KR100946869B1 - Concept mode developing process using an equivalent beam algorithm capable of optimizing vehicle body side key sections - Google Patents
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Abstract
본 발명의 차체 사이드 기본 단면 최적화가 가능한 등가 빔 알고리즘을 이용한 컨셉 모델 개발 방법은 개발 차종 이전 모델인 마더 카(Mother Car)를 이용하여 사이드 필러 박스 단면을 빔(beam) 요소로 가공한 가공 모델을 1차적으로 구성하고(S100), 디자인 가상 모델의 스킨 데이터(skin data)를 이용하여 사이드 필러에 대한 아우터 스킨(outer skin)과 인너 트림(inner trim)에 의한 기본 단면을 구성하고(S200), 상기 기본 단면의 형상에 두께 정보를 입력하여 관성 모멘트와 비틀림 상수에 대한 단면 특성치를 계산하고(S300), 상기 계산된 단면 특성치를 입력하여 결합부 강성을 등가 빔 알고리즘을 통해 자동으로 계산하여 강성 해석을 실행한다.(S400) 이에 따라 단면 설계의 판단 근거 마련 및 최적 설계가 가능하게 된다.The concept model development method using the equivalent beam algorithm capable of optimizing the body side basic section of the present invention is a machining model in which the side pillar box section is processed into a beam element using a mother car, a model before the development model. Firstly (S100), using the skin data (skin data) of the design virtual model to configure a basic cross-section by the outer skin (outer skin) and inner trim (inner trim) for the side pillar (S200), Input the thickness information to the shape of the basic cross-section to calculate the cross-sectional characteristic value for the moment of inertia and torsional constant (S300), and input the calculated cross-sectional characteristic value to automatically calculate the joint stiffness through an equivalent beam algorithm to analyze the rigidity (S400) Accordingly, it is possible to prepare the basis for determination of the cross-sectional design and to optimize the design.
등가 빔 알고리즘은 개발 차종 이전의 양산 모델인 마더 카의 사이드 기본 단면에 대한 면적, 관성 모멘트, 비틀림 상수의 단면 특성치를 구하는 제 1 단계와, 사이드 결합부에 대한 부분 상세 모델을 구성하여 단면 변화에 따른 결합부 강성을 구하는 제 2 단계와, 아우터, 인너, 레인포스의 두께 변화와, 단면 증대 및 축소에 따른 결합부 강성값의 상관 관계를 구하여 수식화하는 제 3 단계를 포함하는 RSM 상관 관계식 K = f(lx, ly, J, A)을 이용하여 구성한다.The equivalent beam algorithm constructs the first step to obtain the cross-sectional characteristics of the area, moment of inertia, and torsion constant for the side basic section of the mother car, which is a mass-production model before the development model, and constructs a detailed model for the side joints. RSM correlation K comprising a second step of calculating the joint stiffness according to the above, and a third step of calculating and formulating a correlation between the variation of the thickness of the outer, inner, and rain forces, and the joint stiffness value according to the increase and decrease of the cross section. Configure using f (lx, ly, J, A).
Description
본 발명은 차체 사이드 기본 단면 최적화가 가능한 등가 빔 알고리즘을 이용한 컨셉 모델 개발 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 디자인 단계의 스킨 데이터(SKIN DATA)만 있는 상황에서 차체 사이드 기본 단면만으로 결합부 강성을 예측할 수 있는 등가 빔 알고리즘을 이용한 컨셉 모델 개발 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for developing a concept model using an equivalent beam algorithm capable of optimizing the body side basic section. More specifically, in a situation where only skin data (SKIN DATA) is in the design stage, it is possible to predict the joint stiffness using only the body side basic section. The present invention relates to a concept model development method using an equivalent beam algorithm.
