[논문]구조 및 NVH 성능을 고려한 복합재료 서브프레임 개발

한두헌; 하성규

doi:10.7234/composres.2019.32.1.021

구조 및 NVH 성능을 고려한 복합재료 서브프레임 개발
Development of Lightweight Composite Sub-frame in Automotive Chassis Parts Considering Structure & NVH Performance 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.1, 2019년, pp.21 - 28

한두헌 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University) , 하성규 (Department of Mechanical Engineering, Hanyang University)

초록
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최근 환경 규제에 의하여 자동차 업계는 차량의 연비를 높이기 위해서 복합소재를 활용한 경량화 연구가 다양하게 진행되고 있다. 하지만 샤시계 부품들은 복합소재를 활용한 경량화 연구가 미진하다. 따라서 본 연구에서는 샤시계 부품 중 서브프레임에 복합재료를 활용하여 스틸 동등 수준의 강성, 강도 그리고 NVH 성능과, 50%의 경량화를 이끌어 내는 것이 목표다. 우선, 복합재료의 Damping 특성을 확인하기 위하여, 스틸과 복합재료 시편을 활용하여 고유 진동수를 1차 비교하였다. 본격적으로 서브프레임 개발에 들어가 강성, 강도를 극대화 할 수 있는 Lay-up Sequence를 제시하였고, 제작과정 중 경화에 의한 열 수축을 피할 수 있는 Lay-up Sequence를 제시하였다. 이 과정은 구조해석을 바탕으로 설계를 하였고, Modal 해석을 바탕으로 고유 진동수와 주파수 응답 그래프를 확인하였다. 설계 안을 바탕으로 프로토 타입 서브프레임을 제작하였고 단품 모달 실험을 통하여 구조해석 설계 안을 검증하였다. 나아가서 실차에 장착하여 공진점 확인 및 아이들링, 로드 노이즈 포함하여 실내 소음 진동 응답 비교를 하였고, 기존 스틸 서브프레임과 동등한 수준의 성능임을 확인하였다. 최종적으로 경량화는 기존 부품 대비 약 50% 무게 경량화 효과를 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, according to environmental regulations, the automobile industry has been conducting various research on the use of composite materials to increase fuel efficiency. However, there has not been much research on lightweight chassis components. Therefore, in this research, the purpose of this study is to apply composite materials to the sub-frame of chassis components to achieve equivalent levels of stiffness, strength, NVH performance and 50% lightweight compared to the steel sub-frame. First, the Natural frequency of steel and composite specimens was compared to the damping characteristics of composite materials. Then, in this study, the Lay-up Sequence was derived to maximize the stiffness and strength of the sub-frame by applying composite materials. And this lay-up Sequence is proposed to avoid heat shrinkage due to curing during manufacturing. This process was designed based on a FEM structural analysis, and a Natural frequency and frequency response function graph was confirmed based on a modal analysis. The prototype type composite sub-frame was manufactured based on the design and the F.E.M analysis was verified through a modal experiment. Furthermore, it was fitted to the actual vehicle to verify the natural frequency and the indoor noise vibration response, including idling and road noise. This result was confirmed to be equivalent to the steel sub-frame. Finally, the composite sub-frame weight was confirmed to be about 50% of the steel sub-frame.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Sub-frame Parts List
그림 Fig. 2. FEM Modeling & Boundary Condition
표 Table 1. Material Property
표 Table 2. Case Information for Specimen
그림 Fig. 3. Mode Shape at 1st Natural Frequency
그림 Fig. 4. Sub-frame FEM Modeling
그림 Fig. 5. Sub-frame Load & Boundary Condition
그림 Fig. 6. Comparison of Stress Contour, Steel sub-frame
표 Table 3. Natural Frequency of Specimen
표 Table 4. Case result of sub-frame in 6 load
그림 Fig. 7. Sub-frame displacement contour
그림 Fig. 8. Sub-frame mode shape
표 Table 5. Case information of composite sub-frame
표 Table 6. Result of sub-frame in load 3 cases
표 Table 7. Result of sub-frame Natural frequency
그림 Fig. 9. Sub-frame redesign
그림 Fig. 10. Manufacture Method
그림 Fig. 11. Composite sub-frame parts
그림 Fig. 12. Composite Sub-frame
그림 Fig. 13. Compare FRF graph between experiment & FEM
그림 Fig. 14. Sub-frame Modal Experiment
그림 Fig. 15. Compare FRF graph between experiment & FEM

