[논문]도어 임팩트 빔의 3점 굽힘 최대강도와 차량 장착 시 굽힘 좌굴강도와의 관계

강성종; 이상민

doi:10.22680/kasa2019.11.1.040

도어 임팩트 빔의 3점 굽힘 최대강도와 차량 장착 시 굽힘 좌굴강도와의 관계
The Relation of Bending Buckling Strength in Vehicle and Three Point Bending Maximum Strength of Door Impact Beam 원문보기

자동차안전학회지 = Journal of Auto-Vehicle Safety Association, v.11 no.1, 2019년, pp.40 - 47

강성종 (대구가톨릭대학교 기계자동차공학부) , 이상민 (대구가톨릭대학교 대학원 자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

First, three point bending analysis for the inclined press door impact beam was carried out to investigate inclination angle effect on the maximum strength with varying support distance. Next, for the system model with spring elements representing body stiffness at door mounting area, the bending structural behavior of impact beam mounted on vehicle was estimated. The mounting distance and inclination angle were changed and the beam bending buckling strength was presumed at the head displacement below which spring stiffness change has little effect on the load. Finally strength ratio to predict the bending buckling strength of impact beam mounted on vehicle from three point bending maximum strength of fixed support distance was suggested.

주제어

표/그림 (20)

그림 Fig. 1 Door impact beam
그림 Fig. 2 FMVSS 214 side impact pole test
그림 Fig. 3 Press door impact beam section
그림 Fig. 4 Three point bending analysis model of TB_600_0°with different overhang length
그림 Fig. 5 Load-displacement curve from three point bending analysis of TB_600_0° with different overhang length
그림 Fig. 6 Load-displacement curve from three point bending analysis of L_tb=600mm
그림 Fig. 7 Deformed shape of TB_800_20°
표 Table 1 Maximum strength from three point bending analysis
그림 Fig. 8 System analysis model of L_s=950mm, θ=20°
그림 Fig. 9 Spring stiffness
그림 Fig. 10 System analysis model of L_s=855mm
그림 Fig. 11 Load-displacement curve from system analysis
그림 Fig. 12 Deformed shape of SS_855_20° at head displacement100mm and 200mm
그림 Fig. 13 Strain energy from system analysis
표 Table 2 Strain energy from system analysis(a) Strain energy
표 Table 3 Impact beam buckling strength
그림 Fig. 14 Load-displacement curve from system analysis of Ls=950mm model with changed spring stiffness
그림 Fig. 15 Load-displacement curve from system analysis of Ls=760mm model with changed spring stiffness
그림 Fig. 16 Strength ratio SR₄₀₀ and SR₅₀₀
표 Table 4 Maximum strength from three point bending analysis of support distance 400mm and 500mm

