TRB 모델의 경량화 설계

복합소재를 적용한 측면부재의 경량화 설계는 5단계

로 진행하였는데 해석 기준 충돌 속도를 선정하기 위하여 Base 모델의 충돌해석을 수행하였고 이를 기준으로 복합재를 적용한 하이브리드 측면부재와 성능 비교를 위하여 TRB 모델에 대해서 Reinforcement 두께 최적화를 수행하여 구조 성능 및 경량화 정도를 확인하였으며 금속재료 모델에 대한 해석 조건 및 성능을 확인 후 B pillar의 Reinforcement를 제거하고 Outer Panel에 복합재료를 보강한 복합재 하이브리드 측면부재를 대상으로 보강구간을 9단계로 구분하여 최적 보강 구간과 Fiber Orientation 별 두께 최적 설계를 수행하고 보강 구간과 Fiber Orientation 별 최적 조건에 대하여 적층 패턴을 수행한 후 Base 모델 TRB모델 대비 침입 량과 경량화 여부를 확인하였는데 마지막으로 탑승자의 안전에 영향을 미치는 부재들의 파괴 여부를 확인하였습니다.

 

Base 모델 기준 충돌속도 선정은 앞서 언급한 것과 같이 단순화 모델의 초기 해석

조건 선정을 위하여 먼저 IIHS 규격을 기준으로 충돌 속도 50km h MDB 중량 1500kg을 해석 조건을 선 정하여 충돌 해석을 수행하였으나 부재가 정말 파괴되는 것을 확인할 수 있었고 따라서 충돌속도를 변수로 하여 충돌속도 선정을 위한 해석을 수행하였는데 충돌속도 해석 변수 범위는 100mm s에서 500mm s로 세분화하여 해석을 수행하였고 최대 침입량 조건을 만족하는지에 대하여 확인하였으며 최대 침입 량 확인은 B pillar Inner의 최대 변형 량을 기준으로 하였으며 안전한 침입 형상이 유도되는지를 확인하기 위하여 B pillar Reinforcement를 9단계로 구분하여 위치별 최대 침입 량을 확인하였고 RF 6에서 RF 8에서 가장 많은 에너지 흡수가 발생하는 것을 확인할 수 있었으며 탑승자의 두부에 충격을 줄 수 있는 측면부재 상부가 하부에 비해 변형이 현저히 작은 것을 확인할 수 있었는데 위의 해석 결과를 바탕으로 최대 침입량 Dmax 128 1mm 플로스 5mm 조건을 만족하고 변형 후 안전 변형 형 상이 유도되는 속도 2600mm s 약 9점 4 Km h를 최종 충돌 해석 조건으로 선정하였고 복합소재를 적용한 측면부재와 충돌 후 변형 형상 비교를 위하여 Base 모델의 변형 형상을 최적 안전 변형 형상으로 가정하였습니다.

 

TRB 모델 Reinforcement 경량화 설계

로는 복합소재를 적용한 B pillar의 충돌 성능 및 경량화 성능을 확인하기 위해서는 상호 비교 대상이 필요하므로 금속재료를 사용한 Base 모델 외에 Multi Strength 공법으로 성능이 개선된 TRB 모델 또한 비교 대상으로 고려하였고 비교 대상인 TRB 모델은 Reinforcement를 구간별로 나누어 두께 최적화 설계를 수행하였는데 TRB 모델의 두께 설계는 변수를 최소화하기 위하여 B pillar의 Outer와 Inner 부는 Base 모델과 동일하게 적용하였으며 경량화 설계 대상인 Reinforcement의 경우 성능 향상을 위하여 재료를 고장력강인 DP980으로 변경하였고 TRB 모델의 Reinforcement 두께 설계는 최적화 기법인 ARSM Adaptive Response Surface Method 이용하여 수행하였으며 두께 설계를 위하여 목적함수는 질량 최소화로 선정하였고 안전 변형 형상을 유도하기 위하여 Fig 4 7과 같이 Base 모델의 Reinforcement를 9구간으로 분할하여 Base 모델의 구간별 침입 량과 최대 침입 량을 기준으로 제한조건으로 선정하였고 반응 조건인 두께는 1mm를 기준으로 마이너스 0점 5 플로스 1로 범위를 선정하였으며 HyperStudy를 이용한 경량화 해석을 통해 아래 Table 4 2와 같이 29개의 반복 결과 Iteration를 도출하였고 19개 Run No 11에서 No 29의 조건이 최대 침입 량과 경량화 조건을 모두 만족하는 것을 확인하였습니다.

 

복합소재를 적용한 측면부재 경량화 설계조건

으로는 복합소재의 경우 소재 특성상 변형률이 약 5프로 미만인 취성재료이므로 기존 Steel재료에 비해 충돌에 의한 충격량이 크고 충돌 후 안전과 관련된 변형 형상을 유도하는데 어려움이 있으므로 Reinforcement의 구조성능을 대신할 수 있게 복합재료를 보강할 구간을 선정해 주는 것이 필요하고 Base 모델의 충돌 테스트 결과를 분석한 결과 RF 6에서 RF 8 구간이 충돌 시 MDB와 접촉이 일어나는 구간으로 충돌 에너지가 집중되어 변형이 가장 많이 일어나는 구간인 것을 확인하였는데 따라서 복합소재 보강 위치를 TRB모델 경량화 설계를 위해 분류한 RF 1에서 RF 9구간을 기준으로 아래 Fig 4 11과 같이 Case 1에서 Case 8으로 분류하였고 각 Hyperstudy를 이용하여 각 Case별로 충돌해석을 수행하였고 Case별 보강구간에는 적층 순서를 고려하지 않은 Super ply를 적용하여 0도 플러스 마이너스 45도 90도의 적층 각도별로 적층 두께 영향 도를 확인하였고 SuperPly기법은 복합소재의 적층 순서와 상관없이 적층 각도별로 Layer를 한 덩어리로 가정하여 각각의 설계 가능한 총두께를 선정하는 기법인데 본 연구에서는 이를 인용해 ARSM 최적화 기법으로 Adaptive Response Surface Method Case 별로 적층 각도별로 최적 두께를 확인하였습니다.

※ 참조문헌 : 자동차 충돌성능을 고려한 하이브리드 측면부재 경량화 설계 (김민웅 2017)