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문제 정의
- 본 논문에서는 위에서 언급한 일체형 핫스템핑 사이드 레인프 구조와 멀티피스 구조에 대한 정강성, 천정강도, IIHS 측면 충돌에서의 해석을 수행하여 구조별 성능을 비교하였다. 또한, 현재 일체형 핫스템핑 사이드 레인프를 적용하여 신규 개발 중인 차종의 해석 및 실차 평가 데이터를 바탕으로, A필라, B필라 등의 주요 부위에 대하여, 일체형 핫스템핑 사이드 레인프 구조에 최적화된 차체 단면 구조를 연구 및 제안하고자 한다.
- 본 연구를 통해 일체형 핫스템핑 사이드 아우터 레인프 구조에서 발생하는 취약 공간에 대해 최적화 하여 보강할 수 있는 구조를 개발하였다.
제안 방법
- 개선(일체형)구조 에서는 Fig. 10과 같이 A 필러 파팅 구조를 적용하였고, A 필러 멀티 연결구조를 개발하였다.
- B 필러 상부는 멀티피스 구조 대비하여 일부 공간이 탈락되어 빈공간이 발생하나, 천정강도 보강재를 통해 탈락된 공간을 보강할 수 있다. 따라서, 보강재의 단면에 따른 성능비교를 하였다.
- 또한 W단면구조에서 루프레일과 센터필러 보강재가 단절되어, 환형구조를 구성함에 있어 미흡한점을 개선하여, 루프레일과 센터필러 보강재를 직접 연결하는 센터필러 어퍼-루프레일 구조를 개발하였다. 이를통해 Fig.
- 본 논문에서는 위에서 언급한 일체형 핫스템핑 사이드 레인프 구조와 멀티피스 구조에 대한 정강성, 천정강도, IIHS 측면 충돌에서의 해석을 수행하여 구조별 성능을 비교하였다. 또한, 현재 일체형 핫스템핑 사이드 레인프를 적용하여 신규 개발 중인 차종의 해석 및 실차 평가 데이터를 바탕으로, A필라, B필라 등의 주요 부위에 대하여, 일체형 핫스템핑 사이드 레인프 구조에 최적화된 차체 단면 구조를 연구 및 제안하고자 한다.
- 상기 일체형구조 과 멀티피스 구조의 모델 간 정강성, 천정강도, 스몰오버랩, 측면충돌 성능을 해석 및 실차평가를 통해 비교하였다.
- 이러한 일체형(신규개발, T-CAR) 모델을 바탕으로, 구조적 취약부와 주요 부분별로 적용 가능한 구조를 세분화하여 성능비교(정강성, 천정강도, IIHS측면, IIHS스몰오버랩)하였고, 이를 통해 일체형 구조의 최적화를 진행하였다.
- 일체형 구조에서는 사이드실이 A 필러 하부와 연결 및 동시성형 되면서 기존의 A 필러 하단 사이드실이 일부 탈락되는 취약부가 발생한다. 이를 보강하기 위해서, Fig. 13과 같이 기존 탈락된 공간을 격벽구조로 막아주는 부품을 추가하여, A 필러 인너와 선조립 후 일체형 레인프을 후조립하여, 인너와 레인프 양방향 연결성을 확보하였다. 또한 격벽구조 부품과 벌크 헤드 형상의 전방 구조물간 4면 다중결합을 통하여, 충돌 시 파단 억제를 극대화하였다.
- 일체형구조에서는 오버랩구간을 설정할 수 없으므로, A 필러부의 개선이 필요하다. 이를 위해 Fig. 11과 같이 일체형 레인프의 A 필러 부의 형상을 변형하여, 단면 극대화와 로드 패스 지지 방향의 단면 연속성을 확보하였다.
- 이를 위해서, Fig. 21과 같이 탈락된 사이드실 부분과 동일한 형상의 “ㄱ” 부품을 사이드실 리어에서 연장한 구조와 B 필러 인너의 하단 플랜지를 “ㄱ” 연장하여, 탈락된 사이드실의 공간을 격벽구조로 막는 구조를 비교하였다.
- 이를 통해 개선(일체형)구조에서는 Fig. 24와 같이 성능적으로 가장 유리한 B 필러 인너를 “ㄱ” 연장하는 구조를 채택하였고, 인너에 하단에 결합되는 시트벨트 리트렉터 브라켓을 상단에 벌크헤드와 추가적으로 결합하여, 박스 단면을 형성하여 측면 충돌 시 사이드실의 회전을 최대한 억제하는 구조를 개발하였다.
