KR100370275B1 - Dynamic stress Analytic Method of vehicles based on Flexible Body Dynamic Simulation - Google Patents
Dynamic stress Analytic Method of vehicles based on Flexible Body Dynamic SimulationInfo
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Abstract
본 발명은 유연 다물체 동력학 시뮬레이션에 의한 차량 구조물의 실시간 동응력 해석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유연 다물체 차량 동력학 모델과 동응력 추출 프로그램을 이용하여 차량 구조물의 동응력을 해석하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a real-time dynamic stress analysis method of a vehicle structure by a flexible multi-body dynamics simulation, and more particularly, a method for analyzing the dynamic stress of a vehicle structure using a flexible multi-body vehicle dynamics model and dynamic stress extraction program It is about.
이를 위해 본 발명은 전/후륜 현가장치에 대한 기구학적 특성을 검토하는 단계와, 차량 전체에 대한 동력학 모델을 구성하는 단계와, 유한 요소의 고유 모드 해석과 정적 해석을 통해 유연체로 변환되는 단계와, 유연 다물체 동력학 해석모델이 구성되는 단계와, 차량 주행 시뮬레이션을 통해 각 조인트부에 작용하는 반력들을 추출하는 단계 및 각 조인트부의 반력들과 응력 영향 계수로부터 동응력 계산 프로그램을 이용하여 대상물의 최종적인 동응력을 추출하는 단계로 이루어진다.To this end, the present invention includes the steps of examining the kinematic characteristics of the front and rear suspensions, constructing a dynamics model for the entire vehicle, converting them into flexible bodies through eigenmode analysis and static analysis of finite elements, Finally, the model is constructed using the flexible multi-body dynamics analysis model, extracting the reaction forces acting on each joint through vehicle driving simulation, and using the dynamic stress calculation program from the reaction forces and stress influence coefficients of each joint. Extracting the dynamic dynamic stress.
이와 같은 본 발명에 따르면 종래의 내구해석이 갖고 있던 부품의 비선형, 과도한 해석시간, 해석결과 분석의 어려움 등이 해결될 수 있는 효과가 있다.According to the present invention as described above, there is an effect that the nonlinearity, excessive analysis time, difficulty in analyzing the analysis result, and the like, which the conventional durability analysis had, can be solved.
Description
본 발명은 유연 다물체 동력학 시뮬레이션에 의한 차량 구조물의 실시간 동응력 해석방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유연 다물체 차량 동력학 모델과 동응력 추출 프로그램을 이용하여 차량 구조물의 동응력을 해석하기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a real-time dynamic stress analysis method of a vehicle structure by a flexible multi-body dynamics simulation, and more particularly, a method for analyzing the dynamic stress of a vehicle structure using a flexible multi-body vehicle dynamics model and dynamic stress extraction program It is about.
일반적으로 차량의 내구강도 해석시, 노면→타이어→현가장치→프레임→차체로 이어지는 힘 전달 경로 중에서 상기 프레임→차체부에 대해서는 상당한 신뢰성이 인정되고 있는 유한 요소 모델링을 하고 있다. 이와 같은 방법으로는 노면상태의 실측 데이터를 가공하여 현가장치와 프레임 마운트부 내지는 휠(Wheel)과 현가장치를 간략하게 모델링한 후 휠 중심에 상기 가공한 데이터를 직접 입력하는 방법을 채택하고 있다. 이때, 내구 강도 해석방법으로는 모달 과도 응답 해석(Modal transient response analysis) 또는 모달 주파수 응답 해석(Modal frequency response analysis)이 주로 적용되고 있으며 이와 같은 해석작업이 수행되어지면 결과적으로 차량 구조물의 동응력이 파악되어질 수 있다.In general, in the analysis of the internal oral cavity of a vehicle, finite element modeling, in which a considerable reliability is recognized for the frame-to-body part, is performed in the force transmission paths leading from the road surface to the tire to the suspension device to the vehicle body. In this manner, the measurement data of the road surface state is processed to simply model the suspension device, the frame mount unit, the wheel, and the suspension device, and then directly input the processed data to the center of the wheel. At this time, modal transient response analysis or modal frequency response analysis is mainly applied as a method of durability strength analysis. Can be identified.
