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문제 정의
- 차체 경량화 기술에는 부품의 형상이나 레이아웃을 변경하여 차체 구조의 최적화를 통한 경량화 방법인 차체구조 최적설계, 기존 소재를 벗어난 경량, 고강도 소재를 사용하여 경량화를 시도하는 신공정 기술 등 다양한 경량화 기술이 있다. 본 연구에서는 유한요소해석과 이종소재 접합을 통하여 차체 프론트 사이드 외측을 구성하는 주요 골격부재인 Fender Apron을 이종소재를 적용한 차체구조 최적 설계에 관한 연구를 하고자 한다[4].
제안 방법
- 본 연구에서 이종재질 접합은 SPR, Blind-Rivet, 접착제 접합 및 접착제와 리벳을 혼용한 하이브리드 접합방법을 적용하고 그 재질은 Table 1과 같다. Table 1의 첫 번째 시편의 재질은 SABC1470 (1.
- 해석결과를 토대로 Blind-Rivet 적용 시편은 100ｘ30mm로 가공 후 Pre-hole을 적용하였고, 접착제는 Ashland Pliogrip 5760B를 사용하였으며, SPR장비 및 고강도 접합 Rivet을 사용하였다. 접합강도 측정을 위해 전단인장 실험을 진행하였으며 속도는 2mm/min으로 실험하였다. Fig.
- F-Apron의 이종소재 접합 최적화 구조를 위한 경량화 구조로 설계/해석 중량 18% 감소를 목표로 연구하였으며, 차량 정면충돌시 변형을 고려하여 기존 스틸 스폿용접 제품의 강성보다 동등하거나 강성이 높도록 설계하였다. 설계는 기존의 제품에서 각 부분의 재질의 변경과 접합법의 변경을 하였다.
- F-Apron의 이종소재 접합 최적화 구조를 위한 경량화 구조로 설계/해석 중량 18% 감소를 목표로 연구하였으며, 차량 정면충돌시 변형을 고려하여 기존 스틸 스폿용접 제품의 강성보다 동등하거나 강성이 높도록 설계하였다. 설계는 기존의 제품에서 각 부분의 재질의 변경과 접합법의 변경을 하였다. Fig.
- 경량화 소재 적용 부품 시험 및 설계사양 검증을 위해 현재 적용중인 Steel 제품에 대한 구조해석을 수행하였다. 일반제품의 재질은 SGACEN 1.
- 88kg)를 경량화 하였다. 기존 Steel 제품의 구조해석 후 이종재질 적용 구조해석을 통하여 F-Apron의 이종재질 적용 정면 충돌시 충돌에 대한 변형량과 비교하고, 충돌시 변형량을 확인하여 이종소재 접합 적용 제품의 안전성을 해석을 통하여 검증하도록 하였다. 구조해석 상용 프로그램인 ANSYS 19.
- 298을 사용하였다. F-Apron의 해석은 차량속도 60km/h로 정면충돌을 전제로 해석하였고, 기존 Steel 제품의 접합부는 Spot welding으로 접합조건을 하였으며 그 해석은 Fig. 6과 같다. 이종소재 접합적용 제품의 접합은 이종소재부의 Hybrid Blind(Blind-Rivet+Bonding Agrnt)접합으로 접합조건을 하였으며 그 해석은 Fig.
- 6과 같다. 이종소재 접합적용 제품의 접합은 이종소재부의 Hybrid Blind(Blind-Rivet+Bonding Agrnt)접합으로 접합조건을 하였으며 그 해석은 Fig. 7과 같다.
- 본 연구에서는 이종소재 접합방법의 연구와 차체 경량화를 위한 이종소재 접합을 이용한 최적설계및 유한요소해석을 이용한 기존제품과 이종소재 접합제품의 변형에 대한 강성도를 비교함으로 이종소재 접합제품의 적용성과 안정성을 해석을 통하여 검증하였으며, 기존 재질인 SGACEN 1.2t에서 SABC1470 1.4t + Al5083 2t 를 적용함으로써 18% 의 경량화를 달성하였다.
