KR100288236B1 - 포인트 모빌리티를 이용한 자동차 판넬 강성 해석 방법 - Google Patents
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Abstract
부밍 노이즈 개선을 위해 자동차 설계 초기 또는 개념 설계 단계에서 차체 판넬의 강성을 평가하여 실제 자동차의 설계가 진행될 때 강성 개선에 필요한 구조를 설계에 반영하기 위하여, 차체 유한 요소 모델을 통해 저주파 아이들 진동 해석을 수행한 후, 고주파 진동에 민감한 판넬 민감부를 상세 모델링한 다음, 이전 차종의 해석 데이터로부터 고주파 진동 해석을 위한 가진 노드, 가진 방향 및 가진 주파수 영역을 설정하여 포인트 모빌리티에 의한 랜덤 응답 해석을 통해 주파수 응답 특성을 산출한다. 그리고, 주파수 응답 특성으로부터 판넬 민감부의 강성 수준을 파악하여, 강성 목표값보다 작으면, 강성 증대를 위한 개선안을 산출하는 과정을 반복하여 강성 수준이 강성 목표값 이상이 되면 시작차를 제작하여 시험 평가를 수행하는 것으로, 자동차의 주행중 급가속 등에 의한 부밍 영역에서 카울, 대쉬, 플로워, 루프, 패키지 트레이, 스패어 타이어 룸 등에 대한 강성 수준 및 민감부에 대한 강성 해석을 수행하여 선행 개발 단계에서 개선안을 반영하여 시험차 제작수를 줄이고, 개발 기간을 단축할 수 있어 자동차 생산의 원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 조기 상품성 확보를 할 수 있다.
Description
본 발명은 자동차 판넬의 강성을 해석하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 포인트 모빌리티(point mobility)를 이용하여 자동차 판넬의 강성을 해석하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 자동차의 진동 관련 해석 기법은 저주파 아이들(idle) 영역에서 유한 요소 모델의 유한 요소 중 셀 또는 완성차에 대한 동강성 해석을 통해 자동차의 강성을 개선하는 정도이다.
저주파 영역(0 내지 50Hz)에서의 강성은 자동차 멤버 부재의 단면 또는 결합 부위의 강성에 의해 결정된다. 또한 고주파 영역에 민감한 자동차 판넬부에 대한 간략 모델링(modeling)으로 저주파 영역에서의 진동 경향은 시험 데이터와 잘 맞고 있으나, 고주파 영역(100Hz 이상)에 대한 정도 및 예측 기술은 한계를 가져왔다.
고주파 영역에서 발생하는 부밍 노이즈(booming noise)는 고속 주행 및 추월을 위한 급가속시 발생하는 소음으로, 차량의 급가속 및 기어 변속에 의한 부밍시에는 엔진의 토오크 변동 즉, 엔진 기진력이 진동 원인이 되어 차체 판넬 부위에 막 진동이 발생한다. 그리고, 부밍 회전수 영역에서는 차체 판넬 진동에 의한 음압 볼륨 변동으로 인하여 실내 이상음 즉, 소음이 발생하여 운전자 및 승객에게 불쾌한 느낌을 준다.
그리고, 부밍 진동 특성 인자로는 엔진 기진력, 배기계(머플러), 스피커(음향) 등이 있으며, 이는 진동 발생원과 그 전달 경로상의 특성으로 국한시킬 수 있다.
이러한 고주파 영역에서의 자동차 판넬의 강성을 해석하기 위하여, 종래에는 시작차를 만든 다음, 이 시험차를 통해 실제 강성 시험을 하여 도출된 결과에 따라 차체 판넬의 강성을 개선하였다.
그러나, 종래의 방법에서는 차체 판넬 강성의 개선을 위하여 빈번한 설계 변경이 이루어지므로 개발비가 상승될 뿐만 아니라 시작차 확인을 제작비의 추가로 인하여 자동차의 원가 상승 원인이 된다.