한편, 상술한 해석방법 외의 다른 방법으로는 도1에 도시된 바와 같이 실제의 차량모델을 실측 노면상에서 주행시키는 차량 동력학 시뮬레이션을 통해 각 샤시 마운트부에 작용하는 조인트 반력들을 추출하여 유한 요소 해석모델의 경계조건으로 입력시켜 동응력을 산출하는 방법이 있다.On the other hand, in addition to the above-described analysis method, as shown in FIG. 1, joint reaction forces acting on each chassis mount are extracted through vehicle dynamics simulation of driving an actual vehicle model on a measured road surface. There is a method to calculate dynamic stress by inputting as boundary condition.
일반적으로, 상술한 내구 강도 해석은 차량의 피로 수명 예측을 위한 전 단계로서 그 해석결과의 정확성이 매우 절실하게 요구되고 있고, 또한 시작차의 개발전과 개발과정에서 선행되어 신속하고 정확한 결과값을 도출해냄으로써 향후 진행되는 양산차의 품질을 안정시키는데 기여해야 한다. 그러나, 현재의 유한 요소 해석기법을 이용한 차량의 내구 강도 해석은 유한 요소 모델링 과정에서 그 시간과 인원이 과다하게 요구되고 타이어와 현가장치에 있어서 그 모델링이 어려울 뿐만 아니라 정확한 모델링에 요구되는 유한 요소 모델의 자유도 증가로 인한 어려움이 있었다. 또한 과도 응답 및 주파수 응답 해석시 장시간이 소요되고 해석되더라도 상기 해석결과를 핸들링하기가 어렵기 때문에 신속한 해석 결과 분석 및 다양한 민감도 분석이 어려운 문제점이 있었다.In general, the endurance strength analysis described above is a very important step for predicting the fatigue life of the vehicle, and the accuracy of the analysis result is very urgently needed, and also, before the development of the starting vehicle and during the development process, the quick and accurate results are derived. It should contribute to stabilize the quality of mass production car going forward. However, the durability analysis of the vehicle using the current finite element analysis method requires excessive time and personnel in the finite element modeling process and is difficult to model in tires and suspension systems, and is required for accurate modeling. There was a difficulty due to increased freedom. In addition, the transient response and frequency response analysis takes a long time and even if the analysis is difficult to handle the analysis results, there is a problem that it is difficult to quickly analyze the analysis results and various sensitivity analysis.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 유연 다물체 동력학 해석과 동응력 계산 프로그램에 의한 차량 구조물의 동응력 해석방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다..The present invention has been made to solve the above problems, and an object of the present invention is to provide a dynamic stress analysis method of a vehicle structure by a flexible multi-body dynamics analysis and dynamic stress calculation program.
도 1은 종래의 동응력 추출과정을 나타낸 구성도1 is a block diagram showing a conventional dynamic stress extraction process
도 2 는 본 발명에 따른 동응력 추출과정을 도시한 구성도Figure 2 is a block diagram showing a dynamic stress extraction process according to the present invention
도 3 은 본 발명의 동응력 해석 방법을 적용한 유연 다물체 차량 동력학 모델을 나타낸 사시도Figure 3 is a perspective view showing a dynamic multi-body vehicle dynamics model to which the dynamic stress analysis method of the present invention is applied
도 4 는 본 발명에 따른 노면 입력조건을 예시한 예시도4 is an exemplary diagram illustrating a road surface input condition according to the present invention.
