KR20200037400A

KR20200037400A - 자동차용 골격 부품

Info

Publication number: KR20200037400A
Application number: KR1020207007522A
Authority: KR
Inventors: 가즈히코 히가이; 다카노부 사이토; 요시키요 다마이
Original assignee: 제이에프이 스틸 가부시키가이샤
Priority date: 2017-09-29
Filing date: 2018-08-01
Publication date: 2020-04-08
Also published as: JP2019064569A; EP3689716A1; EP3689716A4; US11235812B2; JP6485560B1; EP3689716B1; KR102383816B1; WO2019064909A1; CN111132892A; US20200239081A1; MX2020003652A; CN111132892B

Abstract

본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품인 A 필러 로어 (1) 는, 평면에서 바라보았을 때 대략 T 자 형상이고, 그 대략 T 자 형상의 가로변 및 세로변에 상당하는 각각의 부위에 교차하는 단면이 천판부 (3a) 와 세로벽부 (3b) 와 플랜지부 (3c) 로 이루어지는 단면 해트 형상의 아우터 패널 (3) 과, 아우터 패널 (3) 의 플랜지부 (3c) 에 접합되어 아우터 패널 (3) 과의 사이에 폐단면을 형성하는 이너 패널 (5) 을 갖고, 이너 패널 (5) 과 아우터 패널 (3) 은 금속으로 이루어지는 것에 있어서, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이에 형성되는 공간 내에, 일단이 아우터 패널 (3) 의 내면 (3d) 에, 타단이 이너 패널 (5) 의 내면 (5a) 에 각각 접합된 수지제의 복수의 보강 부재 (7) 를 갖고, 보강 부재 (7) 의 형상 및 배치는, 형상 최적화 해석 방법에 의한 해석 결과에 기초하여 설정되고, 보강 부재 (7) 의 형상은, 기둥상 또는 양 단부가 팽륭되는 기둥상을 갖는 것이다.

Description

자동차용 골격 부품

본 발명은 금속으로 이루어지는 자동차용 골격 부품 (automotive frame parts) 에 관한 것으로, 특히, 아우터 패널 (outer panel) 과 이너 패널 (inner panel) 에 의해 형성된 공간 내에 수지제의 보강 부재 (stiffening member) 가 형성되어 있는 A 필러 로어 (pillar-lower) 부품 (parts) 인 자동차용 골격 부품에 관한 것이다.

자동차의 금속으로 이루어지는 골격 부품의 경량화 (weight reduction) 방법에 관해서 많은 기술이 존재한다. 예를 들어, 초고장력 강판 (ultra high-tensile steel sheet) 을 적용한 박육화, 강판으로부터 알루미늄판으로의 소재 치환 등이 있다. 강판으로부터 알루미늄화되는 프레스 부품 (press formed part) 은 해마다 증가하는 경향이 있기는 하지만, 소재 (base metal sheet) 비용의 상승은 피할 수 없는 점에서, 최근에는 주변의 복수 부품을 받아들인 형상 부품을 알루미늄 다이 캐스트 (aluminum die cast) 법으로 제조하여, 금형 (tool for press forming) 비용 등의 삭감에 의해 비용 저감을 도모하는 방법이 적용되고 있다.

알루미늄 다이 캐스트법으로 자동차의 골격 부품을 제조하는 기술로서, 예를 들어 특허문헌 1 에는, 특정 형상을 갖는 리브 (rib) 가 형성되어 있는 알루미늄 다이 캐스트제의 차량용 C 필러가 개시되어 있다.

일본 공개특허공보 2008-247347호

알루미늄의 비중 (specific gravity) 은 강의 대략 3 분의 1 이기 때문에 경량인 한편, 영률 (Young's modulus) 도 강과 비교해서 대략 3 분의 1 인 점에서, 종래와 동등한 부품의 강성 (stiffness) 을 확보하기 위해, 알루미늄제 부품은 강판제 부품 이상의 판두께 확보나 리브 구조의 부여와 같은 중량 증가의 요인이 되는 대응을 취할 필요가 있다. 그 때문에, 부품의 생산성의 저하나 비용 증가 등, 경량화 효과를 저해한다는 문제가 있었다. 또, 알루미늄 다이 캐스트제의 부품은 일반적으로 스폿 용접 (spot welding) 이 곤란하기 때문에 기계적 체결 (mechanical fastening) 이 필수가 되어, 종래의 자동차 조립 라인에서의 조립이 곤란해지는 과제가 있었다.

