KR100765631B1 - 트러스 보강 금속관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 관의 국부좌굴을 유발하는 하중에 대해 강력한 저항력을 가질 수 있는 트러스 구조물을 포함하는 금속관에 관한 것이다.

본 발명은 금속관의 내부에 새로운 트러스 구조물을 삽입/접합하여 관의 국부좌굴을 유발하는 하중에 대해 강력한 저항력을 발휘할 수 있도록 함으로써, 차체의 필러나 임팩트바 등과 같이 주로 굽힘하중을 받으면서 강도가 높고 무게가 가벼워야 하는 용도의 관으로 유용하게 활용할 수 있는 트러스 보강 금속관을 제공한다.

본 발명에서 제공하는 트러스 보강 금속관은 하나의 평면상에서 3열로 나란하게 연속 배열되는 마름모꼴 형상이 그물망 형태의 패턴으로 형성되는 동시에 각 열의 마름모꼴 형상의 적어도 하나의 꼭지점에는 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리가 구비되어 폭방향으로 연장되고, 1열 및 3열의 각 마름모꼴 형상은 1열 축선 및 3열 축선을 기준하여 폭방향으로 각각 90°꺽이는 동시에 2열의 각 마름모꼴 형상은 2열 축선을 기준하여 폭방향으로 90°꺽이면서 1열 및 3열의 각 마름모꼴 형상의 폭방향 바깥쪽 꼭지점이 서로 맞닿아 접합되어 전체적으로 다수 개의 마름모꼴 입체구조가 길이방향으로 연달아 이어진 형태의 구조로 이루어진 트러스 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

금속관, 트러스 구조물, 국부좌굴, 차체, 필러, 임팩트바

Description

트러스 보강 금속관{Metal tube with truss}

도 1은 일반적인 원형금속관과 사각금속관을 보여주는 사시도

도 2는 굽힘하중을 받는 사각금속관에서 발생한 국부좌굴의 형상을 보여주는 사시도

도 3은 3차원 옥테트 트러스 구조의 1개층을 보여주는 사시도

도 4는 3차원 카고메 트러스 구조의 1개층을 보여주는 사시도

도 5는 3차원 옥테트 트러스 구조의 상하면을 단순 면판으로 대체한 샌드위치 판재의 형상을 보여주는 사시도

도 6은 3차원 카고메 트러스 구조의 상하면을 단순 면판으로 대체한 샌드위치 판재의 형상을 보여주는 사시도

도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 트러스 구조물의 제조과정을 보여주는 개략도

도 8은 본 발명에 따른 트러스 구조물의 길이방향 형상을 보여주는 정면도

도 9는 본 발명에 따른 트러스 구조물의 단면 형상을 보여주는 측면도

도 10은 본 발명에 따른 트러스 구조물을 적용한 원형금속관을 보여주는 사시도

도 11은 본 발명에 따른 트러스 구조물을 적용한 사각금속관을 보여주는 사시도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

10 : 관 11 : 트러스 구조물

12a,12b,12c : 마름모꼴 형상 13 : 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리

14a : 1열 축선 14b : 2열 축선

14c : 3열 축선 15 : 마름모꼴 입체구조

16 : 보강 다리 17 : 폭방향

18 : 길이방향

본 발명은 내부에 트러스 구조물을 보강한 금속관에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 관의 국부좌굴을 유발하는 하중에 대해 강력한 저항력을 가질 수 있는 트러스 구조물을 포함하는 금속관을 제공함으로써, 차체의 필러나 임팩트바 등과 같이 주로 굽힘하중을 받으면서 강도가 높고 무게가 가벼워야 하는 용도의 관으로 유용하게 활용할 수 있는 트러스 보강 금속관에 관한 것이다.

일반적으로 금속관은 내부가 비어 있고 대부분의 질량이 금속관의 표피 부근에 몰려 있어 단면의 관성2차 모멘트가 큰 관계로 무게 대비 굽힘강도가 커서 가벼 우면서도 굽힘하중을 받는 구조요소에 널리 사용되고 있다.

도 1은 시중에서 흔히 볼 수 있는 원형금속관(100)과 사각금속관(110)의 형상을 나타내고 있다.