도 5 는 본 발명에 따른 후륜 현가장치의 마운트부에 작용되는 응력을 측정하는 것을 보여주는 예시도5 is an exemplary view showing measuring the stress applied to the mounting portion of the rear wheel suspension according to the invention
도 6은 본 발명에 따른 실시예로서 후륜 액슬부의 수직 가속도를 비교한 예시도6 is an exemplary view comparing the vertical acceleration of the rear wheel axle as an embodiment according to the present invention
도 7은 본 발명에 따른 실시예로서 후륜 현가 스프링 마운트부의 동응력 해석결과를 나타낸 예시도7 is an exemplary view showing a dynamic stress analysis results of the rear wheel suspension spring mount unit as an embodiment according to the present invention;
도 8는 본 발명에 따른 실시예로서 후륜 현가 스프링 마운트부의 동응력 시험결과를 나타낸 예시도8 is an exemplary view showing a dynamic stress test results of the rear wheel suspension spring mount unit as an embodiment according to the present invention;
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명Explanation of symbols for the main parts of the drawings
30 : 다물체 동력학 해석 31 : 전후륜 현가장치 기구특성검토30: Multibody dynamics analysis 31: Front and rear wheel suspension mechanism characteristics review
32 : 전체 차량 동력학 모델링 33 : 유연체 변환 작업32: Full Vehicle Dynamics Modeling 33: Flexible Body Conversion Tasks
34 : 유연 다물체 동력학 해석 35 : 조인트 반력 추출34: Flexible Multibody Dynamics Analysis 35: Joint Reaction Extraction
36 : 동응력 계산 프로그램 37 : 동응력 추출36: dynamic stress calculation program 37: dynamic stress extraction
40 : 유한 요소 해석 42 : 고유 모드 해석40 Finite Element Analysis 42 Eigenmode Analysis
46 : 강성, 질량, 반력 행렬 48 : 응력 영향 계수 추출46: stiffness, mass, reaction force matrix 48: stress influence coefficient extraction
본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위해서 다음과 같이 구성된다. 즉, 본 발명은 적용대상 차량의 전/후륜 현가장치에 대한 기구학적 특성을 검토하는 단계와; 상기 검토된 특성을 바탕으로 하여 차량 전체에 대한 동력학 모델을 구성하는 단계와; 유한 요소의 고유 모드 해석과 정적 해석을 통해 추출된 질량행렬, 강성행렬 및 반력행렬이 입력되어 유연체로 변환되는 단계와; 상기 변환과정에 의해 유연 다물체 동력학 해석모델이 구성되는 단계와; 차량 주행 시뮬레이션을 통해 각 조인트부에 작용하는 반력들을 추출하는 단계 및 상기 각 조인트부의 반력들과 정적 해석에 의해 추출된 응력 영향 계수로부터 동응력 계산 프로그램을 이용하여 대상물의 최종적인 동응력을 추출하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.The present invention is configured as follows to achieve the above object. That is, the present invention includes the steps of examining the kinematic characteristics of the front / rear suspension of the vehicle to be applied; Constructing a dynamics model for the entire vehicle based on the examined characteristics; Converting the mass matrix, the stiffness matrix, and the reaction matrix, which are extracted through the eigen mode analysis and the static analysis of the finite element, into a flexible body; Constructing a flexible multibody dynamics analysis model by the conversion process; Extracting reaction forces acting on each joint part through vehicle driving simulation and extracting final dynamic stresses of the object by using a dynamic stress calculation program from the reaction forces and the stress influence coefficients extracted by the static analysis. It is characterized by consisting of steps.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도2는 본 발명에 따른 유연 다물체 동력학 해석과 동응력 계산 프로그램에 의한 동응력 추출 순서도이다.2 is a dynamic stress extraction flowchart by the flexible multibody dynamics analysis and dynamic stress calculation program according to the present invention.
도2에 도시된 바와 같이 본 발명은 크게 다물체 동력학 해석(30) 절차와 유한 요소 해석(40) 절차로 구분된다.As shown in FIG. 2, the present invention is largely divided into a multibody dynamics analysis 30 procedure and a finite element analysis 40 procedure.
다물체 동력학 해석의 경우에 있어서는 동력학 해석 프로그램인 DADS를 사용하게 되는데, 먼저 적용대상 차량의 전/후륜 현가장치에 대한 기구학적 특성(Kinematic characteristics)을 검토하게 된다.(31)In the case of multibody dynamics analysis, DADS, a dynamics analysis program, is used. First, the kinematic characteristics of the front and rear suspensions of the vehicle to be applied are examined. (31)
다음 단계에서는 상기 검토된 기구학적 특성을 기초로 하여 차량전체에 대한 동력학 모델을 구성하게 된다.(32)In the next step, a dynamic model of the entire vehicle is constructed based on the kinematic characteristics examined above.
