KR100262613B1 - 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석방법 - Google Patents

Abstract

유한요소법을 이용한 차체 강도 및 내구 해석에 있어 도면 출도 이전의 설계 초기 혹은 개념 설계 단계에서 차체의 강도 및 내구 성능을 평가하여 실제 설계가 진행될 때 강도 및 내구 성능 개선에 필요한 구조를 설계에 반영할 수 있도록 한 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법에 관한 것으로, 5 도어 신차종 개발을 위한 차체의 강도 및 내구 해석을 위한 유한요소 모델을 확보함에 있어 완성된 도면을 이용하는 것이 아니라 이전 양산 차량의 4 도어 유한요소 진동 모델을 이용함으로서 설계 초기 도면이 없는 상태의 개념적인 설계 구상 단계에서 정량적이며 신뢰성을 가지는 개발 차종에 대한 강도 및 내구 해석이 가능하며 해석을 수행함에 있어 규모가 작은 진동 모델을 이용함으로써 순발력과 신속성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 진동과 내구 성능을 함께 고려하여 강도 및 내구 상의 문제 해결을 위한 진동 특성의 영향까지 평가 범위내에 포함할 수 있으며 전체적인 해석에서 문제 부위를 예상하고 다시 국부적인 문제로 범위를 좁히므로써 총합적이고 종합적인 강도 및 내구 성능의 평가가 가능하다.

Description

5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법

본 발명은 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유한요소법을 이용한 차체 강도 및 내구 해석에 있어 도면 출도 이전의 설계 초기 혹은 개념 설계 단계에서 차체의 강도 및 내구 성능을 평가하여 실제 설계가 진행될 때 강도 및 내구 성능 개선에 필요한 구조를 설계에 반영할 수 있도록 한 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법에 관한 것이다.

일반적으로 5 도어 차량은 4 도어 차량에서 뒤쪽 트렁크와 뒤쪽 윈드글라스를 일체로 하여 개폐가 가능하도록 도어화하여 차체에 결합하는 구조로, 5 도어 차량을 새로이 개발하고자 할 때에는 차량의 크기나 구조가 바뀌게 된다.

이러한 경우 차체 구조에 있어 하중 집중부 혹은 점용접부에 크랙 발생 등의 강도 및 내구 성능을 사전에 유한요소법 등을 이용하여 평가할 필요가 있다.

그러나 차체 내구 해석을 위해서는 큰 규모의 상세한 유한요소 모델이 필요하기 때문에 많은 시간과 노력이 필요하다.

그리고 이러한 평가 단계가 도면 출도 이전이므로 실제 형상에 대한 캐드(CAD) 데이터는 존재하지 않은 상황이므로 보다 신속하고 편리한 평가 방법이 필요하다.

일반적으로 유한요소법은 구조물을 유한개의 요소로 분할하여 실제 구조와 근사하게 모델링한 후, 변형과 응력 등을 계산하는 것으로, 구조물을 여러 가지 요소로 분할하여 모델링한 후 시험과 마찬가지로 고정시킬 곳은 고정시키고 필요한 곳에 하중을 가한 후 그때의 변형과 응력을 평가하는 방법이며, 요한요소에는 빔(BEAM) 요소, 3각형 및 4각형 쉘(SHELL) 요소, 입체적인 솔리드(SOLID) 요소 등이 있다.

도 3 에는 차체 진동 성능을 평가하기 위한 4 도어 차량의 유한요소 모델의 예를 나타내고 있다.

어떤 종류의 목적을 위해서든지 유한요소 해석을 이용한 차량의 성능 평가에는 이러한 유한요소 모델의 확보가 필수적인데 이를 위해서는 상세한 차체 도면이 필요하다.

종래에는 강도 및 내구 해석을 위한 유한요소 모델을 확보하기 위해서 캐드 도면이 완성되면 그 3 차원 도면을 이용하여 유한요소 모델을 구성하였다.

그리고 궁극적인 목적이 차체 각 취약부의 응력 산출이므로 상세한 유한요소 모델이 필요하고 이를 위해서 많은 시간을 소요하여 모델 구성을 완료하였다.