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적은 자동차의 선행 개발 단계에서 고주파 영역의 진동에 의한 부밍 노이즈 개선을 위해 설계 초기 또는 개념 설계 단계에서 차체 판넬의 강성을 평가하여 실제 자동차의 설계가 진행될 때 강성 개선에 필요한 구조를 설계에 반영할 수 있도록 하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따라 포인트 모빌리티를 이용하여 자동차 판넬의 강성을 해석하는 방법을 도시한 동작 순서도이고,
도 2는 본 발명에 따른 포인트 모빌리티를 이용한 자동차 판넬 강성 해석 방법에서의 차체 유한요소 모델을 도시한 사시도이고,
도 3은 본 발명에 따른 포인트 모빌리티를 이용한 자동차 판넬 강성 해석 방법에서의 판넬 민감부 중 카울탑에 대한 상세 모델을 도시한 사시도이고,
도 4는 본 발명에 따른 포인트 모빌리티를 이용한 자동차 판넬 강성 해석 방법에서의 카울탑 센터부에 대한 주파수 응답 함수 커버를 도시한 그패프이고,
도 5는 본 발명에 따른 포인트 모빌리티를 이용한 자동차 판넬 강성 해석 방법에서 카울탑 센터부에 대한 강성 개선 사례를 도시한 사시도이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 차체 유한 요소 모델을 통해 저주파 아이들 진동 해석을 수행하는 단계와; 상기 저주파 아이들 진동 해석 및 이전 차종의 해석 데이터로부터 고주파 진동에 민감한 판넬 민감부를 상세 모델링하는 단계와; 상기 판넬 민감부에 대한 강성 목표값을 설정하고, 이전 차종의 해석 데이터로부터 고주파 진동 해석을 위한 가진 노드, 가진 방향 및 가진 주파수 영역을 설정하는 단계와; 상기 설정된 가진 주파수 영역에서 설정된 가진 방향 및 가진 노드로 상기 판넬 민감부를 포인트 모빌리티에 의한 랜덤 응답 해석을 통해 주파수 응답 특성을 산출하는 단계와; 상기 주파수 응답 특성에 따라 상기 판넬 민감부의 강성 수준을 파악하여, 상기 파악된 강성 수준이 상기 설정된 강성 목표값 이상이면 시작차를 제작하여 시험 평가를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 주파수 응답 특성에 따라 상기 판넬 민감부의 강성 수준을 파악하여, 상기 파악된 강성 수준이 상기 설정된 강성 목표값보다 작으면, 강성 증대를 위한 개선안을 산출하여 개선된 유한 요소 모델링을 한 후, 개선된 판넬 민감부의 유한 요소 모델을 포인트 모빌리티에 의한 랜덤 응답 해석을 통해 강성 수준이 상기 강성 목표값 이상이 되도록 상기 개선안 산출을 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 포인트 모빌리티를 이용한 차체 판넬의 강성을 해석하는 방법을 도시한 동작 순서도로, 먼저 저주파 아이들 진동 해석을 통해 차체 강도를 해석하기 위하여 도 2와 같이 차체 유한 요소 모델링을 한(S1) 다음, 차체 유한 요소 모델을 이용하여 고유 진동 해석과 유한 요소 정적 해석의 일반 모드 해석을 수행한다(S2).
이때, 일반 모드 해석(S2)에서 고유 진동 해석은 차체의 고유 진동수와 진동 형상을 산출하고, 유한 요소 정적 해석에서는 굽힘, 비틀림 및 범핑 하중 조건에 따른 차체의 변위와 응력을 산출한다.
이후, 자동차의 주행중 급가속에 의한 부밍 영역인 고주파 영역에 대해 판넬 막진동이 민감한 부분을 이전 차종의 각종 시험 데이터에 의해 설정한다(S3). 이때, 판넬 민감부는 각종 시험 데이터에 의해 카울탑(cowl top), 대쉬(dash), 플로워(floor), 터널(tunnel), 패키지 트레이(package tray), 루프(roof), 스패어 타이어 룸(spare tire room)의 7개소로 설정한다.
그리고, 부밍 노이즈 대비 판넬 민감부에 대해 상세 모델링을 수행하여(S4), 도 3에 도시한 카울탑에 대한 유한 요소 상세 모델과 같이 설정된 각 판넬 민감부에 대한 유한 요소 상세 모델을 형성한다.
그리고, 부임 노이즈를 개선을 위한 판넬 민감부의 강성 목표값을 설정한 후(S5), 포인트 모빌리티를 이용한 판넬 강성 해석을 위하여 가진 노드, 가진 방향, 주파수 영역을 설정한다(S6). 포인트 모빌리티란 판넬 또는 멤버의 가진 노드를 정하고, 임펄스 햄머(impulse hammer)로 두드려서 나오는 X, Y, Z 방향의 주파수 응답 특성을 분석하여 강성 수준 또는 진동 민감부를 평가하는 방법으로 시험을 통해서만 수행되어 왔으나, 본 발명에서는 해석을 통해 개선 부위를 찾기 위한 것으로, 이전 차종에 대한 해석 및 시험 데이터를 분석하여 포인트 모빌리티를 위한 가진 노드, 가진 방향 및 가진 주파수 영역을 설정한다.
이후, 설정된 가진 노드 가진 방향 및 가진 주파수 영역에 의해 각 판넬 민감부에 대한 랜덤 응답 해석(random response analysis)을 수행한다(S7).
그리고, 랜덤 응답 해석에 의해 각 가진 주파수 영역에 대한 감도(inertance ; m/s2/N) 즉, 단위 엔진 기진력(N)에 대한 가속도 레벨(m/s2) 함수를 산출한(S8) 다음, 도 4와 같이 주파수 응답 함수 커버(FRF ; frequency response function curve)를 생성하고(S9), 강성 커브(stiffness line)를 생성한다(S10).
