[논문]자동차 배터리 지지 구조의 진동 피로 해석에 대한 연구

안상호

doi:10.22680/kasa2019.11.4.022

자동차 배터리 지지 구조의 진동 피로 해석에 대한 연구
Study on Vibration Fatigue Analysis of Automotive Battery Supporter 원문보기

자동차안전학회지 = Journal of Auto-Vehicle Safety Association, v.11 no.4, 2019년, pp.22 - 27

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the vibration load and analysis results for automotive battery supporter were performed to provide efficient vibration tolerance performance prediction methods for single-product vibration tolerance testing, and the major influencing factors and considerations for setting up single-unit vibration tolerance tests were reviewed. A common applicable standard load was applied to efficiently predict the performance of single-unit vibrations through the frequency response analysis technique. The results similar to test results can be predicted by checking vulnerable parts of the vehicle components for vibration loads and applying scale factor to standard loads. In addition, it was confirmed that the test conditions with a frequency generating the same durability severity as the endurance test are needed for accurate prediction of the durability of the single-unit vibration tolerance test conditions, and the acceleration and frequency with the conditions that there is no significant nonlinear phenomena in the vibration system are established during the single-unit vibration tolerance test conditions.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 1 Procedure of vibration fatigue evaluation
그림 Fig. 3 Normalization precess of automobile conventional load for vibration fatigue
그림 Fig. 2 FE model of battery support calculating vibration fatigue
그림 Fig. 4 Signal normalization of conventional loadcase
그림 Fig. 5 Vibration measurement data of initial automobile
그림 Fig. 6 Vibration fatigue results of initial automobile using test signal
그림 Fig. 7 Vibration fatigue results of initial automobile using test signal
그림 Fig. 8 PSD for measuring vibration load at test vehicle
그림 Fig. 9 Vibration fatigue results of initial automobile using test signal
그림 Fig. 10 Vibration fatigue results of initial automobile using test signal
표 Table 1 Damage index comparison

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 단품 진동 내구시험에 효율적인 진동내구 성능 예측방법을 제시하기 위해 차량 부품에 대한 진동 하중과 해석결과를 분석하여 개발 차량에 대한 진동내구 성능예측을 수행하였다.

제안 방법

본 논문에서는 MSC. Fatigue를 이용하여 취약부를 계산하였다.
배터리 지지 구조에 들어오는 하중 이력을 추적하기 위해 배터리 밑 차량 하부의 계측위치의 신호를 이용하였다. Fig. 5와 같이 x, y, z 방향에 따라 신호를 구분하여 계측하여 획득하였으며, 다른 차량의 시험결과와 비교하여 수명은 신호별로 차이가 있으나 취약 부는 동일하게 나오는지 검토한다. 취약 부는 진동 피로해석을 수행하여 내구 지수(damage index)가 가장 크게 나오는 위치를 파악한다.
1과 같이 일반적으로 진동계에 가해지는 가진 력과 응답응력을 시간영역에서 분석하고 누적된 사이클을 입력하여 피로 수명을 예측하는 방법이다. 기술적으로는 구조에 대한 모드해석을 수행하여 응답특성을 파악하여 피로 해석을 수행하는 방법으로 구조해석의 고유모드와 주파수 응답해석을 먼저 수행한 후 하중이력을 주파수 영역의 파 워 스펙트럼밀도 형태로 입력하여 산출된 응답 값(PSD)을 이용하여 확률밀도함수로 변환시켜 최종적으로는 대상구조물의 응력-수명 곡선으로부터 피로수명을 산출한다.
조병진 외⁽⁷⁾는 철도 차량의 핵심 요소인 철도차량 주 변압기에 대한 유한 요소 분석을 실시하였다. 다양한 분석 기법을 적용하여 무작위 진동 시 주 변압기의 구조적 무 결성과 피로 내구성을 평가하였다. Kong 외⁽⁸⁾는 차량의 수직 진동 및 차량 서스펜션 시스템의 고유 진동수에 기초한 차량 코일 스프링의 피로 수명을 예측하기 위한 다중 선형 회귀(MLR) 기반 스프링 내구성 모델의 확립에 대해 논의하였다.
본 논문에서는 자동차 배터리 지지 구조의 진동내구해석기법을 적용하고 주파수 응답 해석 결과와 PSD(Power Spectral Density) 형태의 입력 하중 조건을 적용한 동적특성에 의한 피로 손상을 예측하는 Random vibration 내구해석과 고유진동 해석의 모드 응력 및 과도 응답 해석에서 모드 별 기여도를 중첩하여 동적 특성에 의한 피로손상을 예측하는 Modal Superposition Method을 이용한 내구해석을 수행한다. 또한 개별적인 진동내구 시험에 효율적인 진동내구 성능예측방법을 제시하고, 개발차량의 배터리지지 구조에 대한 진동 하중과 해석결과를 분석한다.
기존의 개발 데이터를 활용하여 다음 세대 차량에 대한 부품 부위의 하중을 예측할 수 있다. 방향에 따른 신호의 최댓값을 검토하고 손상을 부여하는 주파수 영역을 검토하여 차종에 따라 표준 신호를 다르게 평가한다.
본 논문에서는 Nastran을 사용하여 입력 PSD 및 교차 스펙트럼을 결합하여 주응력 대 주파수를 계산한다.
본 논문에서는 자동차 배터리 지지 구조의 진동내구해석기법을 적용하고 주파수 응답 해석 결과와 PSD(Power Spectral Density) 형태의 입력 하중 조건을 적용한 동적특성에 의한 피로 손상을 예측하는 Random vibration 내구해석과 고유진동 해석의 모드 응력 및 과도 응답 해석에서 모드 별 기여도를 중첩하여 동적 특성에 의한 피로손상을 예측하는 Modal Superposition Method을 이용한 내구해석을 수행한다. 또한 개별적인 진동내구 시험에 효율적인 진동내구 성능예측방법을 제시하고, 개발차량의 배터리지지 구조에 대한 진동 하중과 해석결과를 분석한다.
구성된 유한요소 모델에 가속도계로부터 하중조건을 입력하여 해석을 수행하여 시험결과로 나온 취약 부 재현성을 검토할 수 있다. 이후 각 차종별 계측가속도를 이용하여 진동하중 표준화를 수행하여 Randomvibration 내구해석을 통해 내구수명을 계산한다.
3과 같이 기존에 개발된 신호 데이터에 가중치를 부여하여 하중을 수정한 후, 초기 해석을 수행할 수 있다. 이후 시험 결과를 획득하여 설계 변경 여부를 확인한다. 표준화 과정은 같은 단위에서 표현된 가속도의 PSD 신호 이용하여 유사 차량 플랫폼의 하중을 이용하여 손상을 많이 주는 주파수를 선택한다.
주파수 응답해석기법을 통해 단품 진동내구 성능을 효율적으로 예측하기 위해 공통적으로 적용할 수 있는 선별된 시험 하중을 적용하였다. 진동하중에 대한 차량 부품의취약부를 확인하고 선별된 하중에 가중치를 적용하면 개발차량에 시험을 적용한 효과를 얻을 수 있다.

