥(pole)에 의한 충돌과 차대차(side to side car)에 의한 충돌 환경에서 안정성을 평가한다. 본 연구에서는 정적 하중 조건에서의 충돌 시험을 평가하기 위해 FMVSS 214S를 참고하였으며[17], 자동차 측면 도어의 굽힘 저항력을 측정하여 자동차 측면 도어의 안정성을 평가하였다. Table 2는 FMVSS에서 제시한 자동차 전면과 후면 도어의굽힘 저항력의 통과 기준이며, 해당 기준 이상의 굽힘 저항력을 만족해야 임펙트 빔으로서 적합성 여부를 평가할 수 있다.
성능/효과
- 그 후, 임펙트 빔이 설치된 자동차 도어는 FMVSS 214S 규격에 따라 자동차 측면 도어 굽힘 시험을 수치해석적으로 수행하였다. 결과적으로, 섬유금속적층판은 FMVSS 214S 규격을 만족하며, 충분히 임펙트 빔으로써 사용이 가능함을 보였다. 뿐만 아니라, 기존 DP 980에 비해 무게 대비 흡수 에너지가 높아, 측면 충돌 시 안전성을 충분히 확보할 수 있으리라 판단된다.
- 본 연구는 섬유금속적층판을 사용한 임펙트 빔의 적용 가능성을 확인하는 것이 목표다. 먼저, 임펙트 빔 형상을 결정하기 위한 삼점 굽힘 시험을 수치해석적으로 수행하였으며, 원통형과 이중모자형의 임펙트 빔은 중심부의 극부접힘 현상이 상대적으로 적게 발생하기 때문에 단면적 대비 굽힘 하중이 모자형보다 높음을 알 수 있었다. 이러한 결과를 바탕으로, 본 연구에서는 DP 980과 섬유금속적층판을 사용한 이중모자형의 임펙트 빔을 모델링하여 자동차 도어에 부착하였다.
- 결과적으로, 섬유금속적층판은 FMVSS 214S 규격을 만족하며, 충분히 임펙트 빔으로써 사용이 가능함을 보였다. 뿐만 아니라, 기존 DP 980에 비해 무게 대비 흡수 에너지가 높아, 측면 충돌 시 안전성을 충분히 확보할 수 있으리라 판단된다. 이러한 특성을 가진 섬유금속적층판은 자동차 차체 구조물 뿐만 아니라 항공기 구조물에 충분히 적용 가능할 것으로 판단된다.
- 1배 높은 것을 알 수 있다. 이는, 자동차 도어의 임펙트 빔을 섬유금속적층판으로 충분히 대체 가능함을 알 수 있으며, 이러한 결과는 차체 경량화에 충분히 기여할 수 있음을 알 수 있다.
후속연구
- 본 연구에서는 자동차 옆문의 충격 시험을 수치해석 기법을 활용하여 모사하기 때문에, 소재의 대변형 및 파괴거동을 충분히 고려할 필요가 있다. DP 980은 성형한계선도(forming limit curve) 파괴 모델을 사용하였으며, 성형한계선도는 Fig.
- 뿐만 아니라, 기존 DP 980에 비해 무게 대비 흡수 에너지가 높아, 측면 충돌 시 안전성을 충분히 확보할 수 있으리라 판단된다. 이러한 특성을 가진 섬유금속적층판은 자동차 차체 구조물 뿐만 아니라 항공기 구조물에 충분히 적용 가능할 것으로 판단된다.
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