AI 본문요약
AI-Helper

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제안 방법

FMVSS 측면충돌 폴 테스트에 적용되는 폴 직경과 동일한 직경 254mm의 강체헤드에 0.012m/s의 수직방향 변위를 가해 준정적 해석하였으며 모델명은 TB_Ltb_θ로 정의하였다.
강체 빔 사이 거리 Ls 950mm, 855mm, 760mm 3가지로 변경하였으며 각 Ls 에 대해 경사각 θ를 0, 10°, 20°, 30°로 변화시켜 해석하였다.
9의 강성을 정의하고 스프링 끝 4곳을 모두 완전 구속하였다. 강체 빔끝 4곳을 빔 길이 방향 이동과 폭 방향 회전 만 가능하도록 추가 구속한 후 3점 굽힘해석과 같이 직경 254mm 의 강체헤드에 0.012m/s의 속도로 수직변위를 가하였다. 강체 빔 사이 거리 L_s 950mm, 855mm, 760mm 3가지로 변경하였으며 각 L_s 에 대해 경사각 θ를 0, 10°, 20°, 30°로 변화시켜 해석하였다.
빔 끝단부인 마운팅부 형상과 스프링이 장착되는 강체 빔 바깥부의 길이는 강도에 영향을 주지 않으므로 일정한 단면 빔으로 모델링 하였다. 굽힘변형 시 저항없이 회전하며 로커와 힌지를 안으로 끌어당기는 거동을 나타내는 도어내 빔 장착부에 강체 빔을 경계조건과 함께 추가하고 도어 차체 마운팅부 강성을 나타내는 스프링 요소를 추가하였다. 먼저 경사각이 없는 경우에 대해 빔 길이를 충분히 모델링한 후 경사각 증가에 따라 빔을 회전시키고 빔의 도어 내 마운팅 거리에 해당되는 2개 강체빔 사이 거리 L_s에 따라 빔 아래 면에 직경 20mm, 길이 240mm의 강체 빔 두개를 점용접을 가정하여 추가하였으며, 도어 차체 마운팅부 강성을 나타내는 스프링들을 강체 빔 끝 4곳에 연결시켜 시스템 모델을 구성하였다.
또한 실차 장착을 모사한 시스템 모델(system model)을 구성하여 임팩트 빔의 차체 마운팅부 사이 거리와 경사각을 변화시켜 굽힘강도 변화를 검토하였다. 다음으로 시스템 모델의 차체 마운팅부 강성을 여러 종류로 크게 변화시켜 빔 좌굴강도를 도출한 후 그것을 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 해석에서 산출된 최대강도로 나눈 강도비(strength ratio)를 분석하였다. 이를 통해 설계초기 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 최대강도로부터 실차 장착된 임팩트 빔의 빔 좌굴강도를 예측하는 방법을 제시하였다.
단순지지 된 균일단면의 도어 임팩트 빔에 대해 지지부 거리와 경사각 변화에 따른 굽힘 최대강도 변화를 검토하였다. Fig.
5의 하중-변위 곡선에서와 같이 지지부 사이 거리가 600mm로 길지 않음에도 중요한 변위영역 0~100mm 에서 차이를 나타내지 않으며 빔 붕괴가 크게 발생하는 100mm 이후에 미소한 영향을 받고 있어 오버행 길이 영향은 무시할 수 있음을 알 수 있다. 따라서 빔 전체 길이를 1500mm로 충분히 모델링 한 후 지지부 간격과 경사각 변화에 따라 지지부 위치 변경과 빔 회전을 통해 효과 적으로 3점 굽힘해석 모델을 구성하여 해석하였다.
본 연구에서는 먼저 3점 굽힘해석을 통해 지지부 거리와 경사각 변화에 따른 최대강도 변화를 살펴보았다. 또한 실차 장착을 모사한 시스템 모델(system model)을 구성하여 임팩트 빔의 차체 마운팅부 사이 거리와 경사각을 변화시켜 굽힘강도 변화를 검토하였다. 다음으로 시스템 모델의 차체 마운팅부 강성을 여러 종류로 크게 변화시켜 빔 좌굴강도를 도출한 후 그것을 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 해석에서 산출된 최대강도로 나눈 강도비(strength ratio)를 분석하였다.