한편, 대상 차량의 동응력 평가 대상 부품을 선정하여 이를 유연체로 변환하는 작업을 수행해야 하는데, 이때 상기 동응력 평가 대상 부품에 대해서는 유한 요소 모델링 작업을 위해 전처리 작업 프로그램인 즉, 유한 요소 해석 프로그램인 MSC/PATRAN(MacNeal-Schwendler Corporation/Patched to Nastran)을 이용하여 유한 요소 모델을 구성하게 된다. 여기서는 대상 부품의 진동 모델을 이용하여 고유 모드 해석과(42) 굽힘 및 비틀림, 범핑 하중조건에 따라 유한 요소의 정적 해석을 수행한다.(44) 이러한 상기 고유 모드 해석에서는 대상 부품의 고유 진동수와 진동 형상을 산출하게 되며, 상기 정적 해석에서는 각 하중조건에 따라 대상 부품의 변위와 응력을 계산하게 된다. 이때, 상기 유한 요소 모델에 대하여 적절한 경계조건을 부여한 후 유한 요소 해석 프로그램인 MSC/NASTRAN(MacNeal-Schwendler Corporation/NASA Structural Analysis)의 직접 행렬 추출 프로그램(DMAP;Direct Matrix Abstraction Program)을 이용하여 상기 고유 모드 해석과 정적 해석을 수행한다.On the other hand, it is necessary to select a dynamic stress evaluation target part of the target vehicle and convert it to a flexible body, wherein the dynamic stress evaluation part is a preprocessing work program, that is, a finite element analysis program The finite element model will be constructed using MSC / PATRAN (MacNeal-Schwendler Corporation / Patched to Nastran). Here, using the vibration model of the target part, the eigenmode analysis (42) and the static analysis of the finite element are performed according to bending, torsional, and bumping load conditions. (44) In the eigenmode analysis, the natural frequency and vibration of the target part are performed. The shape is calculated, and in the static analysis, displacement and stress of the target part are calculated according to each load condition. In this case, the proper boundary condition is applied to the finite element model, and then the unique matrix is obtained using a direct matrix abstraction program (DMAP) of a finite element analysis program, MSC / NASTRAN (MacNeal-Schwendler Corporation / NASA Structural Analysis). Perform mode analysis and static analysis.
상기 해석 결과, 대상 부품에 대한 질량행렬, 강성행렬, 반력행렬이 추출되어지며(46), 상기 추출된 행렬들은 동력학 해석 프로그램인 DADS의 유연체 변환기(DFBT;DADS Flexible Body Translator)에 입력되어 유연체 변환작업이 수행되어진다.(33)As a result of the analysis, mass matrix, stiffness matrix, and reaction force matrix for the target part are extracted (46), and the extracted matrices are input to the DADS Flexible Body Translator (DFBT) of the dynamic analysis program. Overdue conversion is performed. (33)
이후, 상기와 같은 과정이 반복됨으로서 동응력 평가 대상 부품에 대한 유연 다물체 동력학 해석모델이 구성되어지며, 이때 각 해석 조건에 따른 동력학 해석을 수행하면(34) 각각의 조인트부와 힘 요소들에 작용하는 반력들을 계산해 낼 수 있게 된다.(35)Subsequently, the above-described process is repeated, thereby constructing a flexible multibody dynamics analysis model for the dynamic stress evaluation component, wherein dynamic analysis according to each analysis condition is performed (34). The reaction forces acting can be calculated. (35)
한편, 상기와 같이 구현된 유한 요소 모델의 강체 운동을 막기 위해 조인트부나 힘 요소 작용부에 적절한 경계조건을 부여하여 정적 해석을 수행하게 되면 각각의 응력 영향 계수를 얻을 수 있다.(48)On the other hand, in order to prevent the rigid body motion of the finite element model implemented as described above, when the static analysis is performed by applying the appropriate boundary condition to the joint part or the force element acting part, each stress influence coefficient can be obtained. (48)
다음으로, 상기 유연 다물체 동력학 해석을 통해 얻은 각 반력들과 정적 해석을 통해 얻은 응력 영향 계수를 도시되지 않은 동응력 계산 프로그램(36)(현재 프로그램발명으로 출원예정)에 의해 중첩하게 되면 대상물의 최종적인 동응력을 얻을 수 있다.(37)Next, when the reaction forces obtained through the flexible multibody dynamics analysis and the stress influence coefficients obtained through the static analysis are superimposed by the dynamic stress calculation program 36 (current application of the present invention), which is not shown, Final dynamic stress can be obtained. (37)
전술한 바와 같은 동응력 해석 방법은 종래기술에 비해 동응력 해석시 비선형 효과들을 충분히 고려할 수 있어 정확성을 향상시킬 수 있다.As described above, the dynamic stress analysis method can sufficiently consider nonlinear effects in dynamic stress analysis, compared to the prior art, thereby improving accuracy.