AI 본문요약
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문제 정의

Fig. 1는 스틸 서브프레임의 형상과 부품리스트를 보여 준다 스틸 서브프레임의 무게는 총 15.6 kg이며, 본 연구에 서는 CFRP(복합재료)를 활용하여 40% 이상의 경량화 스틸 동등 수준의 강성 확보, NVH 특성 파악하는 것이 주 목적이다.
하지만 자동차의 샤시 부품의 경우 형상이 복잡하여서, 복합재료를 적용하는 것은 미진한 수준이다. 따라서 본 연 구에서는 샤시 부품 중 서브프레임에 대해서 연구를 진행했다. 서브프레임은 엔진·변속기, 메인 프레임, 로어암과 연결된다.
본 연구에서는 Sub-frame의 소재를 강재에서 복합 재료로 대체할 수 있는 다양한 설계 변수들을 제시하였으며 실 제 제작 및 실험을 통하여 이를 검증하였다. 요약하면 다음과 같다.
앞서 언급한 물성을 검증하기 위하여, 그리고 스틸 대비 앞서 언급한 복합재료들이 고유진동수가 어떻게 달라지는 지 확인하기 위해서 시편 모달테스트를 진행하였다.
또한 원가를 낮추기 위하여 다양한 소재를 시편에 제작하여 적용을 시도했다. 이 시편을 이용하여 스틸 대비 Damping 특성이 어떻게 달라지는지 확인하였다.

제안 방법

1. Sub-frame의 cost effective를 바탕으로 강성, 강도를 극대화할 수 있도록 다양한 재료를 이용하여 시편 Test를 진행하였고, 이를 바탕으로 소재를 선정하였다. 그리고 적정 설계를 통하여 Composite Sub-frame의 Thickness와 Lay-up Sequence를 결정하였다.
2. FRP Mold & Composite Sub-frame을 직접 제작하여서, 모 달 실험을 하였다.
5을 보면 확인할 수 있다. 4곳의 고무 부쉬의 위치에 x, y, z축 변위, 회전을 구속하였고, 8점에서 Force x, y, z방향, Moment x, y, z 방향으로 6가지의 서 로 다른 Multi Direction Load을 가하였다.
구조해석을 진행하기 전에 CAD형상을 해석할 수 있게 전 처리 과정을 진행해야 한다. Cad형상에 Element를 생성하였고, CAD를 단순화하기 위해서, 실제 서브프레임의 6개의 파트 용접을 CAE 환경에서 구현해주었다.
서브프레임을 제작하기 위해서는 몰드가 필요하고, 본 연구에서는 FRP 몰드를 제작하였다. FRP 몰드를 활용하 여, Infusion 방식으로 Part 별 Sub-frame을 제작하였다. Fig.
Steel Sub-frame의 해석 결과를 바탕으로 3가지 Composite Sub-frame 설계 하중을 선정하였다. 이 설계 하중을 만족시킬 수 있도록 설계하였고 Table 5는 복합재료 4가지의 Layup sequence Case 설명을 나타난다.
Mesh는 Shell Type Mesh로, Elements는 총 444,429개로 S4R elements를 적용하여 유한요소 모델로 구성하였다. 그리고 서브프레임의 고무 부쉬와 스틸 부쉬는 각 부품의 상 하단 중심 부분에 Reference point를 생성하고 Abaqus의 Coupling 기능을 이용하여 Reference point와 고무 부쉬와 스틸 부쉬 의 상 단면 사이에 Kinematic constraint를 각각 부여하여 구현하였다. 하중 및 경계 조건은 Fig.
Sub-frame의 cost effective를 바탕으로 강성, 강도를 극대화할 수 있도록 다양한 재료를 이용하여 시편 Test를 진행하였고, 이를 바탕으로 소재를 선정하였다. 그리고 적정 설계를 통하여 Composite Sub-frame의 Thickness와 Lay-up Sequence를 결정하였다.
이는 제작, 접합, 가공의 문제 때문이다. 또한 본 연구에서는 시스 템 단위의 개발이 아닌, 단품의 구조물을 개발 후 기존 시스템계에 장착을 하여 상충 성능을 검토한다. 그렇기 때문에 최소한의 형상 변경을 해야 기존 타 부품과의 간섭을 피 할 수 있다.
본 연구 대상인 서브프레임은 Damping 특성이 중요한 부 품이다. 또한 원가를 낮추기 위하여 다양한 소재를 시편에 제작하여 적용을 시도했다. 이 시편을 이용하여 스틸 대비 Damping 특성이 어떻게 달라지는지 확인하였다.
그리고 제작 공정 시 발생하는 Void, 작업자에 의한 미세한 Lay-up sequence 각도의 뒤 틀림에 의해서 오차가 발생한 것으로 예상된다. 또한, 실험을 통하여 Damping Ratio를 추출하였다. 이를 통해서 Steady State Modal Analysis를 통해서 추가적으로 FRF Graph (Frequency Response Function)를 도출하였다.
또 란 폴리에스터 레진은 제작 공정 중 기공이 적게 발생하며 크랙 발생 확률이 적기 때문에 이와 같이 선정하였다. 또한, 앞으로 복합재료의 재활용 연구도 활발하게 진행중이며, 따라서 본 연구에서 Core의 역할로 적합한지 판단을 위 해 ELG 사의 Recycled Fabric도 같이 검증하였다. 각 물성은 Table 1에서 확인 가능하다.
Steel 대비 Composite Sub-frame의 고유진동수가 어떻게 달라지는지 확인하기 위해서 앞서 Table 5의 케이스에 대 한 모달 테스트를 진행하였다. 모달 테스트 에서는 벤딩 모드 형상에 해당하는 고유진동수에 대해서 고려하였다. Table 7은 고유진동수를 정리한 표이다.
Table 2는 시편의 Case를 나타낸다. 본 모달 실험에서는 1차 고유진동수와 벤딩 모드 형상만을 다루었다.
본 연구에서 복합 재료로 스틸을 대체하기 전에, Steel SubFrame에 대해서 Static Analysis Simulation을 진행하였다. 총 6가지의 하중에 대해서 구조해석을 진행하였다.
서브프레임을 제작하기 위해서는 몰드가 필요하고, 본 연구에서는 FRP 몰드를 제작하였다. FRP 몰드를 활용하 여, Infusion 방식으로 Part 별 Sub-frame을 제작하였다.
14는 서브프레임의 센서 부착 위치를 보여준다. 실험 은 Steel Sub-frame와 직접 Composite Sub-frame를 진행하였 다. Table 7은 Steel & Composite Sub-frame의 실험과 해석의 고유 주파수를 비교한 표이다.
또한, 실험을 통하여 Damping Ratio를 추출하였다. 이를 통해서 Steady State Modal Analysis를 통해서 추가적으로 FRF Graph (Frequency Response Function)를 도출하였다. Fig.
본 연구에서 복합 재료로 스틸을 대체하기 전에, Steel SubFrame에 대해서 Static Analysis Simulation을 진행하였다. 총 6가지의 하중에 대해서 구조해석을 진행하였다. Fig.