전술한 바와 같은 방법에서는 차체의 강도 및 내구 해석을 위한 유한요소 모델의 구성에 너무 많은 시간이 소요되어 해석 결과를 설계에 반영하지 못하는 경우가 많으며 설계 변경을 따라가지 못하는 즉, 신속성과 순발력을 발휘하지 못하여 실제 차량의 강도 및 내구 성능을 향상시키는 데 기여하지 못하는 문제점이 있었다.

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 그 목적은 5 도어 신차종 개발을 위한 차체의 강도 및 내구 해석을 위한 유한요소 모델을 확보함에 있어 완성된 도면을 이용하는 것이 아니라 이전 양산 차량의 4 도어 유한요소 진동 모델을 이용하여 신속성과 순발력을 확보하면서 신뢰성까지 확보할 수 있도록 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 이전 차량에 대한 4 도어 유한요소 진동 모델에 개발 차종의 사양을 가미하여 모델을 수정하며 수정된 모델을 고유진동해석 및 유한요소 정적해석을 통해 진동수의 변화, 변위 및 응력의 차이를 분석하는 단계와;

상기 단계에서 분석된 결과에 따라 개발 차종의 취약 부위를 선정하여 그에 대한 해석 방법을 설정하며, 선정된 취약부에 대한 유한요소 모델을 응력 및 점용접부에 작용하는 하중을 정밀하게 산출할 수 있도록 유한요소 모델을 상세하게 수정하는 단계와;

상기 단계에서 수정된 취약부의 유한요소 모델을 정적해석을 하여 현재의 정확한 강도 및 내구 성능을 파악하며 계산된 결과로 피로해석을 하여 정량적인 내구 성능을 파악한 뒤 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정한 다음 그 계산된 결과를 토대로 개선안을 산출하는 단계와;

상기 단계에서 수정된 4 도어 모델을 트렁크 대신 테일게이트를 갖는 5 도어 모델로 모델링한 다음 정적해석을 하여 현재의 정확한 강도 및 내구 성능을 파악하며 계산된 결과로 피로해석을 하여 정량적인 내구 성능을 파악한 뒤 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정한 다음 그 계산된 결과를 토대로 개선안을 산출하는 단계와;

상기 단계에서 수정된 5 도어 모델에서 샤시부품이 차체에 마운팅되는 샤시 마운팅 브라켓을 모델링하여 측정 혹은 데이터베이스화되어 있는 하중 조건에 따른 정적해석을 통해 현재의 정확한 강도 및 내구 성능을 파악하며 계산된 결과로 피로해석을 하여 정량적인 내구 성능을 파악한 뒤 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정한 다음 그 계산된 결과를 토대로 개선안을 산출하는 단계와;

상기 각 단계에서 산출된 개선안의 강도 및 내구 해석 결과를 종합하여 차체에 대한 전체적인 강도 및 내구 성능을 평가하고 개선안을 종합하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

도 1 은 본 발명인 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법에 따른 일 실시예를 개략적으로 도시한 동작 순서도이고,

도 2 은 본 발명에 따른 5 도어 차량의 유한요소 모델을 개략적으로 도시한 사시도이고,

도 3 은 일반적인 4 도어 차량의 유한요소 모델을 개략적으로 도시한 사시도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.

첨부된 도 1 에서 BIW 는 도 2, 3 에 나타난 차체 바디의 흰 부분 즉, 유한요소 모델의 유한요소중 쉘(SHELL) 요소를 나타낸다.

5 도어 차량의 개발 초기에는 5 도어 모델 즉, 도면이 없는 상태이므로 도 3 과 같은 기 개발된 차량에 대한 4 도어 차체 진동 모델을 입수한다(S10).

상기 단계(S10)에서 강도 및 내구 모델을 입수하지 않는 것은 강도 및 내구 모델이 존재하지 않는 경우가 많으며 또한, 상기 강도 및 내구 모델은 규모가 커서 다루기가 불편하기 때문이다.

이후, 상기 단계(S10)에서 입수된 4 도어 차체 진동 모델을 이용하여 고유진동해석과 굽힘 및 비틀림, 범핑 하중조건에 따라 유한요소 정적해석을 수행한다(S20).

