KR100267311B1 - Apparatus and method for analyzing durability of vehicle body by using power spectrum density - Google Patents

Apparatus and method for analyzing durability of vehicle body by using power spectrum density Download PDF

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Abstract

PURPOSE: An apparatus and method is provided to reduce time and data amount by evaluating fatigue life of vehicle body through the use of data regarding the road surface, while eliminating the necessity of drawing a durability curve regarding the road surface. CONSTITUTION: A method comprises a first step(S10) of modeling a vehicle body by using a finite element; a second step(S20 to S40) of reading the load and boundary condition, and other data for vibration analysis, and calculating a modal attenuation ratio by using the read data; a third step(S50,S60) of calculating a random power spectrum density with respect to the convex-concave of the road surface, and analyzing modal frequency response; a fourth step(S70,S80) of calculating a frequency response function by the stress during acceleration, and a power spectrum density; a fifth step(S90,S100) of converting the power spectrum density calculated in the fourth step into a time domain, and calculating a damage; and a sixth step(S110) of estimating a fatigue life of vehicle body by using the damage calculated in the fifth step.

Description

파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법Vehicle endurance analysis method using power spectral density

본 발명은 파워 스펙트럼 밀도(PSD; Power Spectral Density)를 이용하여 차체 구조물의 동적 특성을 고려하여 차체의 피로 수명을 정확하게 예측하는 차체 내구 해석 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a vehicle endurance analysis method that accurately predicts a fatigue life of a vehicle body in consideration of dynamic characteristics of the vehicle body structure using power spectral density (PSD).

자동차 주행중 차체는 노면의 거칠기에 기인하여 진동하게 되고, 이런 진동이 응력 진폭이 큰 부위는 피로 파괴가 일어날 가능성이 높다. 따라서, 차량의 목표 수명이 정해졌을 경우, 양산 전 단계에서 차체의 수명을 예측 해석하는 것이 매우 중요하다.The body of the vehicle vibrates due to the roughness of the road surface while the vehicle is moving, and fatigue failure is likely to occur in such a region where the vibration amplitude is large. Therefore, when the target life of the vehicle is determined, it is very important to predict the life of the vehicle body at the pre-production stage.

차체의 피로 수명을 예측하기 위하여 실제 차량을 실험 주행하는 방법이 있는데, 이러한 경우, 실험을 하는 데에 소요되는 비용과 시간이 과다하게 되고, 또 특정 차량의 결함에 의한 예측이 발생하는 경우 정확한 피로 수명 예측이 되지 못하게 되는 문제점이 있다.In order to predict the fatigue life of the vehicle body, there is a method of running an actual vehicle. In such a case, the cost and time required for the experiment become excessive, and when prediction due to a defect of a specific vehicle occurs, There is a problem that the lifetime prediction can not be performed.

따라서, 종래에는 상기와 같은 문제점을 개선하여 노면에 따른 데이터와 차체의 내구성을 나타내는 기본 실첨 데이터를 이용하여 확률 분포 함수인 와이블(weibull) 함수를 구함으로써 차체의 피로 수명을 예측하는 방법을 사용하고 있다.Therefore, in the related art, a method of predicting the fatigue life of the vehicle body by obtaining a weibull function, which is a probability distribution function, using the data according to the road surface and the basic usage data indicating the durability of the vehicle body .

여기서, 와이블 함수는 실험 데이터를 종합하여 나오는 곡선을 검토하여, 그 곡선과 실험 대상 차량의 곡선을 비교하여 그 지수를 표현하는 것이다.Here, the Weibull function examines a curve obtained by synthesizing experimental data, and compares the curve with a curve of the vehicle under test to express the index.

즉, 어떤 특정한 노면의 상태에 따른 데이터를 보유하고 있는 상태에서, 그 노면에 대한 일정한 기본 실험 데이터를 가지고서 차체 내구성을 나타내는 그래프를 만든 후, 상기에서 만들어진 그래프를 이용하여 대상 차량의 차체의 피로 수명을 예측한다.That is, a graph showing vehicle durability with certain basic experimental data on the road surface in a state of holding data according to a specific road surface condition is made, and then the fatigue life of the vehicle body of the target vehicle .

