선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 복합재 빔의 변위를 증가시키고, 파손 발생 시 하중이 급격히 떨어지는 것을 보완하기 위해 적층 패턴을 연구하였다. 단면형상 별 시험결과에서 가장 우수한 C-2구조에 Table 6과 같이 적층 패턴별로 시제품을 제작하였다.
- 본 논문에서는 차체 경량화를 하기위해 도어 임팩트 빔을 복합소재 빔으로 대체하기 위해 연구하였다. PCM공법으로 성형 가능한 형상을 제안하고 수치해석결과를 이용하여 최적형상을 선정하였고, 3점 굽힘과 도어 정적충돌 시험을 하였다.
가설 설정
- 3. 복합재의 단점 중에서 파손이 발생하면 하중이 급격히 떨어진다. 이러한 현상을 보완하고, 파손되는 변위량을 향상시키는 연구를 한 결과, 외부 중앙부에 아라미드를 추가 보강으로 향상되는 것을 확인하였다.
제안 방법
- 옆문 강도 성능파악을 위해서 강철 도어와 복합재 도어를 제작하였다. 3.4의 시험결과에서 가장 우수한 성능을 나타낸 사다리꼴 형상에 외부 중앙에 아라미드 [0/90]2를 보강하고, 내부 중앙에는 4 mm 리브를 보강한 임팩트 빔을 제작하였다. 복합재 빔 양쪽 끝단에 조립되는 브래킷은 기존 강철 브래킷에서 빔과 조립되는 부분의 형상만 변경하여 적용 하였다.
- 3점 굽힘 해석으로 복합재 빔의 중심부 강성을 분석하고, 최종 단면형상을 결정하였다. 해석조건은 Fig.
- 강철 임팩트 빔을 복합소재로 대체하기 위해 중량을 30%이상 감소시킬수 있는 형상 최적화을 도출하고자 한다. Lee [1]가 연구한 복합재 임팩트 빔 단면 결정 해석결과를 활용하여, 단면 2차 모멘트가 높은 사각단면과 사다리꼴단면으로 개념설계 하였다. 빔의 최종 형상은 자동차 업체의 도어 데이터를 활용하여 다른 부품과의 간섭이 발생하지 않도록 설계하였다.
- 본 논문에서는 차체 경량화를 하기위해 도어 임팩트 빔을 복합소재 빔으로 대체하기 위해 연구하였다. PCM공법으로 성형 가능한 형상을 제안하고 수치해석결과를 이용하여 최적형상을 선정하였고, 3점 굽힘과 도어 정적충돌 시험을 하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 강철 임팩트 빔을 복합소재로 대체하기 위해 중량을 30%이상 감소시킬수 있는 형상 최적화을 도출하고자 한다.
- 이를 해결하기 위해 임팩트 빔을 복합소재로 변경하는 연구가 활발히 진행 되었다. 강철(steel)과 알루미늄 빔에 복합재를 함께 적용하여 굽힘강도 성능을 평가하였다. 굽힘 성능 향상과 경량화의 가능성을 확인하였다[6,7].
- 그리고 3점 굽힘해석을 통해서 검증을 하였으며, 그 결과 반영하여 강성이 우수한 “사다리꼴” 형상으로 선정하였다.
- 기존 강철 임팩트 빔과 복합재 빔의 성능비교를 위해서 옆문 정적충돌시험으로 비교하였다. 초기충돌저항(initial) 과 중기충돌저항(intermediate)은 반력-변위선도가 이루는 삼각형의 면적이 평균반력 법규치이며, 반력-변위 선도 그래프에서의 삼각형 면적 이 넘어야 법규만족이 된다.
- 복합재 빔의 변위를 증가시키고, 파손 발생 시 하중이 급격히 떨어지는 것을 보완하기 위해 적층 패턴을 연구하였다. 단면형상 별 시험결과에서 가장 우수한 C-2구조에 Table 6과 같이 적층 패턴별로 시제품을 제작하였다. 변위를 늘리기 위해서 빔의 외부 중앙부 300 mm 구간에 추가로 소재를 적층하였다.
- 단면형상에 대한 해석결과를 반영하여 사각 단면과 사다리꼴 단면에 대해서 중량을 절감시키는 방안으로 추가 해석하였다. Table 3의 그림처럼 빔의 전체 영역을 12 ply로 적용하고, 빔의 중앙부는 300 mm구간에 6 ply 를 추가 적층하였다.