통상 얇게 압연된 판재를 각각 원과 사각 단면을 갖도록 말아서 심 용접하여 제작한다.

단면의 관성2차 모멘트는 횡하중을 받는 긴 부재의 굽힘에 대한 강성 및 강도를 결정하는 중요한 설계인자이다.

금속관의 단면이 높은 관성2차 모멘트를 가지려면 중립면에서 가능한 한 먼 위치에 질량이 분포하는 것이 유리하다.

따라서, 관을 이루는 판의 두께(살두께)를 얇게 하고 관의 외관을 크게 하는 것이 무게 대비 높은 굽힘강도를 얻을 수 있는 방법이다.

그러나, 금속관의 살두께가 얇아지면 굽힘하중을 받을 때 국부적인 좌굴이 발생하게 되어 의도했던 높은 강도를 얻을 수 없다.

도 2는 굽힘하중을 받는 사각금속관에서 발생한 국부좌굴의 형상을 나타내고 있다.

따라서, 강도가 요구되는 구조용 금속관의 살두께는 국부좌굴을 방지하기 위해서 필요 이상 두껍게 제조되고 있는 실정이다.

자동차와 같이 경량호가 요구되는 구조물에 사용되는 금속관의 무게 대비 강도를 높이기 위한 목적으로 그 내부를 발포금속으로 채워 국부좌굴을 억제하는 제품도 보고되어 있다(S. Santosa, J. Banhart, and T. Wierzbicki, Advanced Engineering Materials, Vol.2, No.4, pp.223-227, 2000).

국부좌굴을 억제할 목적으로 금속관에 충진되는 발포금속은 내부가 불규칙한 크기의 셀(Cell)로 구성되어 강도면에서 열등하다.

발포금속으로 제작될 수 있는 소재도 알루미늄이나 구리 등에 국한되어 철강으로 제작된 금속관 내부 표면과 접합되지 않은 채 단순히 충진되기 때문에 강도면에서 불리하고, 금속관에 발포금속을 충진하면 내부가 거의 막히기 때문에 배선을 위한 통로로서 사용될 수 없다.

최근 발포금속을 대체하는 새로운 다공질 소재로서 주기적인 트러스 구조가 소개되고 있다.

정밀한 계산을 통한 최적의 강도 및 강성도를 갖도록 설계된 트러스 구조는 하니컴에 버금가는 기계적물성을 가지면서 내부가 개방되어 공간을 활용할 수 있는 이점이 있다.

이상적인 트러스 구조로서 정사면체와 정팔면체가 조합된 형태의 옥테트(Octet) 트러스(R. Buckminster Fuller, 1961, US Patent 2,986,241)를 들 수 있다.

각 요소가 서로 정삼각형을 이루고 있어 강도와 강성면에서 우수하다.

21세기 들어서 옥테트 트러스를 변형한 카고메(Kagome) 트러스(S. Hyun, A.M. Karlsson, S. Torquato, A.G. Evans, 2003. int. J. of Solids and Structure, Vol. 40, pp. 6989-6998)가 발표되었다.

도 3과 도 4는 각각 3차원 옥테트 트러스(120)와 카고메 트러스(130) 구조의 1개층을 나타내고 있다.

주기적인 트러스 구조는 상대적으로 넓은 공간을 차지하면서도 기계적 강도가 우수하기 때문에 샌드위치 판재의 중간층(Core) 소재로서 유망하다.

도 5와 도 6은 옥테트 트러스(120)와 카고메 트러스(130) 구조의 상하면을 단순 면판(140)으로 대체한 샌드위치 판재의 형상을 나타내고 있다.

현재까지 이와 같은 이상적인 트러스 구조를 갖는 소재를 생산하는 방법으로 주조법, 격자모양으로 천공된 금속판을 절곡하는 방법 등이 제안되어 있으나(H.N.G. Wadley, N. Fleck, A.G. Evans, 2003. Composites Science and Technology, Vol. 63, pp. 2331-2343), 아직까지 대량생산성이 미흡하다.