일반적으로, 자동차의 디자인 모델을 구성하는데 있어서 차체 사이드 기본 단면(KEY SECTION)에 대한 결합부의 강성을 검토해야 한다. 하지만, 이러한 차체 사이드 기본 단면에 대한 판단 근거가 없어서 초기에는 자동차 라인을 스케치한 후, 스타일링 위주로 설계가 이루어졌다.In general, the stiffness of the coupling to the body side KEY SECTION should be considered in constructing the design model of the vehicle. However, since there was no basis for judging the basic section of the body side, initially, the car line was sketched, and the design was focused on styling.
도 1에는 이러한 차체 사이드 기본 단면의 검토 부위를 나타내고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 프론트 필러 어퍼(front pillar upper)부와, 센터 필러 어퍼(center pillar upper)부와, 루프 사이드(roof side)부와, 센터 필러 로워(center pillar lower)부와, 프론트 필러 로워(front pillar lower)부와, 사이드 실(side sill)부에 대한 강성 판단의 검토가 필요하다.1, the examination site | part of such a vehicle body side basic cross section is shown. As shown in Fig. 1, the front pillar upper portion, the center pillar upper portion, the roof side portion, the center pillar lower portion, It is necessary to examine the stiffness judgment of the front pillar lower portion and the side sill portion.
그렇지만, 강성 판단에 대한 근거가 없기 때문에, 도 2와 같이 디자인 단계에서 여러 디자인의 모델 중에서 어느 하나의 모델, 즉 도 3에서와 같은 상세모델(DETAIL MODEL)을 선정한 다음, 설계 단계에서 상기 검토 부위에 대한 충돌 해석, NVH 해석, 내구 강도 해석 등을 행함으로서, 해석 목표에 달하는지는 파악한 후, 해석 목표에 달하는 경우, 프로토(proto) 단계에서 차량을 제작하고 평가하였으나, 해석 목표에 달하지 못하는 경우, 강성 취약부를 파악한 후, 사이드 결합부에 보강 부재를 추가하여 상세한 모델을 구성하고 있었다.However, since there is no basis for determining the stiffness, one of the models of the various designs is selected in the design stage as shown in FIG. 2, that is, the detailed model (DETAIL MODEL) as shown in FIG. After the collision analysis, NVH analysis, and endurance strength analysis are performed, it is determined whether the analysis target is reached, and when the analysis target is reached, the vehicle is manufactured and evaluated in the proto stage, but the analysis target is not reached. After identifying the rigid weakness, the reinforcing member was added to the side joining portion to form a detailed model.
하지만, 이러한 보강 부재의 추가로 인하여, 두께가 증대하여 실차의 중량 및 원가가 상승하는 요인이 되는 문제가 있다.However, due to the addition of such a reinforcing member, there is a problem that the thickness is increased, causing the weight and cost of the actual vehicle to increase.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 디자인 단계의 스킨 데이터(SKIN DATA)만 있는 상황에서 차체 사이드 기본 단면만으로 결합부 강성을 자동적으로 계산하고, 골격 강성 해석을 통해 단면을 최적화 할 수 있는 등가 빔 알고리즘을 이용한 컨셉 모델(concept model) 개발 방법을 제공하는 것이다.The present invention has been invented to solve the above problems, the object is to automatically calculate the joint stiffness only in the basic section of the body side in the situation of skin data (SKIN DATA) of the design stage, through the analysis of the skeleton stiffness It is to provide a concept model development method using an equivalent beam algorithm that can optimize the cross section.
본 발명의 차체 사이드 기본 단면 최적화가 가능한 등가 빔 알고리즘을 이용한 컨셉 모델 개발 방법은 마더 카를 이용하여 사이드 필러 박스 단면을 빔 요소로 가공한 가공 모델을 구성하는 단계와, 디자인 가상 모델의 스킨 데이터를 이용하여 사이드 필러에 대한 아우터 스킨과 인너 트림에 의한 기본 단면을 구성하는 단계와, 상기 기본 단면의 형상에 두께 정보를 입력하여 관성 모멘트와 비틀림 상수에 대한 단면 특성치를 계산하는 단계와, 상기 계산된 단면 특성치를 입력하여 결합부 강성을 등가 빔 알고리즘을 통해 자동으로 계산하는 강성 해석 단계를 포함한다.The concept model development method using the equivalent beam algorithm capable of optimizing the body side basic section of the present invention comprises the steps of constructing a machining model in which the side pillar box section is processed into beam elements using a mother car, and using skin data of a design virtual model. Comprising a basic cross-section by the outer skin and the inner trim for the side pillar, by inputting the thickness information into the shape of the basic cross-section to calculate the cross-sectional characteristic value for the moment of inertia and the torsional constant, A stiffness analysis step of automatically inputting the characteristic value to automatically calculate the joint stiffness through an equivalent beam algorithm.