- 도어 임팩트 빔의 적합성 시험은 북미법규인 FMVSS 214 옆문 정적충돌시험을 이용하여 규정한 굽힘 저항력을 만족하는지 검증한다. Fig.
- 기존 양산제품인 강철 임팩트 빔과 도출된 단면형상으로 제작된 복합재 빔을 3점 굽힘 시험을 통해 최적형상과 적층패턴을 선정하였다. 도어 정적충돌 성능시험으로 강철과 복합재 도어 조립체를 비교 평가하였다.
- 무게 절감을 위해서 전 구간 18 ply 적층하는 것을 B-1, C-1 그림처럼 몸통부 12 ply, 중앙부 300 mm 구간에 6 ply 적층하였다.
- 단면형상 별 시험결과에서 가장 우수한 C-2구조에 Table 6과 같이 적층 패턴별로 시제품을 제작하였다. 변위를 늘리기 위해서 빔의 외부 중앙부 300 mm 구간에 추가로 소재를 적층하였다. #1 모델은 중앙부에 GEP-2224 [0/90]2를 보강, #2모델은 아라미드 [0/90]2를 보강, #3 모델은 아라미드 [±45]2 를 보강하였다.
- 4의 시험결과에서 가장 우수한 성능을 나타낸 사다리꼴 형상에 외부 중앙에 아라미드 [0/90]2를 보강하고, 내부 중앙에는 4 mm 리브를 보강한 임팩트 빔을 제작하였다. 복합재 빔 양쪽 끝단에 조립되는 브래킷은 기존 강철 브래킷에서 빔과 조립되는 부분의 형상만 변경하여 적용 하였다. 복합재 빔과 브래킷은 M6볼트를 3곳에 체결하였다.
- 본 연구에서는 Table 2의 A, B, C 단면에 대해서 3점 굽힘 구조해석을 수행하였다. 최적설계를 위해 모델링은 CATIA V5 R20을 사용하였고, 해석은 상용 프로그램인 HyperMesh와 Abaqus/Standard을 사용하였다.
- Lee [1]가 연구한 복합재 임팩트 빔 단면 결정 해석결과를 활용하여, 단면 2차 모멘트가 높은 사각단면과 사다리꼴단면으로 개념설계 하였다. 빔의 최종 형상은 자동차 업체의 도어 데이터를 활용하여 다른 부품과의 간섭이 발생하지 않도록 설계하였다.
- 사각단면형상은 상형(cavity)이 닫히면서 양쪽 측면 슬라이드 코어(slide core)가 작동하면서 측면이 가압 되도록 하였다. 사다리꼴 단면형상은 길이가 짧은 변이 아래쪽으로 향하게 해서, 슬라이드 코어가 없이 양쪽 측면이 가압 되도록 하였다. 소재가 적층되는 멘드릴은 이형처리를 한 후, GEP-2224소재를 돌려가면서 적층을 하였다.
- 복합재 빔 성형은 PCM(Prepreg Compression Molding)공법을 적용하였으며 짧은 성형시간으로 , 대량생산이 가능한 공법이다. 성형용 금형은 PCM 성형 시 전체 면적에 압력이 균일하게 가해지도록 제작하였다. 사각단면형상은 상형(cavity)이 닫히면서 양쪽 측면 슬라이드 코어(slide core)가 작동하면서 측면이 가압 되도록 하였다.
- 옆문 강도 성능파악을 위해서 강철 도어와 복합재 도어를 제작하였다. 3.
- 유리섬유 에폭시 프리프레그에서 주로 많이 사용 하는 소재 3가지에 대해서 비교 평가하였다. GEP-2224, GEP-580소재는 직물을 구매해서 에폭시 수지로 코팅하였으며, GEP-7781(BMS-79)소재는 코팅 된 수입소재를 사용하였다.
- GEP-2224소재는 경사와 위사의 밀도비율이 50:26이고, 밀도가 높은 경사방향이 빔의 길이방향 (0°)으로 적층하였다. 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 사각형과 사다리꼴단면에 대해서 3점 굽힘 해석으로 강성, 강도, 변위를 비교하여 최적의 단면형상을 도출하였다. 기존 양산제품인 강철 임팩트 빔과 도출된 단면형상으로 제작된 복합재 빔을 3점 굽힘 시험을 통해 최적형상과 적층패턴을 선정하였다.