굽힘변형 시 저항없이 회전하며 로커와 힌지를 안으로 끌어당기는 거동을 나타내는 도어내 빔 장착부에 강체 빔을 경계조건과 함께 추가하고 도어 차체 마운팅부 강성을 나타내는 스프링 요소를 추가하였다. 먼저 경사각이 없는 경우에 대해 빔 길이를 충분히 모델링한 후 경사각 증가에 따라 빔을 회전시키고 빔의 도어 내 마운팅 거리에 해당되는 2개 강체빔 사이 거리 L_s에 따라 빔 아래 면에 직경 20mm, 길이 240mm의 강체 빔 두개를 점용접을 가정하여 추가하였으며, 도어 차체 마운팅부 강성을 나타내는 스프링들을 강체 빔 끝 4곳에 연결시켜 시스템 모델을 구성하였다.
먼저 다양한 지지부 거리와 경사각 변화에 대한 모델링 편의성을 위해 지지부 좌우 오버행 길이(overhang length)가 굽힘강도에 미치는 영향을 파악하고자 Fig. 4 와 같이 L tb =600mm, 경사각 0°에 대해 오버행 길이를 60mm와 160mm로 달리한 2가지 모델에 대해 해석하였다.
본 연구에서는 먼저 3점 굽힘해석을 통해 지지부 거리와 경사각 변화에 따른 최대강도 변화를 살펴보았다. 또한 실차 장착을 모사한 시스템 모델(system model)을 구성하여 임팩트 빔의 차체 마운팅부 사이 거리와 경사각을 변화시켜 굽힘강도 변화를 검토하였다.
8은 20° 경사진 임팩트 빔 시스템 모델과 하중 및 경계조건을 나타낸다. 빔 끝단부인 마운팅부 형상과 스프링이 장착되는 강체 빔 바깥부의 길이는 강도에 영향을 주지 않으므로 일정한 단면 빔으로 모델링 하였다. 굽힘변형 시 저항없이 회전하며 로커와 힌지를 안으로 끌어당기는 거동을 나타내는 도어내 빔 장착부에 강체 빔을 경계조건과 함께 추가하고 도어 차체 마운팅부 강성을 나타내는 스프링 요소를 추가하였다.
스프링 강성 증감률 Δk를 ±20%, ±40% 총 4가지로 변화 시켜 해석한 후 각 스프링 강성변화에 대해 하중이 5% 이상 증가되지 않는 최대변위에서의 하중을 구하고 그 4개 평균값을 시스템 모델의 빔 좌굴강도로 추정하였다(Fig. 14, Fig. 15).
실차 장착 경우를 단순화하여 모사한 시스템 모델에 대해 해석하였다. 다음으로 시스템 모델의 차체 마운팅부 강성을 여러 종류로 크게 변화시켜 빔 좌굴강도를 도출한 후 그것을 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 해석에서 산출된 최대강도로 나눈 강도비(strength ratio)를 분석하였다. 이를 통해 설계초기 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 최대강도로부터 실차 장착된 임팩트 빔의 빔 좌굴강도를 예측하는 방법을 제시하였다. 해석에는 비선형 해석 범용 프로그램 LS/Dyna를 사용하였다.
지지부 거리 Ltb를 600 mm에서 1000mm까지 100mm 씩 증가시켰으며 각 지지부 거리에 대해 경사각 θ를 0°, 10°, 20°, 30°로 변화시켜 모델들을 구성하였다.
차체 마운팅부 강성을 변화시킨 시스템 모델 해석 결과로부터 빔 굽힘 좌굴강도를 추정한 후 그 값들을 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 최대강도로 나눈 강도비를 산출 하여 분석하였다. 최대 1.

