KR100968262B1 - 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타이어 성능을 예측하기 위하여 타이어를 설계하는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법에 관한 것으로서, 특히 타이어 설계를 자동화시켜 다양한 설계 인자 변경에 따른 결과를 비교, 분석하여 최적의 설계안을 찾는데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법에 관한 것이다.

타이어, 설계, 요소망(mesh)

Description

타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법{A tire design method for estimating a tire performance}

본 발명은 타이어 성능을 예측하기 위하여 타이어를 설계하는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법에 관한 것으로서, 특히 타이어 설계를 자동화시켜 다양한 설계 인자 변경에 따른 결과를 비교, 분석하여 최적의 설계안을 찾는데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법에 관한 것이다.

CAD(Computer Aided Design) 및 CAE(Computer Aided Engineering)는 타이어의 코너링, 마모, 내구 등 다양한 성능을 만족하기 위해 설계 단계에서 중요한 역할을 담당하고 있다.

CAD는 제조 전 설계안을 제공하며, CAE는 설계안의 결과를 예측, 판단하고 적절한 설계안을 제시한다.

상기 CAE 중 유한요소해석방법(Finite Element Method:FEM)은 가장 보편적으로 사용되는 방법으로 CAD에서 만들어진 설계안(도면)을 이용하여 절점을 가진 요소로 나누고, 경계조건을 만족하는 해를 찾는 방법이며, FEM을 통해 나오는 여러 가지 결과는 타이어의 다양한 성능 판단에 근거로서 적용하고 있다.

종래 타이어 설계는 CAD를 이용하여 나온 설계안에 요소망(mesh)을 생성한 후 결과를 검토하고, 원하는 성능에 부합되지 않으면, 설계안을 다시 만들어 mesh를 나누는 반복 작업을 수행하였다.

하지만, 이러한 반복 작업은 설계에 소요되는 시간을 증가시키는 문제점을 가지고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서 그 목적은 타이어 설계를 자동화시켜 다양한 설계 인자 변경에 따른 결과를 비교, 분석하여 최적의 설계안을 찾는데 걸리는 시간을 단축시키며 그에 따른 비용을 절감할 수 있는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법을 제공하는 데 있다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법은,

타이어 목표 성능을 컴퓨터에서 설정하고 CAD로 2D도면화하여 2D 요소망을 생성하는 제 1 단계를 포함하는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법에 있어서,

상기 2D 도면에서의 설계 인자 및 인자의 변경 범위를 선택하는 제 2 단계(ST40); 상기 제 2 단계 후 선택한 설계인자 및 인자의 변경 범위에서 2D 요소망을 자동 변경하는 제 3 단계(ST50); 상기 제 3 단계 후 변경된 2D 요소망을 축대칭으로 회전시켜 3D 요소망을 생성하여 유한요소해석을 수행하고 그 해석결과를 분석하는 제 4 단계(ST60~ST80); 및 상기 제 4 단계 후 분석한 결과값이 5 내지 20% 증가된지의 여부로 타이어 성능을 판단하여 만족하지 못하면 다시 제 2 단계(ST40)를 수행하고 만족스럽다면 설계를 완료하여 타이어를 제조하도록 하는 제 5 단계(ST90~ST100)로 이루어진다.

본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법은 타이어 설계를 자동화시켜 다양한 설계 인자 변경에 따른 결과를 비교, 분석하여 최적의 설계안을 찾는데 걸리는 시간을 단축시킬 수 있고 그에 따른 비용을 절감할 수 있다.