대상 데이터

4는유한요소모델과실제서브프레임을나타낸다. Mesh는 Shell Type Mesh로, Elements는 총 444,429개로 S4R elements를 적용하여 유한요소 모델로 구성하였다. 그리고 서브프레임의 고무 부쉬와 스틸 부쉬는 각 부품의 상 하단 중심 부분에 Reference point를 생성하고 Abaqus의 Coupling 기능을 이용하여 Reference point와 고무 부쉬와 스틸 부쉬 의 상 단면 사이에 Kinematic constraint를 각각 부여하여 구현하였다.
하지만 이러한 섬유의 가격은 스틸 소재 대비 매우 높기 때문에 자동차 부품에 적용하기 부적합하다고 판단되었다. 따라서, 본 연구에서는 Zhongfushenying(중국)의 SYT45s-12k 카본 섬유와, Cray valley 사의 Epovia LSP-8020B 폴리에스터 레진을 사용하였다. SYT45s12k는 T700 섬유 90% 수준의 물성을 구현하며, Epovia LSP8020B 레진은 에폭시 80% 수준의 물성을 구현하며, 반면 두 제품의 재료의 가격은 50% 반면에 수준으로 저렴하다.
본 실험에서는 Modal 실험을 통해서 해석 결과를 검증하였다. 본 실험에서는 가속도 센서 타입을 18개 사용하였다. Fig.
본 연구 대상인 서브프레임은 Damping 특성이 중요한 부 품이다. 또한 원가를 낮추기 위하여 다양한 소재를 시편에 제작하여 적용을 시도했다.
SteelSub-frame을 제외한 나머지 케이스 중에서 고유진동수가 가장 높은 것은 CF_45이다. 최종적으로 Case CF_45의 적층 순서와 두께로 Composite Sub-frame을 제작하였다.

