[논문]안정성을 고려한 ADI 재질 컨트롤 암의 구조최적설계

박한석; 송병철; 권영민; 이권희; 박영철

문제 정의

하지만 이보다 기계적 성질이 우수한 고강도 재료 개발을 통한 컨트롤 암의 중량감소가 요구되고 있다. 이와 같은 추세에 따라 본 연구에서는 현재 상용화되고 있는 S45C 보다 더 우수한 기계적 특성을 가지는 고강도 Steel 재료를 개발하였다. 개발된 고강도 Steel 재료를 자동차 현가장치의 핵심 부품인 컨트롤암에 적용하였다.
본 연구에서는 ANSYS WORKBENCH에 내장된 최적화 Tool인 DOE를 이용하여 컨트롤 암의 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 기계적 성질이 개선된 고강도 Steel 재료인 ADI를 적용하여 컨트롤암의 구조 최적설계를 수행하였다. ADI의 항복강도()는 550MPa이다.
국내 자동차 부품업체에서 컨트롤 암 개발 시 제품의 안전성을 평가하기 위해서 관성력 하중을 이용하여 구조해석을 수행하고 있다. 따라서 본 연구에서는 관성력 하중 중 가장 극악한 하중 조건인 3G_Bumping 만을 고려하여 최적설계를 수행하였다.
최대응력은 재료의 항복강도인 550MPa을 충분히 만족하고 있다. 따라서 본 연구에서는 과잉 설계된 ADI재질 Control Arm의 구조최적화를 수행하였다.

제안 방법

ADI는 인장강도를 증가시키기 위해 C 함량을 증가하였고 Si 함량을 증가하여 흑연 형성을 방지하고, 오스테나이트 기지에 탄소고용을 감소시켰으며, 공정온도를 증가시켰다. 그리고 경화능, 탄화물 형성, 오스템퍼링 반응비를 높이기 위해 Mn의 함량을 증가 시켰다. 또한 Cu, Ni 함량을 높여 경화기능을 증가시켰다.
그리고 경화능, 탄화물 형성, 오스템퍼링 반응비를 높이기 위해 Mn의 함량을 증가 시켰다. 또한 Cu, Ni 함량을 높여 경화기능을 증가시켰다. 위와 같은 방법으로 개선된 고강도 Steel 재료인 ADI의 기계적 성질을 S45C와 비교하여 Table 1에 나타내었다.
1에는 유한요소 모델과 하중조건을 표시하였다. 유한요소 모델은 3자유도를 가지는 사면체 요소를 선택하였으며 크기는 수렴해석을 통하여 5mm로 설정하였다. 다른 파트와 조립하는 기준점이 되는 Hard point A, B, C 점에 하중을 가하고 강체 운동을 하고 있는 구조를 해석할 때 쓰이는 방법인 Inertia Relief해석을 수행하였다.
유한요소 모델은 3자유도를 가지는 사면체 요소를 선택하였으며 크기는 수렴해석을 통하여 5mm로 설정하였다. 다른 파트와 조립하는 기준점이 되는 Hard point A, B, C 점에 하중을 가하고 강체 운동을 하고 있는 구조를 해석할 때 쓰이는 방법인 Inertia Relief해석을 수행하였다. Inertia Relief 해석을 수행하면 구조물의 탄성 변형에 영향을 미치는 응력만을 산출할 수 있다.
효과적으로 설계변수를 설정하기위해 ANSYS WORKBENCH에서 제공하는 topology optimization을 수행하였다.
초기형상에 하중조건을 부여하고 목적함수를 Control arm의 강성(Stiffness)으로 설정 후 제한조건으로 초기 중량의 몇 %를 감량할 것인가를 설정하면 각각의 weight reduction 양에 따라 제거 가능한 부분을 contour를 보여준다. 하중조건을 부여하는 Hard point 부분은 변경되지 않아야할 부분이므로 제외하였고 안쪽 두께부분만을 고려하여 weight reduction을 10%~60%를 10% 간격으로 ANSYS WORKBENCH의 topology Optimization을 수행하였다. 그 결과를 Fig.
t₁,t₂,t₃,t₄,t₅,t₆은 컨트롤 암의 두께를 구성하는 치수 이다. 이때 두께를 하나의 설계변수로 설정할 경우 과잉 설계의 우려가 있으므로 두께를 결정하는 부분을 6부분으로 나누어 설계변수로 설정하였다.
설계변수의 상한값과 하한값의 설정 시 고려해야 할 사항은 Suspensionmodule 구성시 다른 부품과 간섭 문제 때문에 상한값이 초기 모델의 치수를 넘어서는 안 된다. 경계조건에 만족하도록 초기값을 상한값으로 설정하고 20% 범위에 하한값으로 설정하였다. 그리고 제한조건인 최대응력이 ADI의 항복응력인 550MPa을 넘지 않아야 한다.
ANSYS WORKBENCH에 내장된 최적화 Tool인 Design Xplorer중 DOE를 이용하여 최적화를 수행하였다. DOE를 이용하여 최적화를 수행하기 전 메타모델의 종류를 선택할 수 있다.
DOE를 이용하여 최적화를 수행하기 전 메타모델의 종류를 선택할 수 있다. DOE에서 제공하는 메타모델에는 반응표면법과 크리깅법이 있으며 이두 가지 메타모델을 이용하여 컨트롤 암의 최적화를 수행하였다. Space Filling Design의 Maximum entropy 법을 이용하여 실험점을 50개 생성하였다.
Table 2에는 ANSYS WORKBENCH에서 제공하는 두 가지 메타 모델을 이용해 구한 최적 설계값과 응력, 무게를 비교하였다. 반응표면법 결과 보다 크리깅법을 이용한 결과가 더 낳은 값을 도출할 수 있었다.
하지만 정강도 해석에서 1GVW, 1G cornering, 1G braking, 3G bumping 모두를 고려해야한다. 최종적으로 도출된 최적점을 이용해 하중조건별로 유한요소해석을 수행하였다. 1GVW는 168.
본 연구에서는 경량화를 위해 기계적 성질이 개선된 고강도, 고인성, 좋은 충격치를 가지는 ADI를 컨트롤 암에 적용하였다. ADI가 S45C에 비해 약 12%의 항복강도, 23%의 인장강도 향상을 보였다