하지만, 지금까지의 트러스 구조는 판재에 적용가능한 형태로만 제공되어 있을 뿐 금속관 내부에 충진하여 금속관의 국부좌굴을 억제함으로써 얇은 살두께를 가지면서 강도가 높은 금속관을 제조하려는 시도는 아직까지 없었다.

따라서, 본 발명은 이와 같은 점을 감안하여 안출한 것으로서, 금속관의 내부에 새로운 트러스 구조물을 삽입/접합하여 관의 국부좌굴을 유발하는 하중에 대해 강력한 저항력을 발휘할 수 있도록 함으로써, 차체의 필러나 임팩트바 등과 같이 주로 굽힘하중을 받으면서 강도가 높고 무게가 가벼워야 하는 용도의 관으로 유용하게 활용할 수 있는 트러스 보강 금속관을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 관의 내부에 길이방향을 따라 나란하게 배치되는 트러스 구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 관은 원형금속관 또는 사각금속관인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 트러스 구조물은 하나의 평면상에서 3열로 나란하게 연속 배열되는 마름모꼴 형상이 그물망 형태의 패턴으로 형성되는 동시에 각 열의 마름모꼴 형상의 적어도 하나의 꼭지점에는 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리가 구비되어 폭방향으로 연장되고, 1열 및 3열의 각 마름모꼴 형상은 1열 축선 및 3열 축선을 기준하여 폭방향으로 각각 90°꺽이는 동시에 2열의 각 마름모꼴 형상은 2열 축선을 기준하여 폭방향으로 90°꺽이면서 1열 및 3열의 각 마름모꼴 형상의 폭방향 바깥쪽 꼭지점이 서로 맞닿아 접합되어 전체적으로 다수 개의 마름모꼴 입체구조가 길이방향으로 연달아 이어진 형태의 구조로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 각 마름모꼴 입체구조의 내측에는 각 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리가 만들어내는 2열씩의 수직 및 수평 교차형의 보강 다리가 구비되는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 7a 내지 도 7e는 본 발명에 따른 트러스 구조물의 제조과정을 보여주는 개략도이다.

도 7a 내지 도 7e에 도시한 바와 같이, 일정한 패턴으로 절단(Slit)된 금속판을 화살표 방향으로 확장하면 그물망 형태가 만들어진다.

즉, 하나의 평면상에서 3열로 나란하게 연속 배열되는 마름모꼴 형상(12a),(12b),(12c)이 그물망 형태의 패턴으로 조성된다.

또한, 각 열의 마름모꼴 형상(12a),(12b),(12c)의 적어도 하나의 꼭지점에는 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리(13)가 구비되는데, 이때의 긴 다리(13)는 꼭지점에서부터 폭방향(17)을 따라 길게 연장되는 형태로 형성된다.

금속판의 확장시 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리(13)들은 변형되지 않고 그대로 남아 있게 된다.

이러한 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리(13)들은 대부분 마름모꼴 형상(12a),(12b),(12c)의 내측에 위치되며, 몇 개는 외측으로 길게 뻗어나간 형태로 위치된다.

계속해서, 1열 및 3열의 각 마름모꼴 형상(12a),(12c)을 1열 축선(14a) 및 3열 축선(14c)을 기준하여 폭방향(17)으로 각각 90°꺽고, 이와 동시에 2열의 각 마름모꼴 형상(12b)을 2열 축선(14b)을 기준하여 폭방향(17)으로 90°꺽으면, 1열 및 3열의 각 마름모꼴 형상(12a),(12c)의 폭방향 바깥쪽 꼭지점이 서로 맞닿게 되며, 이때의 각 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리(13)들을 안쪽으로 약 135°꺽어 넣으면, 전체적으로 볼 때 다수 개의 마름모꼴 입체구조(15)가 길이방향(18)으로 연달아 이어진 형태의 구조가 완성된다.

도 8과 도 9는 본 발명에 따른 트러스 구조물의 완성된 형상을 나타낸다.

도 8과 도 9에 도시한 바와 같이, 연속으로 연결된 다리들은 마름모꼴(또는 사각형)의 변을 이루고 한쪽이 끊어진 긴 다리들은 대각선을 이룬다.