대상 데이터

배터리 지지 구조에 들어오는 하중 이력을 추적하기 위해 배터리 밑 차량 하부의 계측위치의 신호를 이용하였다. Fig.

이론/모형

차량 개발 과정에서 내구성능을 만족하기 위하여 차량수명평가 시험과 대상 수명평가 시험이 수행되고 있으며, 많은 시간과 비용이 발생된다. 해석 및 평가기술이 발전함에 따라 개발 초/중기 단계에서 내구성능을 예측하기 위해 가상 내구해석(virtual durability analysis)을 이용한다. 진동 내구해석 방법은 과도 응답 해석과 주파수 응답 해석, 파 워 스펙트럼 밀도 해석을 이용하며, 각 진동내구시험 조건에 따라 그에 적합한 해석방법이 개발단계에 맞추어 설정되어야 한다.

성능/효과

6과 7은 배터리와 지지 구조물이 적용된 시험 차량의 신호를 계측하여 시험 차량의 배터리 지지 구조물의 진동피로해석을 수행한 결과이다. 결과에서 보듯이 변형률-수명 선도를 이용하여 내구 지수를 산출한 결과가 응력-수명 선도를 이용한 값보다 0.06~0.1 낮음을 확인하였다.
Kong 외⁽⁸⁾는 차량의 수직 진동 및 차량 서스펜션 시스템의 고유 진동수에 기초한 차량 코일 스프링의 피로 수명을 예측하기 위한 다중 선형 회귀(MLR) 기반 스프링 내구성 모델의 확립에 대해 논의하였다. 이 결과는 예측 값과 실험 값 사이의 양호한 일치도를 보여주며 자동차 코일 스프링의 피로 수명을 예측하는 데 있어 이들 모델의 적합성을 향상을 보여주었다. Ugras 외⁽⁹⁾는 차량에 대한 실시간 고주기피로 추정 문제를 주파수 영역 방법을 적용하였으며 표준화 파워 스펙트럼 밀도를 입력하여 주파수 영역에서 스펙트럼 모멘트 및 손상 강도를 계산하였고 제안된 접근방식은 피로 손상을 정확하게 예측할 수 있고 적재 조건을 실시간으로 추적할 수 있음을 보여주었다.
Table 1에서 부위별 내구지수는S-N Curve(응력-수명 선도)와 E-N Curve(변형률-수명 선도)로 각각 적용하여 산출하였다. 적용 차량에서 내구 지수는 E-N Curve를 이용하여 내구지수를 계산하면 상단부에서는 11%의 수명이 증가하고, 하단부에서는 8% 수명 감소하는 결과가 나온 것을 확인하였다.