이와 같은 본 발명을 첨부도면에 의거하여 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 각 용어의 의미는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법은 타이어 목표 성능을 컴퓨터에서 설정하고 CAD로 2D 도면화하여 2D 요소망을 생성하는 제 1 단계(ST10~ST30); 상기 제 1 단계 후 상기 2D 도면에서의 설계 인자 및 인자의 변경 범위를 선택하는 제 2 단계(ST40); 상기 제 2 단계 후 선택한 설계인자 및 인자의 변경 범위에서 2D 요소망을 자동 변경하는 제 3 단계(ST50); 상기 제 3 단계 후 변경된 2D 요소망을 축대칭으로 회전시켜 3D 요소망을 생성하여 유한요소해석을 하고 그 해석결과를 분석하는 제 4 단계(ST60~ST80); 및 상기 제 4 단계 후 분석한 결과값을 토대로 타이어 성능의 만족여부를 판단하여 만족스럽지 못하다면 다시 제 2 단계(ST40)를 수행하고 만족스럽다면 설계를 완료하여 타이어를 제조하도록 하는 제 5 단계(ST90~ST100)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

먼저, 타이어 목표 성능을 컴퓨터에서 설정하고 CAD로 2D 도면화하여 2D 요소망을 생성하고(ST10~ST30), 상기 2D 도면에서의 설계 인자 및 인자의 변경 범위를 선택한다(ST40).

그 다음, 선택한 설계인자 및 인자의 변경 범위에서 2D 요소망을 자동 변경하며(ST50), 이렇게 변경된 2D 요소망을 축대칭으로 회전시켜 3D 요소망을 생성한다(ST60).

또한, 생성된 3D 요소망을 토대로 유한요소해석(FE 해석; Finite Element analysis)을 하고 그 해석결과를 분석한다(ST70~ST80). 이때, 유한요소해석 방법은 타이어의 거동, 예컨대 응력, 변형 등을 판단하기 위하여 타이어의 절점을 가진 요소로 나눈 후 타이어에 작용하는 하중과 경계조건을 절점이나 요소의 면에 입력하여 각 절점과 요소에서 응력이나 변형 등을 확인하는 것을 말한다.

이렇게 상기 유한요소해석결과를 분석한 결과값을 토대로 처음 컴퓨터에서 설정한 타이어 목표 성능과 비교하여 타이어 성능의 만족여부를 판단하게 되는데, 예컨대 분석한 결과값이 5 내지 20% 증가된지의 여부로 타이어 성능을 판단하여 만족하지 못하면 다시 2D 도면에서의 설계 인자 및 인자의 변경 범위를 선택하여 그 다음을 차례대로 수행하고, 타이어 성능이 만족스럽다면 설계를 완료하여 타이어를 제조하도록 한다(ST90~ST100).

상기 타이어 목표 성능은 접지 형상, 강성, 코드의 인장력 등으로 들 수 있으며, 이런 성능을 만족하기 위해 기본적인 2D 도면을 CAD를 이용하여 만들고, 이 를 이용해 2D 요소망(mesh)을 생성한다.

이 때, 2D 도면은 대칭이어야 하고, 설계 기준에 맞게 그려져야 하며, 이는 2D mesh를 자동으로 변경함에 있어 중요하다.

도 2는 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법에서 타이어를 2D로 나타낸 도면이며, 도 3은 도 2를 토대로 2D 요소망을 생성하여 나타낸 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법에서 2D로 나타낸 타이어는 트래드, 인너라이너 고무, 사이드월, 비드 링, 비드 고무, 림 쿠션, 카카스(Carcass), 벨트(2층), 보강 벨트(2~3층)의 일반적인 구조로 이루어진다.

여기서, 타이어 전장(OD)와 타이어 전폭(SW)은 타이어 사이즈에 따라 결정되는 값이며, 접지되는 부분은 일정 폭(TW)과 일정 반경(TR)을 가진 곡선으로 표현되고, 곡선은 2~3개로 이루어진다.

상기 접지되는 부분에서 일정 길이(Depth)만큼 떨어져서 벨트 곡선이 그려지며, 이때 상기 일정 길이는 트래드 및 보강벨트 두께에 의해 결정된다.

또한, 상기 벨트는 접지 부위와 같은 개수로 이루어지고, 설계 변수 β를 곱하여 폭을 결정하며 α를 곱하여 반경을 결정한다.

또한, 벨트 포인트는 벨트의 끝단에서 일정 길이 아래로 잡고, 비드 포인트는 림의 반경에 일정 길이를 더하여 잡는다.

여기서 일정 길이는 설계자가 판단하여 결정하는 값이다.