대상 데이터

단순지지 된 균일단면의 도어 임팩트 빔에 대해 지지부 거리와 경사각 변화에 따른 굽힘 최대강도 변화를 검토하였다. Fig. 3은 빔 단면형상을 나타내며 두께는 2.0mm, 소재는 SPFC 1180을 적용하였다. 지지부 거리 L_tb를 600 mm에서 1000mm까지 100mm 씩 증가시켰으며 각 지지부 거리에 대해 경사각 θ를 0°, 10°, 20°, 30°로 변화시켜 모델들을 구성하였다.

데이터처리

이를 통해 설계초기 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 최대강도로부터 실차 장착된 임팩트 빔의 빔 좌굴강도를 예측하는 방법을 제시하였다. 해석에는 비선형 해석 범용 프로그램 LS/Dyna를 사용하였다.⁽⁹⁾

성능/효과

또한 경사각 증가에 따라 지지부 사이 빔 중량이 증가함에 따라 단위중량에 대한 변형에너지는 큰 비율로 감소되며 경사각 30°일 때 θ=0° 모델에 비해 23.8~ 24.8% 크게 감소하였다.
임팩트 빔의 실차 장착 상태를 모사한 시스템 모델에 대해 도어 내 마운팅부 사이 거리를 3가지로 변화시키고 경사각을 다양하게 변화시켜 변형에너지와 단위 빔 중량당 변형에너지를 분석한 결과 3점 굽힘해석과 유사한 경향을 나타냈으며 경사각 30°의 경우 경사지지 않은 모델에 비해 단위중량에 대한 변형에너지가 23.8~24.8% 크게 감소하였다.

후속연구

16의 강도비를 이용하면 일정 지지부 거리에 대한 경사빔 3점 굽힘 최대강도로부터 다양한 실차상태 임팩트 빔의 좌글강도 예측이 가능하므로 설계초기 단계에서 도어 임팩트 빔의 최적화 설계에 효과적으로 활용될 수 있다. 그러나 신뢰성을 높여 실용성을 확보하기위해서는 다양한 임팩트 빔에 대해 추가 연구를 수행할 필요가 있다.
이 강도비를 활용하면 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 최대강도로부터 실차 장착 상태의 다양한 임팩트 빔 좌글강도 예측이 가능하므로 초기단계에서 효과적인 경량 도어 임팩트 빔 설계가 가능하다 그러나 신뢰성을 높이기 위해서는 향후 다른 단면형상의 임팩트 빔에 대한 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도어 임팩트 빔의 종류는 무엇이 있는가	도어 임팩트 빔에는 강관 임팩트 빔과 프레스 임팩트 빔(press door impact beam) 2종류가 있으며 측면충돌에 의한 승객 상해를 최소화하기 위해 도어 안에 장착된 다(Fig. 1).
	강도비 (strength ratio)란 무엇인가?	또한 실차 장착을 모사한 시스템 모델(system model)을 구성하여 임팩트 빔의 차체 마운팅부 사이 거리와 경사각을 변화시켜 굽힘강도 변화를 검토하였다. 다음으로 시스템 모델의 차체 마운팅부 강성을 여러 종류로 크게 변화 시켜 빔 좌굴강도를 도출한 후 그것을 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 해석에서 산출된 최대강도로 나눈 강도비 (strength ratio)를 분석하였다. 이를 통해 설계초기 일정 지지부 거리의 3점 굽힘 최대강도로부터 실차 장착된 임팩트 빔의 빔 좌굴강도를 예측하는 방법을 제시하였다.
	임팩트 빔의 경사각을 최소화 하고 3점 굽힘 해석 시 실차 임팩트 빔 경사각을 반영하여 평가 해야하는 이유는 무엇인가?	다양한 지지부 거리와 경사각에 대한 3점 굽힘해석결과 경사각 증가에 따라 최대강도가 감소하며 경사각이 20° 이상이 되면 그 저하가 심하게 나타남을 알 수 있다. 경사각 증가에 따라 지지부 사이 빔 중량이 증가하므로 단위 빔 중량에 대한 최대강도 크기는 경사각 증가에 따라 더욱 낮게 나타나 설계 효율성이 크게 저하된다. 따라서 임팩트 빔의 경사각을 최소화하는 것이 중요하며 3점 굽힘해석 시 실차 임팩트 빔 경사각을 반영하여 평가가 이루어져야한다.

참고문헌 (10)

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원문보기 상세보기
Jo, K. R. and Kang, S. J., 2018, "The Effect of Mounting Location in Door and Body Stiffness on Press Door Impact Beam Bending Strength", Transactions of KSAE, Vol. 26, No. 2, pp. 272-278.

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LS-DYNA User's manual, 2006, "Nonlinear Dynamic Analysis of Structures", Version 971, LSTC.
Chun, B. K. and Kang, S. J., 1994, "Development of Side Door Intrusion Analysis Technique Using Simple Concept Model", KSAE Spring Conference Proceedings, pp. 517-524.

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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