그런데, 상기와 같은 종래 기술은 미리 해당하는 노면에 대한 실험 데이터를 가진 상태에서, 각 노면에 대한 내구성 곡선을 만들어야 하므로 피로 수명을 해석하는 데에 소요되는 시간이 많이 필요하고, 처리하는 데이터가 많아지는 문제점이 있다.However, in the conventional technique described above, since the durability curve for each road surface must be made in advance with experimental data on the corresponding road surface, it takes a lot of time to analyze the fatigue life, .

본 발명의 목적은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창출된 것으로서, 차체의 피로 수명을 해석하는 데에 있어서, 노면에 대한 내구성 곡선을 만들 필요 없어, 노면에 대한 데이터만 가지고 피로 수명을 해석함으로써, 소요되는 시간을 줄이고 처리하는 데이터 량을 줄인 파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법을 제공하는 데에 있다.An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems, and it is an object of the present invention to provide a method for analyzing the fatigue life of a vehicle body by analyzing fatigue life only with data on the road surface, And to provide a vehicle durability analysis method using power spectral density which reduces the amount of data to be processed and reduces the time required.

제1도는 본 발명에 따른 파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법에 적용되는 장치를 개략적으로 나타내 보인 블록도.FIG. 1 is a block diagram schematically showing an apparatus to be applied to a vehicle endurance analysis method using power spectral density according to the present invention. FIG.

제2도는 본 발명에 따른 파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법을 나타내 보인 동작 순서도.FIG. 2 is a flowchart illustrating a method of analyzing a vehicle endurance using power spectral density according to the present invention. FIG.

제3도는 주파수에 대한 자동차 오디오 패널의 스트레스 파워 스펙트럼 밀도를 나타내 보인 그래프.Figure 3 is a graph showing the stress power spectral density of a car audio panel with respect to frequency;

제4도는 주파수에 대한 자동차 바퀴 패널의 스트레스 파워 스펙트럼 밀도를 나타내 보인 그래프.4 is a graph showing the stress power spectral density of a car wheel panel with respect to frequency.

제5도는 주파수가 23.1 헤르츠인 경우의 자동차 바퀴 패널의 동적 스트레스 윤곽을 나타낸 그래프.5 is a graph showing the dynamic stress profile of a car wheel panel when the frequency is 23.1 Hertz;

제6도는 주파수가 40.1 헤르츠인 경우의 자동차 오디오 패널의 동적 스트레스 윤곽을 나타낸 그래프.6 is a graph showing a dynamic stress contour of a car audio panel when the frequency is 40.1 Hertz;

제7도는 해석의 전 과정을 마친 후의 자동차 오디오 패널의 주행시의 내구 수명의 윤곽을 나타낸 그래프.FIG. 7 is a graph showing the outline of the durability life of the car audio panel when the vehicle is running after the entire process of the analysis.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법은, (a) 유한 요소를 모델링하는 단계와; (b) 하중과 경계 조건을 판독하고, 진동 해석을 위한 각종 데이터를 판독하여 모달 감쇄율을 계산하는 단계와; (c) 노면의 상하 요철에 대한 랜덤 파워 스펙트럼 밀도를 계산하고, 모달 주파수 응답 분석을 하는 단계와; (d) 가속시 스트레스에 의한 주파수 응답 함수를 산출하고, 파워 스펙트럼 밀도를 산출하는 단계와; (e) 상기 단계 (d)에서 계산된 파워 스펙트럼 밀도를 시간 영역으로 변환하고 손상을 계산하는 단계와; (f) 상기 단계 (e)에서 계산된 손상에 의하여 피로 수명을 예측하는 단계;를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.According to another aspect of the present invention, there is provided a method of analyzing a vehicle body durability using power spectral density, comprising the steps of: (a) modeling a finite element; (b) reading load and boundary conditions, reading various data for vibration analysis, and calculating a modal decay rate; (c) calculating a random power spectral density for the vertical irregularities of the road surface and performing a modal frequency response analysis; (d) calculating a frequency response function due to stress during acceleration and calculating a power spectrum density; (e) converting the power spectral density calculated in step (d) into a time domain and calculating a damage; (f) predicting the fatigue life by the damage calculated in the step (e).