상기 단계(S20)의 고유진동해석에서는 차체의 고유진동수와 진동형상을 산출하며 유한요소 정적해석에서는 각 하중조건에 따라 차체의 변위와 응력을 계산한다.

다음으로 상기 단계(S10)의 모델을 개발 차종의 사양을 가미한 모델로 수정하는 데, 이때에는 설계자의 의도나 설계 구성서 등을 이용하여 모델을 수정한 다음 수정된 모델을 이용하여 고유진동해석과 굽힘 및 비틀림, 범핑 하중조건에 따라 유한요소 정적해석을 수행한다(S20).

상기 모델의 수정은 규모가 크지 않은 진동 모델을 이용하므로 수정이 용이하다.

그리고 상기 단계(S20)에서 각각 계산된 결과를 비교하여 진동수의 변화와 차체의 변위 및 응력의 차이를 면밀히 분석한다.

이후, 상기 단계(S20)에서 계산을 통하여 산출된 진동수, 진동모드, 변위 응력 등을 현상 파악하여 차체의 구조와 민감도를 검토하며 개발 차종에 대한 취약 부위를 선정한다(S30).

상기 단계(S30)에서 선정된 취약부위는 이전 차종과 비교하여 상세한 강도 및 내구 검토가 필요한 것을 말하는 것으로 이전 차종은 개발과 시험 및 판매과정을 거쳐 아무런 이상이 없는 차량으로 상대평가를 위한 기준이 된다.

그리고 상기 단계(S30)에서 선정된 취약부별에 따른 해석방법을 결정한다(S40).

상기 단계(S40)에서의 해석 방법 결정의 기준은 해석결과에 대한 오차를 최소화하면서 해석 방법을 단순화 할 수 있는 방법으로 한다.

또한, 상기 단계(S30)에서 선정된 취약부에 대한 유한요소 모델을 응력 및 점용접부에 작용하는 하중을 정밀하게 산출할 수 있도록 유한요소 모델을 상세하게 수정한다(S50).

이후, 상기 단계(S50)에서 수정된 4 도어 유한요소 모델을 이용하여 각 취약부별 국부적인 모델을 유한요소 정적해석을 수행하여 정확한 현재 모델의 차체 강도 및 내구 성능을 파악하며(S60) 상기 단계(S60)에서 계산된 결과를 엔지니어링 데이터베이스 즉, 소요되는 재료 및 각종 부하의 형태, 종류에 따른 데이터(S70)에 의해 소요되는 재료, 용접부 및 점용접부의 피로해석(수명 해석)을 수행하여 각 취약부의 정량적인 내구 성능을 파악한다(S71).

그리고 상기 단계(S71)에서의 계산 결과를 이용하여 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정하여 개선안을 산출한다(S80).

즉, 이미 취약부로 선정되었으므로 문제가 있을 확률이 많으며 대부분의 경우 개선안의 산출을 필요로 한다.

이때 개선안 산출에는 설계자의 의견을 수렴하여 실현 가능한 개선안을 산출하되 원가, 중량, 강성, 진동에 대한 영향 등을 반드시 고려한다.

그리고 상기 단계(S80)에서 산출된 개선안을 토대로 하여 제 1 차 보고서를 작성한다(S90).

또한, 상기 단계(S50)에서 수정된 4 도어 유한요소 모델에서 뒤트렁크부를 삭제하고 테일게이트 힌지부와 테일게이트 스트라이크부를 모델링하여 개발하려고 하는 5 도어 모델을 모델링한다(S100).

상기 단계(S50)에서 5 도어 차량은 4 도어 차량과는 달리 트렁크 대신 테일게이트를 채용하게 되므로 이에 대한 집중적인 강도 및 내구 성능의 검토를 수행하는 데, 테일게이트 자체의 강도 및 내구 성능을 검토하는 것이 아니라 테일게이트가 장착되는 테일게이트 힌지 브라켓의 강도 및 내구 성능과 테일게이트가 차체에 고정시키는 스트라이크에 대한 강도 및 내구 성능을 검토한다.