특히, 도 8에서는 마름모꼴 입체구조(15)가 길이방향을 따라 반복되고 있음을 나타내고 있으며, 도 9에서는 각 마름모꼴 입체구조(15)의 내측으로 각 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리(13)에 의해 만들어진 2열씩의 수직 및 수평 교차형의 보강 다리(16)가 구비되어 있는 것을 볼 수 있다.

도 10과 도 11은 본 발명에 따른 트러스 구조물을 적용한 원형금속관과 사각금속관을 나타내고 있다.

도 10과 도 11에 도시한 바와 같이, 여기서는 트러스 구조물(11)이 관(10), 즉 원형금속관과 사각금속관 내부에 삽입되어 접합된 형태를 보여준다.

트러스 구조물(11)의 외곽 모서리, 즉 도 9의 트러스 단면형상에서 마름모꼴(또는 사각형)의 네 모서리와 관이 접촉하고 있는 부분은 전기저항 용접이나 브레이징, 수지 접착 등의 방법으로 접합된다.

도 10과 도 11에 표시되어 있는 점선과 같이 접합점들을 길이방향으로 연결해 보면, 내부의 트러스 구조물(11)과 함께 사면체 구조를 이루고 있음을 알 수 있다.

따라서, 트러스 구조물(11)+관(10) 접합체, 즉 본 발명의 트러스 보강 금속관은 외력에 대해 높은 저항력을 갖게 된다.

특히, 관의 국부좌굴을 유발하는 하중, 즉 횡방향으로 눌러 관의 단면을 압착하려는 하중에 대해서는 각각 2개의 다리로 구성된 대각선방향의 트러스 요소, 즉 보강 다리에 의해 강력한 저항력을 갖게 된다.

이렇게 본 발명에서 제공하는 트러스 보강 금속관에서는 국부좌굴이 억제되 기 때문에 두꺼운 살두께의 작은 직경의 관 대신에 얇은 살두께를 가지면서 직경이 큰 관을 활용할 수 있으며, 따라서 관의 단면 2차모멘트를 높이고 무게 대비 강도를 향상시킬 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명은 관의 국부좌굴을 유발하는 하중에 대해 강력한 저항력을 발휘할 수 있는 트러스 구조물을 내부에 갖는 금속관을 제공함으로서, 차체의 필러나 임팩트바 등과 같이 주로 굽힘하중을 받으면서 강도가 높고 무게가 가벼워야 하는 용도의 관으로 유용하게 활용할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 삭제
2. 삭제
3. 관(10)의 내부에 길이방향을 따라 나란하게 배치되는 트러스 구조물(11)을 포함하는 트러스 보강 금속관에 있어서,

   상기 트러스 구조물(11)은 하나의 평면상에서 3열로 나란하게 연속 배열되는 마름모꼴 형상(12a),(12b),(12c)이 그물망 형태의 패턴으로 형성되는 동시에 각 열의 마름모꼴 형상(12a),(12b),(12c)의 적어도 하나의 꼭지점에는 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리(13)가 구비되어 폭방향으로 연장되고, 1열 및 3열의 각 마름모꼴 형상(12a),(12c)은 1열 축선(14a) 및 3열 축선(14c)을 기준하여 폭방향으로 각각 90°꺽이는 동시에 2열의 각 마름모꼴 형상(12b)은 2열 축선(14b)을 기준하여 폭방향으로 90°꺽이면서 1열 및 3열의 각 마름모꼴 형상(12a),(12c)의 폭방향 바깥쪽 꼭지점이 서로 맞닿아 접합되어 전체적으로 다수 개의 마름모꼴 입체구조(15)가 길이방향으로 연달아 이어진 형태의 구조로 이루어진 것을 특징으로 하는 트러스 보강 금속관.
4. 청구항 3에 있어서, 상기 각 마름모꼴 입체구조(15)의 내측에는 각 한쪽이 끊어져 있는 긴 다리(13)가 만들어내는 2열씩의 수직 및 수평 교차형의 보강 다리(16)가 구비되는 것을 특징으로 하는 트러스 보강 금속관.

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