이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법에 적용되는 장치는, 노면의 상태에 대한 파워 스펙트럼 밀도 데이터와 진동 해석을 위한 각종 데이터를 입력하는 입력장치(10)와, 상기 입력장치(10)에 의해 입력된 노면 데이터의 파워 스펙트럼 밀도와 진동 해석을 위한 각종 데이터를 이용하여 랜덤 해석을 수행하고 스트레스에 대한 파워 스펙트럼 밀도를 계산하여 차체 구조물이 받는 동적 스트레스에 의한 피로 해석을 하여 그에 따른 신호를 출력하는 신호 처리장치(20)와, 상기 신호 처리장치(20)의 계산에 필요한 각종 데이터를 저장하고 있다가 신호 처리장치(20)의 필요에 따라 해당하는 데이터를 출력하는 기억장치(40)와, 상기 신호 처리장치(20)로부터 출력되는 신호를 사용자가 볼 수 있도록 표시하여주는 표시장치(30)로 이루어져 있다.1, an apparatus applied to a vehicle endurance analysis method using power spectral density according to the present invention includes an input device 10 for inputting power spectral density data on the state of a road surface and various data for vibration analysis ), A power spectrum density of the road surface data input by the input device (10), and various data for vibration analysis, and calculates the power spectrum density for the stress to calculate the dynamic stress A signal processor 20 for performing a fatigue analysis by the signal processor 20 and outputting a signal corresponding thereto, and a controller 20 for storing various data necessary for the calculation of the signal processor 20, (40) for displaying the signal outputted from the signal processing device (20) so that the user can view the signal, It consists of a display device 30.

상기와 같이 이루어져 있는 장치의 동작은 다음과 같다.The operation of the apparatus is as follows.

사용자는 입력장치(10)를 이용하여 노면의 상태에 대한 파워 스펙트럼 밀도 데이터와 진동 해석을 위한 각종 데이터를 입력한다. 그리고, 신호 처리장치(20)는 상기 입력장치(10)에 의해 입력된 노면 데이터의 파워 스펙트럼 밀도와 진동 해석을 위한 각종 데이터를 이용하여 랜덤 해석을 수행하고 스트레스에 대한 파워 스펙트럼 밀도를 계산하여 차체 구조물이 받는 동적 스트레스에 의한 피로 해석을 하여 그에 따른 신호를 출력한다.The user inputs power spectral density data for the state of the road surface and various data for vibration analysis using the input device 10. The signal processor 20 performs random analysis using the power spectral density of the road surface data input by the input device 10 and various data for vibration analysis and calculates the power spectral density for the stress, The structure is subjected to fatigue analysis due to the dynamic stresses received, and the corresponding signals are output.

기억장치(40)는 상기 신호 처리장치(20)의 계산에 필요한 각종 데이터를 저장하고 있다가 신호 처리장치(20)의 필요에 따라 해당하는 데이터를 출력하고, 표시장치(30)는 상기 신호 처리장치(20)로부터 출력되는 신호를 사용자가 볼 수 있도록 표시한다.The storage device 40 stores various data necessary for the calculation of the signal processing device 20 and outputs corresponding data as required by the signal processing device 20. The display device 30 performs the signal processing And displays a signal output from the device 20 so that the user can view the signal.

상기 신호 처리장치(20)의 동작을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.The operation of the signal processing apparatus 20 will be described in detail as follows.

신호 처리장치(20)는 피로 수명을 예측하고자 하는 차체를 유한 요소(finite element)로 모델링(modeling)한다(S10). 예를 들면, 도 5에 도시된 것처럼 자동차 바퀴 패널(panel)을 일정한 크기의 블록으로 나누어 모델링하는 것이다.The signal processing apparatus 20 models a body to be a fatigue life predictor with a finite element (S10). For example, as shown in FIG. 5, an automobile wheel panel is divided into blocks of a predetermined size and modeled.