등가 빔 알고리즘은 개발 차종 이전의 양산 모델인 마더 카의 사이드 기본 단면에 대한 면적, 관성 모멘트, 비틀림 상수의 단면 특성치를 구하는 제 1 단계와, 사이드 결합부에 대한 부분 상세 모델을 구성하여 단면 변화에 따른 결합부 강성을 구하는 제 2 단계와, 아우터, 인너, 레인포스의 두께 변화와, 단면 증대 및 축소에 따른 결합부 강성값의 상관 관계를 구하여 수식화하는 제 3 단계를 포함하는 RSM 상관 관계식 K = f(lx, ly, J, A)을 이용하여 구성하는 것이 바람직하다.The equivalent beam algorithm constructs the first step to obtain the cross-sectional characteristics of the area, moment of inertia, and torsion constant for the side basic section of the mother car, which is a mass-production model before the development model, and constructs a detailed model for the side joints. RSM correlation K comprising a second step of calculating the joint stiffness according to the above, and a third step of calculating and formulating a correlation between the variation of the thickness of the outer, inner, and rain forces, and the joint stiffness value according to the increase and decrease of the cross section. It is preferable to configure using f (lx, ly, J, A).
본 발명은 디자인 단계의 스킨 데이터(SKIN DATA)만 있는 상황에서 등가 빔 알고리즘에 의해 차체 사이드 기본 단면만으로 결합부 강성을 예측할 수 있으므로 단면 설계의 판단 근거를 마련하고 최적 설계가 가능한 효과를 가진다.The present invention can predict the joint stiffness only by the body side basic section by the equivalent beam algorithm in the presence of skin data (SKIN DATA) in the design stage.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차체 사이드 기본 단면 최적화가 가능한 등가 빔 알고리즘을 이용한 컨셉 모델(CONCEPT MODEL)을 도시하는 사시도이고, 도 5는 도4의 컨셉 모델 개발 방법의 순서도이다.4 is a perspective view showing a concept model (CONCEPT MODEL) using an equivalent beam algorithm capable of optimizing the body side basic cross-section according to a preferred embodiment of the present invention, Figure 5 is a flow chart of the concept model development method of FIG.
도 4에 도시된 바와 같은 본 발명의 차체 사이드 기본 단면 최적화가 가능한 등가 빔 알고리즘을 이용한 컨셉 모델의 개발 방법은 도 5에 도시된 바와 같이, 개발 차종 이전 모델인 마더 카(Mother Car)를 이용하여 사이드 필러 박스 단면을 빔(beam) 요소로 등가한 가공 모델을 1차적으로 구성한다.(S100)As shown in FIG. 4, a method of developing a concept model using an equivalent beam algorithm capable of optimizing the body side basic cross section of the present invention, as shown in FIG. Firstly, a machining model in which the side pillar box section is equivalent to a beam element is constructed (S100).
이어서, 디자인 가상 모델의 스킨 데이터(skin data)를 이용하여 사이드 필러에 대한 아우터 스킨(outer skin)과 인너 트림(inner trim)에 의한 기본 단면을 구성한다.(S200)Subsequently, a basic cross section by an outer skin and an inner trim for the side pillars is constructed using skin data of the design virtual model (S200).