이하, 본 발명에 따른 유연 다물체 동력학 시뮬레이션에 의한 동응력 해석의 타당성과 유효성을 검증하기 위한 적용예를 설명한다.Hereinafter, an application example for verifying the validity and validity of the dynamic stress analysis by the flexible multibody dynamics simulation according to the present invention will be described.
여기서는 당사의 4륜구동 RV차량의 프레임에 대한 동응력 해석을 수행하였다.Here, dynamic stress analysis was performed on the frame of our 4WD RV vehicle.
첨부된 도3은 실시예로서 본 발명에 의한 동응력 해석방법을 적용한 4륜구동 RV차량의 프레임을 유연체로 변환시킨 유연 다물체 차량 동력학모델을 나타내고 있는데, 여기서 먼저 해석의 관심대상이 되는 프레임은 유한 요소 해석 프로그램인 MSC/PATRAN을 이용하여 쉘 요소(Thin Shell Element)로 모델링 하였다. 그리고 차체와 엔진은 각각의 도심에 질량과 관성 모멘트를 갖는 강체로 모델링하고, 또한 부싱(Bushing) 힘 요소를 사용하여 프레임과 각각 8개 지점과 3개 지점에서 마운트시켰다.FIG. 3 shows, as an example, a flexible multi-body vehicle dynamics model in which a frame of a four-wheel drive RV vehicle to which the dynamic stress analysis method according to the present invention is applied is converted into a flexible body. MSC / PATRAN, an element analysis program, was used to model shell elements. The body and engine were modeled as rigid bodies with masses and moments of inertia at their respective centers, and were mounted at eight points and three points respectively with the frame using bushing force elements.
한편, 본 차량의 전륜 현가장치는 더블 위시본(Double wishbone) 타입이고, 후륜 현가장치는 차축식 4링크 타입으로서 샤시 부품간의 구속 조건에 따라 모델링하였다.Meanwhile, the front wheel suspension of the vehicle is a double wishbone type, and the rear wheel suspension is an axle four link type, which is modeled according to the constraints between chassis parts.
여기서는 도3과 같은 해석모델을 이용하여 동응력을 추출하기 위해 비포장 도로에서 가끔 만날 수 있는 지그재그 범프(Zigzag bump) 통과 해석을 수행하여 전후륜 현가장치에서의 가속도와 동응력을 평가하였다. 해석을 위한 범프 형상과 범프 설치 간격은 도4에 예시하였다.In this case, the Zigzag bump passing analysis, which is sometimes encountered on an unpaved road, was performed to extract dynamic stress using the analysis model as shown in FIG. 3 to evaluate acceleration and dynamic stress in front and rear wheel suspensions. Bump shape and bump installation spacing for the analysis are illustrated in FIG.
