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고장물리 기반 자동차 서스펜션 모듈 내구설계
PoF based Fatigue Durability Analysis of Automobile Suspension Module 원문보기

대한기계학회 2008년도 추계학술대회A, 2008 Nov. 05, 2008년, pp.1320 - 1325  

한승호 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) ,  이재경 (한국기계연구원 시스템엔지니어링연구본부) ,  이태희 (라온엑스솔루션즈(주)) ,  장광섭 (PartDB(주))

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In the manufacture of automobile suspension modules at a company as parts supplier, the design process includes the detail design and the design modification via structural and fatigue durability analyses considering PoF(physics of failure) of their weldments that are repeated more than four times s...

AI 본문요약
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제안 방법

  • 본 연구에서는 CATIA 기반 모델의 형상 파라메트릭 모델화가 용이한 PSG(Parametric Set Generator)와 용접부 고장물리를 기반으로 한 CAE 모델링이 원활히 이루어지는 FE-모델링 보조시스템을 멀티 에이전트 기반 엔지니어링 통합 프레임워크(6)에 임베디드하였다. 자동차 서스펜션중 FR 및 RR Control Arm과 Cross Member에 대하여 내구설계를 수행하였으며, 공수 및 비용 절감 분석을 통한 통합설계시스템의 효율을 분석하였다.
  • 특히, 컨트롤 암과 크로스멤버는 경량화를 목적으로 여러 판넬을 용접으로 접합하여 제작하는데, 이는 필연적으로 용접부의 높은 피로민감도로 인해 대부분의 고장 발생 원인을 제공한다. 용접부의 불규칙한 기하학적인 불연속부에 작용하는 노치응력 또는 변형률과 이들의 반복 응답특성을 고려한 노치변형률법이 적용되어 용접부에 발생하는 피로균열발생 수명을 평가한다. Smith 등(7)이 제안한 이론식으로 산출된 피로수명은 식(1)과 같이 피로내구지수로 표현되며, 1 이상의 값을 갖게 형상 설계변수를 변화시킨다.
  • 자동차 서스펜션 모듈의 피로파손의 PoF를 고려한 피로내구지수의 계산법을 통하여 주요 부품인 FR Lower arm, RR Lower arm 및 RR Cross member의 형상설계의 실무절차를 분석하였다. 또한, 멀티 에이전트 기반 엔지니어링 통합 프레임워크를 이용한 통합설계시스템을 개발하여 실무적인 설계 시나리오를 적용하여 통합설계 시스템의 효율분석을 실시한 결과 일인당 공수절감 효과가 40% 이상임을 확인 하였다.
  • 에 임베디드하였다. 자동차 서스펜션중 FR 및 RR Control Arm과 Cross Member에 대하여 내구설계를 수행하였으며, 공수 및 비용 절감 분석을 통한 통합설계시스템의 효율을 분석하였다.

대상 데이터

  • 본 연구의 대상체는 자동차 서스펜션 모듈의 중요한 부품인 컨트롤 암과 크로스멤버로서 Fig.1과 같은 전(FR)·후(RR) 서스펜션 모듈의 Lower arm과 RR Cross member이다.
  • 사용된 S/W는 MSC.Patran이며, 내장된 Acumen Toolkit으로 구현된 Navigation System과 PCL(Patran Command Language)로 구성된 제어 시스템이 구현되어 있다. CAE를 수행하는 기능으로서 CATIA 파일을 입수하며, 유한요소해석을 위한 메쉬작업이 이루어진다.

이론/모형

  • 이때 메쉬는 쉘요소로서, 3차원 솔리드 CAD 형상의 중립면에 위치하게 되고, 용접 연결부는 용접요소를 생성시킨다. 하중 및 경계조건은 MPC(Multi-Point Constraint) 기능을 활용하여 구현하며, 다음 단계에서 구조해석과 피로해석을 수행하여 피로내구지수를 계산하게 된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
서스펜션 모듈은 무엇으로 조립되어 있는가? 서스펜션 모듈은 전절에서 설명하였듯이 컨트롤 암, 크로스멤버, 캐리어부, 현가스프링 장착부 및 스토퍼 등 다양한 부품으로 조립되어 있고 차량의 움직임(Braking, Cornering, Bumping)에 의한 정하중과 GVW(Gross Vehicle Weight) 가속도 변화에 따른 피로하중 진폭이 끊임없이 부과된다. 특히, 컨트롤 암과 크로스멤버는 경량화를 목적으로 여러 판넬을 용접으로 접합하여 제작하는데, 이는 필연적으로 용접부의 높은 피로민감도로 인해 대부분의 고장 발생 원인을 제공한다.
PSG는 어떤 기능을 갖고 있는가? PSG는 CAD 모델의 형상 파라메터를 자동으로 변경하는 기능을 갖고 있다. 파라메트릭 모델을 생성하기 위하여 부품의 주요 치수와 같은 기하학적 정보는 물론, 설계의도, 사양 및 기능과 같은 비기하학적 정보를 이용한다.
CAD-CAE-CAM을 하나로 통합하는 방식의 단점은? 이는 초기 개념설계 단계에서 부품생산에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있는 좋은 사례로 여겨지고 있으며, 이와 유사한 연구사례(5)도 발표된 바 있다. 그러나, 대부분 CATIA의 Knowledge-based design module을 사용하는 방식을 따르고 있어, 중소부품업체에서 사용하기 위해서 고비용을 지불해야하는 문제를 앉고 있다. 또한, 자동차 서스펜션 부품 중 파손이 가장 빈번히 발생하는 용접부의 경우 피로해석 수행이 필요한데, 이를 위해서는 파손원인 분석과 이를 바탕으로 한 고장물리 기반 내구해석이 제품 맞춤형으로 수행되어야 하고, 이러한 기능이 통합설계시스템에 반영되어야한다.
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