그런 다음, 상기 기본 단면의 형상에 두께 정보를 입력하여 관성 모멘트와 비틀림 상수에 대한 단면 특성치를 계산하고(S300), 상기 계산된 단면 특성치를 입력하여 결합부 강성을 등가 빔 알고리즘을 통해 자동으로 계산하여 강성 해석을 실행한다.(S400)Then, the thickness information is input to the shape of the basic cross section to calculate the cross-sectional characteristic values for the moment of inertia and the torsional constant (S300), and the calculated cross-sectional characteristic values are input to automatically calculate the joint stiffness through an equivalent beam algorithm. To execute the stiffness analysis (S400).
이러한 단계를 실행함으로서 단면 설계의 판단 근거 마련 및 최적 설계가 가능하게 된다.By carrying out these steps, it becomes possible to prepare a judgment basis for the cross-sectional design and to optimize the design.
이상과 같은 S400 단계에서의 결합부 강성을 자동 계산하는 등가 빔 알고리즘은 RSM 상관 관계식을 이용하여 구성한다.The equivalent beam algorithm for automatically calculating the joint stiffness in the above step S400 is configured using the RSM correlation.
이러한 RSM 상관 관계식은 개발 차종 이전의 양산 모델인 마더 카의 차체 사이드 결합부 기본 단면에 대한 면적(A)과 관성 모멘트(lx,ly) 및 비틀림 상수(J)의 단면 특성치를 구하는 제 1 단계와, 사이드 결합부에 대한 부분 상세 모델을 구성하여 단면 변화에 따른 사이드 결합부 기본 단면에 대한 강성값(K)을 구하는 제 2 단계와, 아우터, 인너, 레이포스의 두께 변화와 단면 증대 및 축소에 따른 사이드 결합부 강성값(K)의 상관 관계를 구하여 수식화하는 제 3 단계를 포함한다. These RSM correlations are the first step to obtain the cross-sectional characteristics of the area (A) and moment of inertia (lx, ly) and torsion constant (J) of the body side coupling of the mother car, a mass-production model before development. In the second step of constructing a detailed model of the side coupling part to obtain the stiffness value (K) for the basic cross-section of the side coupling part according to the change of the cross-section, the thickness change of the outer, inner, and rayforces, And a third step of obtaining and correlating the correlation between the side coupling part stiffness values K.
단면 특성치를 구하는 제 1 단계는 단면의 두께를 변화시켜 가면서 다량의 케이스를 제작하고, 각 케이스의 단면 특성치를 추출하는 것이 바람직하다.In the first step of obtaining the cross-sectional characteristic value, it is preferable to manufacture a large amount of cases while varying the thickness of the cross-section, and extract the cross-sectional characteristic value of each case.
이어서, 사이드 결합부 강성을 구하는 제 2 단계는 조인트 해석을 수행함으로서 달성되는 것이다. 또한 사이드 결합부 강성값을 추출하는 제 3 단계는 각 케이스 별 단면 특성치들과 조인트 강성값간의 하기의 RSM 상관 관계식을 도출하고, 등가 빔과 스프링 강성 관계식에 적용하여 등가 빔을 생성한다.Subsequently, the second step of finding the side joint stiffness is achieved by performing a joint analysis. In addition, the third step of extracting the side coupling portion stiffness value to derive the following RSM correlation between the cross-sectional characteristics of each case and the joint stiffness value, and to apply to the equivalent beam and the spring stiffness relation to generate the equivalent beam.
K = f(lx, ly, J, A)
여기서, A는 마더 카의 사이드 기본 단면에 대한 면적이고, lx와 ly는 마더 카의 사이드 기본 단면에 대한 관성 모멘트이며, J는 마더 카의 사이드 기본 단면에 대한 비틀림 상수에 해당하는 극관성 모멘트이고, K는 사이드 결합부 강성값인 바, 사이드 결합부 강성값(K)은 사이드 기본 단면에 대한 면적(A)과 관성 모멘트(lx,ly) 및 비틀림 상수(J)에 의한 RSM 상관 관계식의 함수관계(f)로부터 도출되는 것이다.