그리고, 신호 처리장치(20)는 상기 입력장치(10)에 의해 입력되는 하중과 경계 조건을 판독하고(S20), 진동 해석을 위한 각종 데이터를 판독한다(S30). 이어서, 상기에서 판독된 데이터를 이용하여 모달(MODAL) 감쇄율을 계산한다(S40).Then, the signal processing device 20 reads the load and the boundary condition input by the input device 10 (S20), and reads various data for vibration analysis (S30). Subsequently, a modal decay rate is calculated using the data read in the above (S40).

그리고 나서, 신호 처리장치(20)는 노면의 상하 요철에 대한 랜덤 파워 스펙트럼 밀도를 계산하고(S50), 모달 주파수 응답 분석을 한다(S60). 이어서, 가속시 스트레스에 의한 주파수 응답 함수를 산출하고(S70), 파워 스펙트럼 밀도를 산출한다(S80). 신호 처리장치(20)는 상기에서 계산된 파워 스펙트럼 밀도를 시간 영역으로 변환하고(S90), 그에 따른 손상을 계산한다(S100).Then, the signal processing apparatus 20 calculates a random power spectral density for the vertical irregularities of the road surface (S50), and performs a modal frequency response analysis (S60). Subsequently, a frequency response function due to stress at the time of acceleration is calculated (S70), and a power spectrum density is calculated (S80). The signal processing apparatus 20 converts the power spectral density calculated above into a time domain (S90), and calculates damage according to the converted power spectral density (S100).

그리고, 상기 단계(S100)에서 계산된 손상에 의한 피로 수명을 예측한다(S110). 상기에서 각각의 연산을 하는 단계에서는 상용화된 소프트웨어(software)를 이용할 수 있는데, 유한 요소 모델링에는 'PATRAN'이라는 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있고, 랜덤 응답 분석에는 'NASRAN'이라는 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있으며, 파워 스펙트럼 밀도를 시간 영역으로 변환하는 데에는 'MATLAB'이라는 소프트웨어를 이용하여 수행할 수 있다.The fatigue life due to the damage calculated in the step S100 is predicted (S110). In each step of the above calculation, commercialized software can be used. In the finite element modeling, software called 'PATRAN' can be used. In the random response analysis, 'NASRAN' , And the conversion of the power spectral density into the time domain can be performed using software called 'MATLAB'.

이어서, 파워 스펙트럼 밀도를 산출하는 데에는 'I-Deas TEST'와 'Irisneups'라는 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있으며, 피로 수명을 예측하는 데에는 'PATRAN'이라는 소프트웨어를 사용하여 수행할 수 있다.Next, the power spectral density can be calculated using software such as 'I-Deas TEST' and 'Irisneups', and the fatigue life can be predicted using software called 'PATRAN'.

상기와 같은 피로 수명의 연산 중에 나타나는 그래프의 일례를 도 3, 도 4, 도 5, 도 6, 도 7에 나타내었다.An example of a graph that appears during the calculation of the fatigue life as described above is shown in Figs. 3, 4, 5, 6, and 7. Fig.

도 4는 주파수에 대한 자동차 바퀴 패널의 스트레스 파워 스펙트럼 밀도 그래프로서, 주파수가 약 23헤르츠 부근에서 스트레스 파워 스펙트럼의 밀도가 가장 크게 나타남을 알 수 있다. 그에 따라, 도 5에서는 차량 주행시 약 23헤르츠 정도의 스트레스 주파수에서 자동차 바퀴 패널의 동적 스트레스 윤곽을 나타내었으며, (가) 부분과, (나) 부분과, (다) 부분과, (라) 부분이 가장 스트레스가 심한 것을 알 수 있다.FIG. 4 is a graph of stress power spectral density of a car wheel panel with respect to frequency. It can be seen that the density of the stress power spectrum is the largest at a frequency of about 23 Hertz. Accordingly, FIG. 5 shows the dynamic stress contour of a car wheel panel at a stress frequency of about 23 Hertz when the vehicle is traveling, and includes (A), (B), (C) You can see the most stressful.