- Blind-Rivet의 경우 홀 가공 후 접합이 진행되기 때문에 소재의 강도에 영향이 없으며 Fig. 1과 같이 상용 유한요소 프로그램인 ANSYS를 이용하여 해석적으로 모사하여 강도를 비교한 값을 데이터화 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 이종재질 접합은 SPR, Blind-Rivet, 접착제 접합 및 접착제와 리벳을 혼용한 하이브리드 접합방법을 적용하고 그 재질은 Table 1과 같다. Table 1의 첫 번째 시편의 재질은 SABC1470 (1.4t) + AI5083 (2t), 두 번째는 SGARC780 (1.4t) + AI5083 (2t), 세 번째는 SGACEN (1.2t) + AI5083 (2t)을 나타낸다.
- 경량화 소재 적용 부품 시험 및 설계사양 검증을 위해 현재 적용중인 Steel 제품에 대한 구조해석을 수행하였다. 일반제품의 재질은 SGACEN 1.2t로 제품 설계 중량은 43.76kg이다. 이종소재 적용 제품 재질은 SABC1470+Al5083이며 설계 중량은 35.
- 76kg이다. 이종소재 적용 제품 재질은 SABC1470+Al5083이며 설계 중량은 35.88kg으로 기존대비 18%(7.88kg)를 경량화 하였다. 기존 Steel 제품의 구조해석 후 이종재질 적용 구조해석을 통하여 F-Apron의 이종재질 적용 정면 충돌시 충돌에 대한 변형량과 비교하고, 충돌시 변형량을 확인하여 이종소재 접합 적용 제품의 안전성을 해석을 통하여 검증하도록 하였다.
- 해석결과를 토대로 Blind-Rivet 적용 시편은 100ｘ30mm로 가공 후 Pre-hole을 적용하였고, 접착제는 Ashland Pliogrip 5760B를 사용하였으며, SPR장비 및 고강도 접합 Rivet을 사용하였다. 접합강도 측정을 위해 전단인장 실험을 진행하였으며 속도는 2mm/min으로 실험하였다.
데이터처리
- 이종소재 접합해석에서 적용하는 재질은 핫스탬핑 소재로 기계적 접합이 어려움이 있으므로 접합 해석을 통한 조건 선정이 필요함으로 유한요소 해석을 이용하여 기계적 접합방법인 SPR과 Blind-Rivet 접합해석을 진행하였다.
- 기존 Steel 제품의 구조해석 후 이종재질 적용 구조해석을 통하여 F-Apron의 이종재질 적용 정면 충돌시 충돌에 대한 변형량과 비교하고, 충돌시 변형량을 확인하여 이종소재 접합 적용 제품의 안전성을 해석을 통하여 검증하도록 하였다. 구조해석 상용 프로그램인 ANSYS 19.1 Software를 사용하였으며 해석에 관한 일반적인 사항을 아래 Table 2와 같이 정리하였다. Young’s Modulus는 고체역학에서 재료의 강성도를 나타내는 값이다.
성능/효과
- 해석을 통한 기계적 접합 분석결과 Blind-Rivet 과 Bonding Agrnt를 동시에 사용하는 접합 방법이 강도가 우수하였다.
- 구조해석 결과 기존 Steel 제품과 이종소재 접합 제품의 변형량은 동등하게 나타났다. Table 3은 기존제품과 이종소재 접합 제품의 변형량을 정리하였으며, Fig.
- 이종소재 접합 제품의 동적 충돌응력과 변형률을 확인한 결과 응력은 340MPa, 변형률은 0.183mm로 나타났다.
- 차제 이종소재 접합 적용은 SPR+ Bonding Agrnt 접합보다 Hybrid Blind(Blind-Rivet+Bonding Agrnt) 접합이 강도의 오차가 신뢰도가 있었으며 Fig. 7과 Table 3과 같이 정면충돌 강성에 대하여 기존제품과 동등하여 Blind-Rivet+Bonding Agrnt 방법으로 접합제품의 적용가능성을 해석을 통하여 확인하였다.
- Fig. 3은 각 경우의 결합 강도를 비교한 것으로 접합강도 측정결과 SABC1470+Al5083 조합에서는 Hybrid Blind(Blind-Rivet+Bonding Agrnt) 접합방법이 12.51KN으로 가장 높은 강도를 보였으며, SABC1470+Al5083 조합에서는 하이브리드 SPR 접합이 다른 조합에서 접합보다 강도가 낮은 원인은 SPR 접합은 가능하나, 상판의 스프링백 현상과 내부에 Interlock 체결이 제대로 이어지지 않아 강도 확보가 어렵다. 따라서 SABC1470 소재의 접합은 Hybrid Blind 접합방법이 우수한 접합방법으로 사료된다.
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