대상 데이터

이와 같은 추세에 따라 본 연구에서는 현재 상용화되고 있는 S45C 보다 더 우수한 기계적 특성을 가지는 고강도 Steel 재료를 개발하였다. 개발된 고강도 Steel 재료를 자동차 현가장치의 핵심 부품인 컨트롤암에 적용하였다.

이론/모형

DOE에서 제공하는 메타모델에는 반응표면법과 크리깅법이 있으며 이두 가지 메타모델을 이용하여 컨트롤 암의 최적화를 수행하였다. Space Filling Design의 Maximum entropy 법을 이용하여 실험점을 50개 생성하였다.

성능/효과

열처리는 Austempering 열처리를 하며 이는 일정온도에서 항온 유지하여 Ausferrite 조직을 얻기 위한 열처리 방법이다. ADI는 인장강도를 증가시키기 위해 C 함량을 증가하였고 Si 함량을 증가하여 흑연 형성을 방지하고, 오스테나이트 기지에 탄소고용을 감소시켰으며, 공정온도를 증가시켰다. 그리고 경화능, 탄화물 형성, 오스템퍼링 반응비를 높이기 위해 Mn의 함량을 증가 시켰다.
44(MPa)이다. 결과로 보아 모든 하중조건에서 항복강도를 만족한다.
본 연구에서는 경량화를 위해 기계적 성질이 개선된 고강도, 고인성, 좋은 충격치를 가지는 ADI를 컨트롤 암에 적용하였다. ADI가 S45C에 비해 약 12%의 항복강도, 23%의 인장강도 향상을 보였다
ANSYS WORKBENCH를 이용하여 최적화를 수행한 결과 크 리깅 메타모델을 이용한 DOE는 무게가 초기 값보다 5.226% 감소한 값을 얻을 수 있었고, 반응표면 메타모델을 이용한 DOE는 무게가 초기값의 4.125%가 감소한 것 을 얻을 수 있었다

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