도 3은 주파수에 대한 자동차 오디오 패널의 스트레스 파워 스펙트럼 밀도 그래프로서, 주파수가 약 40헤르츠 부근에서 스트레스 파워 스펙트럼의 밀도가 가장 크게 나타남을 알 수 있다. 그에 따라, 도 6에서는 차량 주행시 약 40헤르츠 정도의 스트레스 주파수에서 자동차 오디오 패널의 동적 스트레스 윤곽을 나타내었으며, (가) 부분과 (나) 부분의 스트레스가 가장 심한 것을 알 수 있다.FIG. 3 is a graph of stress power spectral density of a car audio panel with respect to frequency. It can be seen that the density of the stress power spectrum is the largest at a frequency of about 40 Hertz. Accordingly, FIG. 6 shows a dynamic stress contour of a car audio panel at a stress frequency of about 40 Hertz when the vehicle is traveling, and it can be seen that (A) part and (B) part have the greatest stress.

도 7은는 해석의 전 과정을 마친 후의 자동차 오디오 패널의 실험으로 주행시의 내구 수명의 윤곽을 주행 거리로 나타낸 그래프이며, 여기서도 역시 (가) 부분과 (나) 부분의 내구 수명이 가장 짧은 것을 알 수 있다.FIG. 7 is a graph showing the outline of the durability life at the time of driving according to an experiment of a car audio panel after completion of the entire process of analysis, and also shows that the service life of the portion (a) and the portion (b) have.

이와 같이, 파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법은 종래에 비하여 기존의 각각의 노면의 상태에 따른 기본 실험 데이터 없이도, 정확하게 차체 각 부위의 피로 수명을 정확하게 예측할 수 있다.As described above, the vehicle durability analysis method using the power spectral density can accurately predict the fatigue life of each part of the vehicle body accurately without the basic experimental data according to the existing state of each road surface compared with the conventional method.

상기와 같이 동작하는 본 발명에 따른 파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법은, 차체의 피로 수명을 해석하는 데에 있어서, 노면에 대한 내구성 곡선을 만들 필요 없이, 노면에 대한 데이터만 가지고 피로 수명을 해석함으로써, 소요되는 시간을 줄이고 처리하는 데이터 량을 줄임으로써, 차량 개발시 효과적으로 사용할 수 있는 효과가 있다.In analyzing the fatigue life of the vehicle body, the method of analyzing the vehicle body endurance using the power spectral density according to the present invention operates as described above. The fatigue life By reducing the time required and the amount of data to be processed, there is an effect that can be effectively used in vehicle development.

Claims (1)

(a) 유한 요소를 모델링하는 단계와;(a) modeling a finite element; (b) 하중과 경계 조건을 판독하고, 진동 해석을 위한 각종 데이터를 판독하여 모달 감쇄율을 계산하는 단계와;(b) reading load and boundary conditions, reading various data for vibration analysis, and calculating a modal decay rate; (c) 노면의 상하 요철에 대한 랜덤 파워 스펙트럼 밀도를 계산하고, 모달 주파수 응답 분석을 하는 단계와;(c) calculating a random power spectral density for the vertical irregularities of the road surface and performing a modal frequency response analysis; (d) 가속시 스트레스에 의한 주파수 응답 함수를 산출하고, 파워 스펙트럼 밀도를 산출하는 단계와;(d) calculating a frequency response function due to stress during acceleration and calculating a power spectrum density; (e) 상기 단계 (d)에서 계산된 파워 스펙트럼 밀도를 시간 영역으로 변환하고 손상을 계산하는 단계와;(e) converting the power spectral density calculated in step (d) into a time domain and calculating a damage; (f) 상기 단계 (e)에서 계산된 손상에 의하여 피로 수명을 예측하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 파워 스펙트럼 밀도를 이용한 차체 내구 해석 방법.(f) predicting the fatigue life by the damage calculated in the step (e).
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