후속연구

응력-수명 선도를 이용한 내구 지수와 변형률-수명 선도를 이용한 내구 지수 값의 차이를 볼 때 가진 원이 고주기 진동인지 저주기진동인지 파악할 필요가 있다. 이후 정확한 내구성능 예측을 위해서 단품 진동내구 시험조건 설정 시 내구시험과 동등 수준의 내구 가혹도를 발생 시키는 진동수로 가진하면 개발차량에 대한 진동 피로해석을 검증할 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	짧은 차량개발으로 제기되고 있는 문제는?	차량 개발주기는 점점 빨라지고 있으며, 짧은 차량개발 기간 동안 진동내구에 의한 내구성 문제는 항상 제기되고 있는 실정이다. 차량 제조사는 개별적 신뢰성 있는 진동내구 성능예측 방법의 설정하고 해석과 시험을 연계한 표준화 과정을 지속적으로 개발/관리하고 있으나 국내의 개발 성숙도는 그리 높지 않은 실정이다.
	진동내구에 의한 내구성 문제에 대한 차량 제조사의 실정은?	차량 개발주기는 점점 빨라지고 있으며, 짧은 차량개발 기간 동안 진동내구에 의한 내구성 문제는 항상 제기되고 있는 실정이다. 차량 제조사는 개별적 신뢰성 있는 진동내구 성능예측 방법의 설정하고 해석과 시험을 연계한 표준화 과정을 지속적으로 개발/관리하고 있으나 국내의 개발 성숙도는 그리 높지 않은 실정이다.
	진동 내구해석 방법의 특징은?	해석 및 평가기술이 발전함에 따라 개발 초/중기 단계에서 내구성능을 예측하기 위해 가상 내구해석(virtual durability analysis)을 이용한다. 진동 내구해석 방법은 과도 응답 해석과 주파수 응답 해석, 파 워 스펙트럼 밀도 해석을 이용하며, 각 진동내구시험 조건에 따라 그에 적합한 해석방법이 개발단계에 맞추어 설정되어야 한다.

참고문헌 (11)

S.-H. Han, D.-G. An, S.-J. Kwak, and K.-W. Kang, 2013, "Vibration fatigue analysis for multipoint spot-welded joints based on frequency response changes due to fatigue damage accumulation", International Journal of Fatigue, Vol. 48, pp. 170-177.

상세보기
B. Julien, F. Bertrand, and Y. Thierry, 2013, "Probabilistic Random Vibration Fatigue", Procedia Engineering, Vol. 66, pp. 522-529.

상세보기
M. Mrnik, J. Slavi, and M. Boltear, 2013, "Frequencydomain methods for a vibration -fatigue-life estimation - Application to real data", International Journal of Fatigue, Vol. 47, pp. 8-17.

상세보기
F. Liu, Y. Lu, Z. Wang, and Z. Zhang, 2015, "Numerical simulation and fatigue life estimation of BGA packages under random vibration loading", Microelectronics Reliability, Vol. 55, pp. 2777-2785.

상세보기
K. A. Ragab, A. Bouaicha, and M. Bouazara, 2018, "Development of fatigue analytical model of automotive dynamic parts made of semi-solid aluminum alloys", Transactions of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 28, pp. 1226-1232.

상세보기
이명규, 박한승, 문호산, 박태원, 2018, "고주파 진동에 의한 상용차용 벨로우즈의 피로수명 해석", 한국자동차공학회 논문집, Vol. 26, pp. 319-325.
조병진, 정의철, 구정서, 2018, "랜덤진동을 고려한 철도차량 주 변압기의 내구 특성 평가", 한국생산제조학회지, Vol. 27, pp. 524-532.
Y. S. Kong, S. Abdullah, D. Schramm, M. Z. Omar, and S. M. Haris, 2019, "Development of multiple linear regression-based models for fatigue life evaluation of automotive coil springs", Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 118, pp. 675-695.

상세보기
R. C. Ugras, O. K. Alkan, S. Orhan, M. Kutlu, and A. Mugan, 2019, "Real time high cycle fatigue estimation algorithm and load history monitoring for vehicles by the use of frequency domain methods", Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 118, pp. 290-304.

상세보기
J. W., Miles, 1965, " On structural fatigue under random loading", Journal of Aeronaut Soc, Vol. 21, No. 7, 53-62.
T., Dirlik, 1985, "Application of computers in fatigue analysis. Ph.D. thesis", The University of Warwick.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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