이후, 상기 단계(S100)에서 테일게이트 힌지부와 테일게이트 스트라이크부를 모델링하여 구성된 5 도어 유한요소 모델을 유한요소 정적해석을 수행하여 정확한 현재 모델의 차체 강도 및 내구 성능을 파악하며(S110) 상기 단계(S110)에서 계산된 결과를 엔지니어링 데이터베이스 즉, 소요되는 물질 및 각종 부하의 형태, 종류에 따른 데이터(S70)에 의해 소요되는 재료, 용접부 및 점용접부의 피로해석을 수행하여 정량적인 내구 성능을 파악한다(S71).

그리고 상기 단계(S71)에서의 계산 결과를 이용하여 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정하여 개선안을 산출한다(S120).

이때 개선안 산출에는 상기에서와 같이 설계자의 의견을 수렴하여 실현 가능한 개선안을 산출하되 원가, 중량 강성, 진동에 대한 영향 등을 반드시 고려한다.

그리고 상기 단계(S120)에서 산출된 개선안을 토대로 하여 제 2 차 보고서를 작성한다(S130).

또한, 상기 단계(S100)에서 모델링된 5 도어 유한요소 모델에서 샤시 마운팅 브라켓을 모델링한다(S140).

이때에는 샤시부품이 차체에 마운팅 될 때 대부분 점용접이나 용접으로 결합되는데 이 부분에 대한 집중적인 검토가 필요하다.

따라서 상기 단계(S140)에서 모델링된 모델을 측정 또는 설정된 하중 및 경계 조건(S150)을 이용하여 유한요소 정적해석을 실시하여 현재 모델의 차체 강도 및 내구 성능을 파악하며(S160) 상기 단계(S160)에서 계산된 결과를 엔지니어링 데이터베이스 즉, 소요되는 재료 및 각종 부하의 형태, 종류에 따른 데이터(S70)에 의해 소요되는 재료, 용접부 및 점용접부의 피로해석을 수행하여 정량적인 내구 성능을 파악한다(S71).

그리고 상기 단계(S71)에서의 계산 결과를 이용하여 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정하여 개선안을 산출한다(S170).

이때에도 개선안 산출에는 설계자의 의견을 수렴하여 실현 가능한 개선안을 산출하되 원가, 중량, 강성, 진동에 대한 영향 등을 반드시 고려한다.

그리고 상기 단계(S170)에서 산출된 개선안을 토대로 하여 제 3 차 보고서를 작성한다(S180).

이후, 상기 각 단계(S90)(S130)(S180)에서 강도 및 내구 해석 결과를 토대로 작성한 제 1, 2, 3 차 보고서를 종합하여 차체에 대한 전체적인 강도 및 내구 성능을 평가하고 개선안을 종합한다(S190).

이때 반드시 진동 및 충돌 성능과의 연관 문제도 함께 검토한다.

이와 같이 본 발명은 5 도어 신차종 개발을 위한 차체의 강도 및 내구 해석을 위한 유한요소 모델을 확보함에 있어 완성된 도면을 이용하는 것이 아니라 이전 양산 차량의 4 도어 유한요소 진동 모델을 이용함으로서 설계 초기 도면이 없는 상태의 개념적인 설계 구상 단계에서 정량적이며 신뢰성을 가지는 개발 차종에 대한 강도 및 내구 해석이 가능하며 해석을 수행함에 있어 규모가 작은 진동 모델을 이용함으로써 순발력과 신속성을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 진동과 내구 성능을 함께 고려하여 강도 및 내구 상의 문제 해결을 위한 진동 특성의 영향까지 평가 범위 내에 포함할 수 있으며 전체적인 해석에서 문제 부위를 예상하고 다시 국부적인 문제로 범위를 좁히므로써 총합적이고 종합적인 강도 및 내구 성능의 평가가 가능하다.