벨트 포인트와 비드 포인트가 결정되면 균일 카카스 장력 분포를 따르는 4개의 R을 가진 카카스 라인을 생성하며, 이외 고무는 두께를 고려하여 생성하면 된다.

상기에서와 2D 도면의 나타난 값을 토대로 2D 요소망을 생성하면 도 3과 같이 나타내어 진다. 이 요소망에는 각 설계 인자의 정보가 저장되어 있다.

도 4는 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법에서 설계인자와 2D 요소망의 정보가 저장되는 것을 나타낸 도면이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 저장된 설계 인자의 정보를 이용하면 내부적으로 가상의 기하학적인 곡선을 만들 수 있고, 이 곡선 위에 생성되어 있는 절점은 NODE SET으로 분리하여 설계 인자 변경 시 절점 이동 여부를 쉽게 판단할 수 있으며, 또한 ELEMENT SET을 통해 각 구성 부분의 폭과 높이, 두께 등의 정보를 이용해 가상 곡선 이외의 부분을 쉽게 수정할 수 있다.

도 5는 도 1에서 제 3 단계를 나타낸 흐름도이며, 도 6은 도 5를 통해 2D 요소망을 나타낸 도면이다.

먼저, 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법에서 설계 인자 선택은 2D 도면 설계 시 적용되는 기준에 따라 선택할 수 있다.

또한, 기본적인 설계 인자로는 도 2에 도시된 바와 같이 접지면의 반경과 폭, 벨트/비드 포인트 위치, 카카스 반경 등을 들 수 있다.

이때, 설계 인자는 변경 가능한 범위를 설정해 주어야 하며, 범위 내에서 몇 개를 선택할 지 제시해야 하고, 이 부분은 설계자의 판단에 따른다.

즉, 설계 인자(TW or TR etc)가 선택되고 범위 및 개수가 설정되면, 2D 요소망은 설계 기준에 맞게 자동으로 변경되며, 2D 요소망의 절점은 각 좌표를 저장하고 있기 때문에 설계 인자 값이 변경되면 내부적으로 각 절점 등이 변경된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계방법의 제 3 단계는 기존 설계 인자 및 요소망 정보를 저장하는 제 31 단계(ST51); 상기 제 31 단계 후 상기 기존 설계 인자값을 변경하고 이 변경된 인자값을 토대로 가상의 기하학적 곡선을 생성하는 제 32 단계(ST52); 상기 제 32 단계 후 상기 가상의 기하학적 곡선으로 절점을 이동시키고 설계 인자간의 종속성을 고려하여 요소망을 자동으로 조정하는 제 33 단계(ST53~ST54); 상기 제 33 단계 후 상기 설계인자값이 결정한 범위의 변경인지 판단하여 범위의 변경이 아니라면 다시 제 32 단계(ST52)를 수행하고 범위의 변경이라면 해당하는 i번째 요소망을 생성하는 제 34 단계(ST55~ST56)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

요소망 자동화 방법으로 설계 인자 변경에 따라 요소망이 자동으로 조정되고, 인자의 범위에 따라 여러 개의 설계안이 생성된다.

Mesh 자동화 방법은 먼저 기존 mesh는 설계 인자와 mesh 정보(좌표, 요소 정보, 요소 set 정보, 절점 정보, 절점 set 정보, 요소와 절점간의 연결성 등)를 가지고 있으므로 이를 저장한다(ST51).

다음으로 변경될 설계 인자가 선택되고, 설계자에 의해 범위와 값이 결정되고, 이렇게 결정된 설계 인자에 의해 내부적으로 가상의 기하학적 곡선이 생성된 다.(ST52)

상기 설계 인자와 연결된 절점은 길이에 맞게 스켈링(scaling) 된 후 가상의 곡선으로 움직인다(ST53).

상기 절점이 이동되면 설계 인자간의 종속성을 고려하여 내부 절점들이 이동하고 다음으로 설계 인자가 결정한 범위에 맞게 차례대로 mesh를 자동으로 조정한다(ST54).