데이터처리

본 실험에서는 Modal 실험을 통해서 해석 결과를 검증하였다. 본 실험에서는 가속도 센서 타입을 18개 사용하였다.

이론/모형

따라서 기존 스틸 서브프레임의 형상을 최소화 변경하였다. 본 연구에서는 접합 방식을 Bonding 체결 방 식을 사용하였다. 모두 Bonding Area를 증가시키기 위해 변 경하였다.

성능/효과

3. Sub-frame의 소재를 Steel에서 복합재로 대체한 결과, 약 50%가량 무게 경량화 효과를 확인하였다.
I가 낮은 것을 확인하여, 강도적인 측면은 4케이스 모두 좋다고 확인할 수 있다. CF_0의 경우 Displacement의 결과를 바탕으로 평균적으로 다른 Composite Sub-frame 케이스와 비교하였을 때 20% 강성이 적게 확인되었다. 그 이유는 섬유의 Ply angle이 사선으로 업고, 모두 0(UD)로 적층한 케이스이기 때문이다.
또 한 실험과 FEM 해석의 경향성이 동일한 것을 확인할 수 있다. FEM 해석과 실험의 고유진동수 비교시, 평균 1~3% 오 차를 확인할 수 있었다. 그 원인은 복합재료 제작공정에서 발생할 수 있는 Void, Lay up angle 등 관련 인터페이스 물성 편차에 의한 오차로 예상한다.
그 결과 복합재료를 사용한 자동차 부품들은 경량화를 이루는 동시에 기계적 성능을 보전할 수 있었다. 자동차 분 야에 탄소섬유 강화 플라스틱에 대한 여러 연구들이 진행되고 있다.
하지만 Displacement 값은 CF_45 케이스 별로 8~25% 더 큰 것을 확 인할 수 있기 때문에 강성적인 측면에서 좋지 않다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 결과를 통해서 CF_45가 가장 Steel Sub-frame과 성능이 유사한 것을 확인할 수 있었다. 추가적으로 강성을 높이기 위해서 제품의 두께를 두껍 게 하는 방법이 있다.
이상으로, Sub-frame의 소재를 강재에서 복합재로 대체 가능성을 확인하였다.
Table 3에서는 1차 고유진동수를 비교하였고 St 대비 고 유진동수가 약 1~40% 높게 측정되었다. 특히 CF-SYTs/P.E 를 사용한 NCF_2t 시편은 T700/EP 사용한 시편보다 고유 진동수가 약 5% 낮은 것을 확인할 수 있었다.
이는 강도적인 측 면에서는 CF_45가 더 튼튼하다고 확인할 수 있다. 하지만 Displacement 값은 CF_45 케이스 별로 8~25% 더 큰 것을 확 인할 수 있기 때문에 강성적인 측면에서 좋지 않다는 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 결과를 통해서 CF_45가 가장 Steel Sub-frame과 성능이 유사한 것을 확인할 수 있었다.
FRP Mold & Composite Sub-frame을 직접 제작하여서, 모 달 실험을 하였다. 해석 결과와 2~10%의 오차를 확인하였고, 해석의 정확성을 검증하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	FRF은 무엇을 내포하고 있는가?	FRF는 주파수 영역 안에 각각의 모드를 위한 고유진동수, 감쇠비, 모드 형상을 내포하고 있다. 고유진동수는 FRF Graph 안에서 Peak 하는 지점이고, 감쇠비는 이 Peak 점 주변에서 Q-Factor라는 이론을 통하여 계산할 수 있다[7].
	자동차 분야에 탄소섬유 강화 플라스틱은 어떤 곳에 적용되고 있는가?	자동차 분야에 탄소섬유 강화 플라스틱에 대한 여러 연구들이 진행되고 있다. 백미러, 스포일러, 범퍼와 같은 외장부품뿐만 아니라 강성 부품인 Roof, A-pillar, B-pillar, Bumper Beam 등 형상이 간단한 부품에만 적용되고 있으며, 친환경 자동차의 수소 연료탱크, 전기자동차의 배터리 팩에도 적용 되고 있다[2,3].
	고유진동수란 무엇인가?	고유진동수란 어떤 물체가 가지고 있는 특유의 진동수이다. 외부에서 가해진 진동이 물체의 고유 진동수와 일치할 때 공진이 발생한다.

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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