- 지그는 반지름 12.7 mm인 강체 롤 2개를 470 mm 간격으로 고정시키고, 반지름 152.5 mm인 펀치를 수직 이동시키면서 굽힘시험을 진행하였다.
대상 데이터
- #1 모델은 중앙부에 GEP-2224 [0/90]2를 보강, #2모델은 아라미드 [0/90]2를 보강, #3 모델은 아라미드 [±45]2 를 보강하였다.
- GEP-2224, GEP-580소재는 직물을 구매해서 에폭시 수지로 코팅하였으며, GEP-7781(BMS-79)소재는 코팅 된 수입소재를 사용하였다.
- 1. 강철 빔을 복합재 빔으로 대체하기 위해서 강철 빔의 강성과 유사하게 사각형과 사다리꼴단면 2차 모멘트를 선정하였다. 그리고 3점 굽힘해석을 통해서 검증을 하였으며, 그 결과 반영하여 강성이 우수한 “사다리꼴” 형상으로 선정하였다.
- GEP-2224소재는 경사와 위사의 밀도비율이 50:26이고, 밀도가 높은 경사방향이 빔의 길이방향 (0°)으로 적층하였다.
- 7 mm 로 적용하였다. 강철 소재는 국내의 ㈜포스코에서 양산되는 후열처리강(Post Heat Treatment Steel)인 오토빔(Autobeam)을 사용하였다. 복합소재는 GEP-2224로 평판시편 제작하고, 인장, 굴곡 및 전단시험을 만능시험기 INSTRON-5982(10ton)모델을 사용하여 물성평가 하였다.
- 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 사각형과 사다리꼴단면에 대해서 3점 굽힘 해석으로 강성, 강도, 변위를 비교하여 최적의 단면형상을 도출하였다. 기존 양산제품인 강철 임팩트 빔과 도출된 단면형상으로 제작된 복합재 빔을 3점 굽힘 시험을 통해 최적형상과 적층패턴을 선정하였다. 도어 정적충돌 성능시험으로 강철과 복합재 도어 조립체를 비교 평가하였다.
- 최적설계를 위해 모델링은 CATIA V5 R20을 사용하였고, 해석은 상용 프로그램인 HyperMesh와 Abaqus/Standard을 사용하였다. 단면형상은 기존 강철 타원(ellipse) 형과 복합재 사각(square)형 사디리꼴(trapezoid) 형상으로 하였다. 복합재 단면 면적은 4.
- GEP-2224, GEP-580소재는 직물을 구매해서 에폭시 수지로 코팅하였으며, GEP-7781(BMS-79)소재는 코팅 된 수입소재를 사용하였다. 단면형상은 사각 단면(B)으로 시제품을 제작하였다. 3점 굽힘시험결과는 Table 4에 나타냈으며, GEP-2224소재가 21.
- 본 연구에서는 Glass fabric 2224(한국신소재)와 에폭시 수지로 프리프레그(prepreg)라는 시트형태로 소재를 제작하였다. GEP-2224소재는 경사와 위사의 밀도비율이 50:26이고, 밀도가 높은 경사방향이 빔의 길이방향 (0°)으로 적층하였다.
- 무게 절감을 위해서 전 구간 18 ply 적층하는 것을 B-1, C-1 그림처럼 몸통부 12 ply, 중앙부 300 mm 구간에 6 ply 적층하였다. 소재별 3점 굽힘시험에서 가장 우수한 GEP-2224소재를 적용하였다. C-2모델은 C-1모델에 추가로 내부 중앙 300 mm 구간에 리브 4 mm를 추가하였다.
- 3점 굽힘 해석으로 복합재 빔의 중심부 강성을 분석하고, 최종 단면형상을 결정하였다. 해석조건은 Fig. 2와 같이 펀치와 지지대 사이의 거리를 470 mm, 펀치와 지지대의 반지름은 152.5 mm, 12.7 mm 로 적용하였다. 강철 소재는 국내의 ㈜포스코에서 양산되는 후열처리강(Post Heat Treatment Steel)인 오토빔(Autobeam)을 사용하였다.
데이터처리
- 5 mm인 펀치를 수직 이동시키면서 굽힘시험을 진행하였다. 시험결과에서는 파손 시 최대하중과 변위 그래프를 비교 평가하였다.
- 본 연구에서는 Table 2의 A, B, C 단면에 대해서 3점 굽힘 구조해석을 수행하였다. 최적설계를 위해 모델링은 CATIA V5 R20을 사용하였고, 해석은 상용 프로그램인 HyperMesh와 Abaqus/Standard을 사용하였다. 단면형상은 기존 강철 타원(ellipse) 형과 복합재 사각(square)형 사디리꼴(trapezoid) 형상으로 하였다.