이때 상기 설계인자값(예;OD, SW)이 순차적으로 한 개씩 변경되어 최종 요소망(메쉬)를 생성하는 방식으로 결정되는 범위의 변경인지 판단하여 범위의 변경이 아니라면 다시 기존 설계 인자값을 변경하고 이 변경된 인자값을 토대로 가상의 기하학적 곡선을 생성하여 그 다음을 수행하며, 범위의 변경이라면 해당하는 i번째 요소망을 생성한다(ST55~ST56). 여기서 범위의 변경이라 함은 예컨대 설계인자 OD가 변경되면 요소망(메쉬)이 수정되고, 다시 SW를 수정할 것인지를 판단한 후, 수정한다면 요소망(메쉬)를 재 변경하는 방식으로 정의되는 것을 말한다.

이렇게 변경된 2D mesh는 축대칭 회전되어 3D mesh로 바뀌고 유한요소해석을 수행한며, 유한요소해석을 통해 나온 결과(접지압 분포, 강성의 크기, 코드 인장력 등)를 분석한 후 만족되는 안이 존재하면 설계를 완료한다.

따라서, 본 발명은 기본적인 요소망(mesh) 모델을 이용하여 설계 변수를 설정하고, 설계 변수를 변경하면 타이어의 mesh 모델이 자동(Mesh Automation)으로 변경되도록 하여 설계 변수의 범위(경계 조건)를 설정하고 범위 내에 속하는 다양한 모델을 동시에 해석하여(Parametric Study), 보다 빨리 원하는 성능에 찾아갈 수 있도록 한다.

도 1은 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법을 나타낸 흐름도이다.

도 2는 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법에서 타이어를 2D로 나타낸 도면이다.

도 3은 도 2를 토대로 2D 요소망을 생성하여 나타낸 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법에서 설계인자와 2D 요소망의 정보가 저장되는 것을 나타낸 도면이다.

도 5는 도 1에서 제 3 단계를 나타낸 흐름도이다.

도 6은 도 5를 통해 2D 요소망을 나타낸 도면이다.

Claims (2)

1. 타이어 목표 성능을 컴퓨터에서 설정하고 CAD로 2D도면화하여 2D 요소망을 생성하는 제 1 단계(ST10~ST30)를 포함하는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법에 있어서,

   상기 2D 도면에서의 설계 인자 및 인자의 변경 범위를 선택하는 제 2 단계(ST40);

   상기 제 2 단계 후 선택한 설계인자 및 인자의 변경 범위에서 2D 요소망을 자동 변경하는 제 3 단계(ST50);

   상기 제 3 단계 후 변경된 2D 요소망을 축대칭으로 회전시켜 3D 요소망을 생성하여 유한요소해석을 수행하고 그 해석결과를 분석하는 제 4 단계(ST60~ST80); 및

   상기 제 4 단계 후 분석한 결과값이 설정된 상기 타이어 목표 성능과 비교하여 5 내지 20% 증가된지의 여부로 타이어 성능을 판단하여 만족하지 못하면 다시 제 2 단계(ST40)를 수행하고 만족스럽다면 설계를 완료하여 타이어를 제조하도록 하는 제 5 단계(ST90~ST100)로 이루어진 것을 특징으로 하는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 3 단계는

   기존 설계 인자 및 요소망 정보를 저장하는 제 31 단계(ST51);

   상기 제 31 단계 후 상기 기존 설계 인자값을 변경하고 이 변경된 인자값을 토대로 가상의 기하학적 곡선을 생성하는 제 32 단계(ST52);

   상기 제 32 단계 후 상기 가상의 기하학적 곡선으로 절점을 이동시키고 설계 인자간의 종속성을 고려하여 요소망을 자동으로 조정하는 제 33 단계(ST53~ST54);

   상기 제 33 단계 후 상기 설계인자값을 순차적으로 한 개씩 변경하여 최종 요소망을 생성하는 방식으로 결정하는 범위의 변경인지 판단하여 범위의 변경이 아니라면 다시 제 32 단계(ST52)를 수행하고 범위의 변경이라면 해당하는 i번째 요소망을 생성하는 제 34 단계(ST55~ST56)를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 타이어 성능 예측을 위한 타이어 설계 방법.

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