이때, 상기 제 2 단계는 사이드 필러(pillar) 양단부중 일측 끝단부의 2군데에 대한 6자유도를 구속하고, 나머지 한군데인 타측 끝단부에서 전후(X), 좌우(Y) 및 상하(Z)의 3축 방향의 모멘트 하중을 부여하여 스트레인 에너지 및 변위를 구한 후, 이를 기초로 사이드 결합부에 대한 강성값을 구하는 것이 바람직하다. K = f (lx, ly, J, A)
Where A is the area of the side car's side basic section, lx and ly are the moments of inertia for the side car's side basic section, J is the polar moment of inertia corresponding to the torsional constant for the side car's side car Where K is the side joint stiffness value, and the side joint stiffness value (K) is a function of the RSM correlation with the area (A) and the moment of inertia (lx, ly) and the torsion constant (J) for the side basic section. From relationship (f).
At this time, the second step is to constrain the six degrees of freedom for the two ends of one side of the side pillar (pillar) both ends, and the front and rear (X), left and right (Y) and the top and bottom (Z) at the other one end It is preferable to obtain strain energy and displacement by applying an axial moment load, and then obtain a stiffness value for the side joint based on this.
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이상의 관계식은 실험 계획법을 이용한 근사 다항식 유도에 의해 도출되는 것으로, 실험 계획법 중 하나인 반응 표면법을 이용하여 두께(T)와 조인트 강성간의 관계식으로 유도된다.The above relation is derived from the approximate polynomial derivation using the experimental design method, and is derived from the relation between the thickness T and the joint stiffness using the response surface method, which is one of the experimental design methods.
이때, 조인트 강성을 셀(shell) 요소의 두께(T)와 형상 변경에 따른 단면 특성을 근사 다항식으로 유도하기 위해서 설계 영역내에서 랜덤(random)하게 변수를 정하고 조인트 강성 실험을 수회 실시하여 나스트랜(Nastran) 해석 데이터(Kx, Ky, Kz)를 확보하고 박스-벤켄(Box-Behnken)법을 사용하여 근사식을 유도한다.At this time, in order to induce the joint stiffness to the approximate polynomial of the thickness (T) of the shell element and the cross-sectional characteristics according to the shape change, randomly set a variable within the design area and perform a joint stiffness experiment several times. Obtain (Nastran) analytical data (Kx, Ky, Kz) and derive an approximation using the Box-Behnken method.
이상과 같은 본 발명의 등가 빔 알고리즘은 도 6의 좌측으로부터 알 수 있는 바와 같이, 단면 특성치 분석 및 결합부 강성 해석을 통하여 등가 스프링을 계산하고, 도 6의 우측으로 알 수 있는 바와 같이, 단면 특성치 입력만으로 결합부 강성이 자동화 계산이 가능하다.As can be seen from the left side of FIG. 6, the equivalent beam algorithm of the present invention calculates an equivalent spring through the cross-sectional characteristic value analysis and the joint stiffness analysis, and as shown to the right of FIG. 6, the cross-sectional characteristic value The joint stiffness can be calculated automatically by input.
한편, 본 발명에 의한 디자인 단계 프로세스 단축 효과를 설명하면 도 7로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 등가 빔 알고리즘은 종래의 상세 모델이 나온 이후에 결합부 강성 해석을 통한 차체 강성을 평가하던 방식을 대비할 때, 디자인 단계에서는 상세 모델이 없고, 차체 기본 단면만 있는 상황에서 기본 단면 입력에 의한 결합부 강성이 자동화 계산을 가능하게 한다. 이를 위하여 개발 차종 이전 모델을 이용한 다양한 설계 변경으로 RSM 상관 관계식을 도출하였으며, 단면 특성치의 입력 시 결합부 강성에 대한 특성을 자동으로 계산한다.Meanwhile, referring to FIG. 7, the equivalent beam algorithm of the present invention evaluates the body stiffness through the analysis of the joint stiffness after the conventional detailed model. In contrast, in the design phase, there is no detailed model, and in the case where there is only a basic section of the body, the rigidity of the joint by inputting the basic section enables automatic calculation. To this end, the RSM correlation is derived from various design changes using the model before the development model, and the characteristics of the joint stiffness are automatically calculated when the cross-sectional characteristic values are input.