이론/모형
- 3점 굽힘시험은 유한요소해석 결과와의 연관성을 확인하기 위해서 해석조건과 동일한 ASTM D790 시험 기준에 맞춰 시험하였다. Fig.
- 강철 소재는 국내의 ㈜포스코에서 양산되는 후열처리강(Post Heat Treatment Steel)인 오토빔(Autobeam)을 사용하였다. 복합소재는 GEP-2224로 평판시편 제작하고, 인장, 굴곡 및 전단시험을 만능시험기 INSTRON-5982(10ton)모델을 사용하여 물성평가 하였다. Table 1은 복합재 구조물의 재질특성 최적화에 사용되는 ASC/MCQ Composites을 활용해서 ply를 구성하는 섬유와 수지의 기계적 성질들을 시험 값과 근사하게 나타냈다.
성능/효과
- 2. 사각형과 사다리꼴단면형상에서 양쪽 끝단의 두께를 낮추고, 외부 중앙부 보강을 통한 초기 강도와 변위가 동일함을 검증하였다.
- 4. PCM공법으로 제작한 유리섬유 복합재 임팩트 빔에 대한 옆문강도성능을 평가한 결과 초기충돌저항(152.4 mm)은 105%(10.5 kN), 중기충돌저항(305.8 mm)은 100%(15.6 kN) 나왔으며, FMVSS 214에서 요구하는 조건을 모두 만족하였다.
- 5. 결론적으로 단면 최적화된 복합재 도어 빔을 적용하여 강도와 충돌성능을 만족하였으며, 대당 30%이상의 경량화 효과를 얻을 수 있었다. 그렇지만 경제성 부분에서는 재료비 증가, 볼팅공정 추가로 인한 가격상승이 예측되며, Steel 대비 시험횟수가 적어 다양한 상황에 대한 Data가 확보가 필요하다.
- 사각형과 사다리꼴단면형상에서 양쪽 끝단의 두께를 낮추고, 외부 중앙부 보강을 통한 초기 강도와 변위가 동일함을 검증하였다. 그리고 내부에 두께 4 mm 보강 리브를 보강 시에는 하중이 17%, 변위는 30% 향상되었다.
- 13에서 임팩트 빔의 변위별 반력선도를 나타냈으며, 시험 중 320~360 mm 부근에서 도어의 스트라이크가 빠지면서 하중이 급격히 떨어져 460 mm 까지 가압을 하지 못했다. 두 결과 그래프에서 135 mm까지는 복합재 빔이 강성이 높아서 유리하나, 이후부터는 복합재 빔 파손 후 반력이 급격히 감소하여 낮아지는 것을 알 수 있다. 옆문강도의 가장 중요한 평가인자 중 하나인 초기충돌저항은 복합재가 다소 유리한 경향이 보였다.
- 복합재의 단점 중에서 파손이 발생하면 하중이 급격히 떨어진다. 이러한 현상을 보완하고, 파손되는 변위량을 향상시키는 연구를 한 결과, 외부 중앙부에 아라미드를 추가 보강으로 향상되는 것을 확인하였다. 그리고 아라미드를 [±45]2로 적층하는 것보다 [0/90]2로 적층하는 것이 하중은 5%, 변위는 8%가 향상되는 결과를 나타냈다.
- 앞문 초기충돌저항과 중기충돌저항 성능을 Table 7에서 비교하였으며, 강철과 복합재의 결과 모두 법규 목표치에 만족하였다. 초기충돌저항은 복합재 빔이 1.5% 더 높았으며, 중기충돌저항은 강철이 17.5% 더 높게 나타났다. Fig.
- 최적의 복합재 빔 도어 조립체는 현재 양산되고 있는 강철 빔 도어 조립체와 동등한 수준의 옆문강도 성능을 보였으며, 대당 30%이상의 중량절감이 가능하였다.
- 4는 빔의 반력-변위 그래프를 나타냈으며, 강철 타원형(A) 기준 대비 사다리꼴단면(C)이 우수한 강성을 나타냈다. 최적화 설계를 위해서 양쪽 끝단의 두께를 낮추고, 응력이 집중적으로 발생하는 중앙부 두께를 증가하는 것이 중량 절감에 유리하다고 판단하였다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.