상기와 같은 노면 입력 조건들을 구성한 후 비로소 대상모델에 대한 유연 다물체 동력학 시뮬레이션을 수행하게 되는데, 여기서는 주행속도가 40㎞/h인 경우를 고려하였다. 또한 가속도는 후륜 현가 액슬의 휠 근처에 가속도계를 부착하여 고찰하였고, 도5에 도시된 바와 같이 동응력은 후륜 현가 스프링의 프레임 마운트부 부위에 스트레인 게이지(Strain Gage)를 부착하여 고찰하였다. 또한, 해석 방법의 유효성과 타당성을 검증하기 위해 차량 주행 시험을 실시하였는데, 상기 해석 대상부위와 동일한 위치에서 가속도와 변형률 이력(Strain history)을 동시에 측정하였으며, 측정된 변형률 이력은 탄성론에 근거해 등가응력인 von-Mises응력 이력으로 변환시키게 된다.After configuring the road surface input conditions as described above, the flexible multibody dynamics simulation of the target model is performed. Here, the case where the driving speed is 40 km / h is considered. In addition, the acceleration was investigated by attaching an accelerometer near the wheel of the rear suspension suspension axle, and as shown in FIG. 5, the dynamic stress was examined by attaching a strain gauge to the frame mount portion of the rear suspension suspension spring. In addition, a vehicle driving test was conducted to verify the validity and validity of the analysis method. Acceleration and strain history were simultaneously measured at the same position as the analysis target portion, and the measured strain history was based on elasticity theory. The equivalent stress is converted into the von-Mises stress history.
전술한 바와 같은 과정에 의해 수행된 유연 다물체 동력학 시뮬레이션에 의한 가속도와 동응력에 대한 해석결과와 시험결과를 비교해 보면, 도6에서부터 도8까지 보이는 바와 같이 그 크기와 경향에 있어 거의 유사함을 파악할 수 있다.Comparing the analysis results and the test results for the acceleration and the dynamic stress by the flexible multibody dynamics simulation performed by the above-described process, as shown in Figs. 6 to 8, the size and tendency are almost similar. I can figure it out.
상기와 같은 시험에 의해 비교한 결과값에 따르면, 동응력 해석결과와 시험결과에 있어서 그 오차율(%)이 대략 13.1% 정도의 차이를 보이고 있다. 따라서 본 발명에 따른 동응력 해석방법의 신뢰성이 검증되었다고 할 수 있다.According to the result of the comparison by the above test, the error rate (%) was about 13.1% in the dynamic stress analysis result and the test result. Therefore, it can be said that the reliability of the dynamic stress analysis method according to the present invention has been verified.
상기한 구성의 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 도모할 수 있다.According to the present invention having the above-described configuration, the following effects can be achieved.
첫째, 초기 개념 설계 단계에서부터 차량 구조물의 동응력 상태를 빠르고 쉽게 파악할 수 있어 내구 설계의 안전도 향상에 기여한다.First, it is possible to quickly and easily understand the dynamic stress state of the vehicle structure from the early conceptual design stage, contributing to the improvement of safety of durable design.
둘째, 초기 개념 설계 단계에서 차량 구조물의 동응력 평가가 가능해져 이를 토대로 최적 경량 설계가 가능해진다.Second, it is possible to evaluate the dynamic stress of the vehicle structure in the early conceptual design stage, thereby enabling optimal lightweight design.
셋째, 유연 다물체 동력학 시뮬레이션과 동응력 프로그램에 의해 실시간 내구 강도 평가가 가능해져 차량 동력학 해석에서 구조 해석 업무에 이르는 업무의 단일화가 실현될 수 있다.Third, real-time endurance strength can be evaluated by flexible multibody dynamics simulation and dynamic stress program, thereby realizing unification of tasks ranging from vehicle dynamics to structural analysis.
넷째, 유연 다물체 동력학 해석결과와 유한 요소 해석결과를 동시에 처리할 수 있는 동응력 프로그램으로 인해 사용자의 결과 추출 및 분석이 용이해졌다.Fourth, the dynamic stress program that can process the results of the flexible multibody dynamics and the finite element analysis resulted in easy extraction and analysis.
다섯째, 차량개발시 수행되는 실차시험의 횟수를 감축시킬 수 있으며 이에 따라 소요인력, 시간, 비용이 절감된다.Fifth, it is possible to reduce the number of actual vehicle tests to be carried out in the development of the vehicle, thereby reducing the required manpower, time, and cost.
여섯째, 종래의 내구해석이 갖고 있던 부품의 비선형, 과도한 해석시간, 해석결과 분석의 어려움 등이 해결될 수 있다.Sixth, nonlinearity, excessive analysis time, difficulty in analyzing analysis results, and the like, which have been included in the conventional durability analysis, can be solved.
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