Claims (9)

1. 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법에 있어서, 이전 차량에 대한 4 도어 유한요소 진동 모델에 개발 차종의 사양을 가미하여 모델을 수정하며 수정된 모델을 고유진동해석 및 유한요소 정적해석을 통해 진동수의 변화, 변위 및 응력의 차이를 분석하는 단계와;

   상기 단계에서 분석된 결과에 따라 개발 차종의 취약 부위를 선정하여 그에 대한 해석 방법을 설정하며, 선정된 취약부에 대한 유한요소 모델을 응력 및 점용접부에 작용하는 하중을 정밀하게 산출할 수 있도록 유한요소 모델을 상세하게 수정하는 단계와;

   상기 단계에서 수정된 취약부의 유한요소 모델을 정적해석을 하여 현재의 정확한 강도 및 내구 성능을 파악하며 계산된 결과로 피로해석을 하여 정량적인 내구 성능을 파악한 뒤 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정한 다음 그 계산된 결과를 토대로 개선안을 산출하는 단계와;

   상기 단계에서 수정된 4 도어 모델을 트렁크 대신 테일게이트를 갖는 5 도어 모델로 모델링한 다음 정적해석을 하여 현재의 정확한 강도 및 내구 성능을 파악하며 계산된 결과로 피로해석을 하여 정량적인 내구 성능을 파악한 뒤 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정한 다음 그 계산된 결과를 토대로 개선안을 산출하는 단계와;

   상기 단계에서 수정된 5 도어 모델에서 샤시부품이 차체에 마운팅되는 샤시 마운팅 브라켓을 모델링하여 측정 혹은 데이터베이스화되어 있는 하중 조건에 따른 정적해석을 통해 현재의 정확한 강도 및 내구 성능을 파악하며 계산된 결과로 피로해석을 하여 정량적인 내구 성능을 파악한 뒤 부족되는 성능에 한하여 개선을 목적으로 모델을 수정한 다음 그 계산된 결과를 토대로 개선안을 산출하는 단계와;

   상기 각 단계에서 산출된 개선안의 강도 및 내구 해석 결과를 종합하여 차체에 대한 전체적인 강도 및 내구 성능을 평가하고 개선안을 종합하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.
2. 청구항 1 에 있어서, 상기 단계에서 고유진동해석은 차체의 고유진동수와 진동형상을 산출하며 정적해석은 굽힘, 비틀림 및 범핑 하중 조건에 따른 차체의 변위와 응력을 계산하는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.
3. 청구항 1 에 있어서, 상기 단계에서 이전 차량에 대한 4 도어 차체 진동 모델을 개발 차종의 사양을 가미하여 수정할 때에는 설계자의 의도나 설계 구성서 등을 이용하여 모델을 수정하는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.
4. 청구항 1 에 있어서, 상기 단계에서 선정된 취약부위는 이전 차종과 비교하여 상세한 강도 및 내구 검토가 필요한 부위를 나타내는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.
5. 청구항 1 에 있어서, 상기 단계에서 선정된 취약 부위의 해석 방법의 결정은 해석결과에 대한 오차를 최소화하면서 해석 방법을 단순화 할 수 있는 방법을 선택하는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.
6. 청구항 1 에 있어서, 상기 각 단계에서 개선안을 산출할 경우 설계자의 의견을 수렴하여 실현 가능한 개선안을 산출하되 원가, 중량, 진동에 대한 영향 등을 고려하여 산출하는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.
7. 청구항 1 에 있어서, 상기 단계에서 5 도어 모델의 테일게이트의 강도 및 내구 해석은 테일게이트가 장착되는 테일게이트 힌지 브라켓의 강도 및 내구 성능과 테일게이트가 차체에 고정시키는 스트라이크에 대한 강도 및 내구 성능을 해석하는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.
8. 청구항 1 에 있어서, 상기 단계에서 모델링 된 샤시 마운팅 브라켓의 강도 및 내구 해석시에는 샤시부품을 차체에 결합하는 점용접부 또는 용접부의 강도 및 내구 해석을 하는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.
9. 청구항 1 에 있어서, 상기 단계에서 차제에 대한 종합적인 강도 및 내구 성능을 평가할 경우 진동 및 충돌 성능과의 연관 문제를 포함하여 평가하는 것을 특징으로 하는 5 도어 차량의 차체 강도 및 내구 해석 방법.

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