- 이에 따른 성능을 보완 하기 위하여, 상기 기술한 취약부에 차체 구조를 보강하여 Fig. 3과 같이 일체형 구조를 구성하였으며, 추가적으로 5kg의 중량과 33개의 부품수 절감을 하였다.
- 추가로 Fig. 22와 같이 벌크헤드 채움 및 단면 밀착 구조와 벌크해드 축소 및 단면 형성구조를 비교하였다.
성능/효과
- 1) 일체형 파팅 구조는 소재의 폭으로 인해서, 파팅을 해야 함에 따라, 상하의 힌지와 연결을 하여, 스몰 오버랩 충돌 시 하부에서 상부로 로드 패스를 연결시키는 구조가 효과적이다.
- 2) A 필러 단면 구조는 외판의 사이드 아우터 스킨 공간을 이용하여, 단면을 극대화 하고, 로드 패스 지지방향의 단면 연속성을 확보하는 것이 유리하다.
- 2.2에서 성능비교를 통해 일체형구조는 멀티피스 대비해서 대표적인 성능(정강성, 천정강도, IIHS 측면 충돌, IIHS 스몰오버랩)에 대해 동등수준 이상의 성능확보가 가능한 것을 확인하였다.
- 4) B 필러 상부 구조는 인너와 일체형 레인프를 연결 하여 W단면을 구성하는 구조가 효율적이다.
- 5) B 필러 하부 구조는 B 필러 인너의 하단 플랜지를 연장하여, 탈락된 사이드실의 격벽구조를 형성하고, 사이드실 벌크헤드 채움 구조를 적용 시, 충돌 반력을 극대화 시킬 수 있다.
- Fig. 14와 같이 처럼 격벽구조는 “ㄷ” 단면으로 전방부를 둘러쌓은 구조와 “ㄱ” 단면으로 길이 방향 연결성을 증대한 구조를 비교하였으며, Fig. 15 및 Fig. 16과 같이 ㄱ단면이 충돌 스몰오버랩 성능면에서 우세한 것을 확인하였다.
- 13과 같이 기존 탈락된 공간을 격벽구조로 막아주는 부품을 추가하여, A 필러 인너와 선조립 후 일체형 레인프을 후조립하여, 인너와 레인프 양방향 연결성을 확보하였다. 또한 격벽구조 부품과 벌크 헤드 형상의 전방 구조물간 4면 다중결합을 통하여, 충돌 시 파단 억제를 극대화하였다.
- 위의 두가지 모델(신규/개선)의 스몰오버랩 해석결과 Fig. 12와 같이 A 필러레인프 단면 증대 시 어퍼/로워힌지의 변형량이 각각 1.3mm, 3.8mm감소하였다.
- 일체형구조와 멀티피스구조의 정강성 천정강도 해석 결과 Fig. 4와 같이 동등수준의 성능을 확보했음을 확인하였다.
- 전고 축소 방안인 사이드실을 파팅 하는 구조와 전장 축소 방안인 A 필러부를 파팅하는 구조에 대해 비틀림 강성 성능을 비교한 결과 Table 2과 같이 모두 동등한 수준의 성능을 확보하였으며, 제품 수율은 A 필러부를 파팅하는 것이 유리하였다.
- 최종적으로 Table 3과 같이 신규(개선)차종에 적용하여, 사이드 아우터 레인포스 및 인너 기준 중량 2kg/대, 부품수 12 EA/대 절감 하였고, 충돌성능 및 정강성 성능 또한 멀티피스 구조의 BASE 차종보다 개선되었다.
- 측면 충돌 반력 해석 결과 Fig. 23과 같이 사이드실 아우터측에서는 인너 연장구조가 유리(반력 : +249.9kgf) 하였으며, 사이드실 인너측에서는 벌크해드 채움구조가 효과적이었다(반력 : +131.3kgf).
후속연구
- 일체형 핫스템핑 사이드 레인프 구조의 효과는 기존 멀티피스 구조 대비 중량, 부품수, 용접점 축소가 기대 되나, 필러부와 사이드실을 일체 성형함에 따라 발생하는 A필러, B필러 하단 및 B필러 상단에 취약 공간이 생겨 구조 최적화 및 성능 확인이 필요하다.
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