이때, 도 4는 포인트 모빌리티를 이용한 판넬 강성 해석의 일 예로, 카울탑 센터부에 Z방향 가진을 하고, 그 주파수 특성 분석을 통한 개선 사례를 도시한 것이다.
도 4에서 좌하단에서 우상단으로의 커버는 강성 커버로 단위는 Kgf/mm이다. 즉, 1mm 판넬 진동을 위해 몇 Kgf 힘이 필요한지를 뜻하며, 바꾸어 말하면 동일 하중 인가시 커버 레벨이 하단으로 갈수록 진동량이 적어 강성이 큼을 의미하며, 강성 커브의 값은 로그 스케일(log scale)에 의한 커버로, 계산식에 의해 50, 100, 200, 400의 배수로 표현했다.
그리고, 도 4에서 가로축은 고유 진동수로, 주파수 영역(0 내지 600Hz)에서 0 내지 100Hz는 자동차의 골격 강성과 연관되며, 100Hz 내지 600Hz 영역은 중, 고속 부밍 영역으로 판넬 국부 강성과 연관지어 관리하며, 세로축은 감도를 의미한다. 또한 커버의 피크값이 높다는 것은 해당 주파수 영역에서 진동 레벨이 크다는 것을 의미한다.
이와 같이 각 판넬 민감부에 대해 강성 커버가 부가된 주파수 응답 함수 커버를 생성한 후, 이의 분석을 통해 파악된 판넬 민감부의 강성 수준이 설정된 강성 목표값 이상이 되는지를 판단한다(S11).
이때, 도 4의 커버 B와 같이 판넬 민감부(카울탑)의 강성 수준이 설정된 강성 목표값보다 작으면, 도 5에서와 같이 카울탑 내부에 보강 판넬(11), 발포 아스팔트 패드(12) 등의 강성 증대를 위한 개선안을 산출하고(S12), 개선된 판넬 민감부에 대한 유한 요소 모델링을 수행한(S13) 후, 판넬 민감부의 개선된 유한 요소 모델을 통해 랜덤 응답 해석을 하는 과정을 반복하여(S7, S8, S9, S10, S11) 판넬 민감부의 강성 수준이 설정된 강성 목표값 이상이 되면, 시작차를 제작하여 시험 평가를 실시한다.
이와 같이 본 발명은 자동차의 주행중 급가속 등에 의한 부밍 영역(200Hz 내지 400Hz)에서 카울, 대쉬, 플로워, 루프, 패키지 트레이, 스패어 타이어 룸 등에 대한 강성 수준 및 민감부에 대한 강성 해석을 수행하여 선행 개발 단계에서 개선안을 반영하여 시험차 제작수를 줄이고, 개발 기간을 단축할 수 있어 자동차 생산의 원가를 절감할 수 있을 뿐만 아니라 조기 상품성 확보를 할 수 있다.
Claims (3)
- 차체 유한 요소 모델을 통해 저주파 아이들 진동 해석을 수행하는 단계와;상기 저주파 아이들 진동 해석 및 이전 차종의 해석 데이터로부터 고주파 진동에 민감한 판넬 민감부를 상세 모델링하는 단계와;상기 판넬 민감부에 대한 강성 목표값을 설정하고, 이전 차종의 해석 데이터로부터 고주파 진동 해석을 위한 가진 노드, 가진 방향 및 가진 주파수 영역을 설정하는 단계와;상기 설정된 가진 주파수 영역에서 설정된 가진 방향 및 가진 노드로 상기 판넬 민감부를 포인트 모빌리티에 의한 랜덤 응답 해석을 통해 주파수 응답 특성을 산출하는 단계와;상기 주파수 응답 특성에 따라 상기 판넬 민감부의 강성 수준을 파악하여, 상기 파악된 강성 수준이 상기 설정된 강성 목표값 이상이면 시작차를 제작하여 시험 평가를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 포인트 모빌리티를 이용한 자동차 판넬 강성 해석 방법
- 제 1 항에 있어서, 상기 주파수 응답 특성에 따라 상기 판넬 민감부의 강성 수준을 파악하여, 상기 파악된 강성 수준이 상기 설정된 강성 목표값보다 작으면, 강성 증대를 위한 개선안을 산출하여 개선된 유한 요소 모델링을 한 후, 개선된 판넬 민감부의 유한 요소 모델을 포인트 모빌리티에 의한 랜덤 응답 해석을 통해 강성 수준이 상기 강성 목표값 이상이 되도록 상기 개선안 산출을 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 포인트 모빌리티를 이용한 자동차 판넬 강성 해석 방법.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 주파수 응답 특성에 따라 상기 판넬 민감부의 강성 수준을 파악하는 데 있어, 상기 주파수 응답 특성에 강성 커버를 부가하여, 상기 강성 커버를 기준으로 상기 판넬 민감부의 강성 수준을 파악하는 것을 특징으로 하는 포인트 모빌리티를 이용한 자동차 판넬 강성 해석 방법.
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