도 8은 본 발명에 의한 차체 사이드 설계 프로세스를 나타내며, 도시된 바와같이, 본 발명은 디자인 단계 차체 사이드 단면에 대한 여러 가지 모델이 제안되며, 단면 특성치를 계산하고, 본 발명의 컨셉 모델(CONCEPT MODEL)에 입력하여 단면 최적화를 한 다음, MSC 나스트랜(NASTRAN)을 통하여 강성 해석을 수행하는 과정으로 이루어 진다.8 shows a body side design process according to the present invention, and as shown, the present invention proposes various models for the body side cross section of the design stage, calculates cross-sectional characteristics, and calculates the concept model of the present invention. ) To optimize the cross-section and then perform stiffness analysis through MSC NASTRAN.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 차체 사이드 기본 단면 최적화가 가능한 등가 빔 알고리즘을 이용한 컨셉 모델 개발 방법의 하나의 바람직한 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않는 것이므로, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.What has been described above is only one preferred embodiment of the concept model development method using the equivalent beam algorithm capable of optimizing the body side basic section according to the present invention, the present invention is not limited to the above-described embodiment, the following patents As claimed in the claims, any person of ordinary skill in the art without departing from the gist of the present invention will have the technical spirit of the present invention to the extent that various modifications can be made.
도 1은 종래 기술의 차체 사이드 기본 단면의 검토 부위를 나타내는 측면도이고,1 is a side view showing a study site of a vehicle body side basic section of the prior art,
도 2는 종래 기술의 설계 프로세스를 나타내는 순서도이고,2 is a flow chart illustrating a prior art design process,
도 3은 종래 기술의 자동차 차체의 상세 모델 (DETAIL MODEL)을 도시한 사시도이며,3 is a perspective view showing a detailed model (DETAIL MODEL) of the vehicle body of the prior art,
도4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 차체 사이드 기본 단면 최적화가 가능한 등가 빔 알고리즘을 이용한 자동차 차체의 컨셉 모델(CONCEPT MODEL)을 도시한 사시도이며,4 is a perspective view illustrating a concept model of a vehicle body (CONCEPT MODEL) using an equivalent beam algorithm capable of optimizing the body side basic cross-section according to a preferred embodiment of the present invention,
도 5는 도 4의 컨셉 모델 개발 방법의 순서도이고,5 is a flow chart of a concept model development method of FIG.
도6은 본 발명의 등가 빔 개념을 설명하기 위한 것으로서, 좌측은 단면 특성치 분석 및 결합부 강성 해석을 통하여 등가 스프링을 계산하는 방식이며, 우측은 단면 특성치 입력만으로 결합부 강성이 자동화 계산이 가능한 등가 빔 알고리즘에 관한 개념도이고,6 is for explaining the equivalent beam concept of the present invention, the left side is a method of calculating the equivalent spring through the cross-sectional characteristic analysis and the joint stiffness analysis, the right side is equivalent to the automatic calculation of the joint stiffness only by inputting the cross-sectional characteristic value Conceptual diagram of the beam algorithm,
도 7은 본 발명에 의한 디자인 단계 프로세스 단축 효과를 설명하기 위한 개념도이고,7 is a conceptual diagram for explaining a design step process shortening effect according to the present invention;
도 8은 본 발명에 의한 차체 사이드 설계 프로세스를 나타내는 설명도이다. It is explanatory drawing which shows the vehicle body side design process by this invention.
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| 박정률 외 4인, '이점 대각 근사화 기법을 이용한 차체 구조 최적 설계', 2001 Korea Users Conference |
| 성영석, '차체 Side Key Section을 이용한 등가빔 결합부 모델링 및 강성 해석', 국민대 자동차공학전문대학원, 2007년 8월 |
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