이와 같이, 알루미늄제의 자동차용 골격 부품은 그 낮은 영률 때문에, 알루미늄이 저비중인 것의 유효성을 충분히 다 활용할 수 없어, 충분히 경량화를 달성할 수 없다.

또, A 필러 로어 부품은 자동차의 내충돌 특성 (crash worthiness) 에 있어서, 최근 주목받고 있는 전방 기울어짐 충돌 (crash) 에 있어서 중요 부품이다. 그 때문에, 강성의 확보와 경량화의 쌍방을 만족시키는 A 필러 로어 부품이 요망되고 있었다.

또한, 아우터 패널과 이너 패널로 이루어지는 자동차용 골격 부품을 보강하는 경우, 일반적으로, 아우터 패널과 이너 패널을 연결하는 것을 목적으로 하여 금속제의 벌크 헤드 (bulkhead) 등의 격벽 부품을 넣는 경우가 많은데, 이것들은 큰 부품이 되기 때문에 중량이 늘어나, 경량이라고는 할 수 없다. 또, 아우터 패널과 이너 패널로 형성되는 공간 내에 발포 수지 (foaming resin) 등을 전체적으로 주입하는 방법도 있지만, 발포 수지 자체의 강성이 낮기 때문에 충전하는 것만으로는 큰 강성 향상은 기대할 수 없고, 발포 수지를 골격 부품 내의 전체에 주입할 필요가 있어, 충전 상태의 확인이 어렵기 때문에 보수성에 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, 강성을 확보하면서 경량화할 수 있는 자동차용 골격 부품을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품은, 평면에서 바라보았을 때 대략 T 자 형상이고, 그 대략 T 자 형상의 가로변 및 세로변에 상당하는 각각의 부위에 교차하는 단면이 천판부 (top portion) 와 세로벽부 (side wall portion) 와 플랜지부 (flange portion) 로 이루어지는 단면 해트 형상의 아우터 패널과, 그 아우터 패널의 플랜지부에 접합되어 그 아우터 패널과의 사이에 폐단면 (閉斷面) 을 형성하는 이너 패널을 갖고, 그 이너 패널과 상기 아우터 패널은 금속으로 이루어지는 A 필러 로어 부품인 자동차용 골격 부품으로서, 상기 아우터 패널과 상기 이너 패널 사이에 형성되는 공간 내에, 일단이 상기 아우터 패널의 내면에, 타단이 상기 이너 패널의 내면에 각각 접합된 수지제의 복수의 보강 부재를 갖고, 그 보강 부재의 형상 및 배치는, 형상 최적화 해석 방법에 의한 해석 결과에 기초하여 설정되고, 상기 보강 부재의 형상은, 기둥상 (columnar) 또는 양 단부가 팽륭 (膨隆) (bulging) 되는 기둥상을 갖는 것인 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품은, 상기 발명에 있어서, 상기 형상 최적화 (shape optimization) 해석 방법은, 토폴로지 최적화 (topology optimization) 의 밀도법 (solid isotropic material with penalization method) 을 이용하여, 강성이 최대가 되는 목적 조건 (objective function) 을 설정하고, 체적 제약률 (volume constraints rate) 을 3 ∼ 40 ％ 의 범위로부터 설정하는 제약 조건 (constraint function) 하에 해석하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품은, 상기 발명에 있어서, 상기 A 필러 로어 부품인 자동차용 골격 부품은, 로커 (locker) 의 선단부가 접속되는 로커 접속부를 갖고, 상기 보강 부재는, 상기 공간 내에 있어서의 상기 로커 접속부와, 상기 A 필러 로어 부품의 높이 방향 중앙부보다 상부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품은, 상기 발명에 있어서, 상기 형상 최적화 해석 방법은, 토폴로지 최적화의 밀도법을 이용하여, 체적을 최소로 하여 강성이 최대가 되는 목적 조건을 설정하고, 소정의 변위량을 설정하는 제약 조건하에 해석하는 것을 특징으로 하는 것이다.

본 발명에 있어서는, 평면에서 바라보았을 때 대략 T 자 형상이고, 그 대략 T 자 형상의 가로변 및 세로변에 상당하는 각각의 부위에 교차하는 단면이 천판부와 세로벽부와 플랜지부로 이루어지는 단면 해트 형상의 아우터 패널과, 그 아우터 패널의 플랜지부에 접합되어 그 아우터 패널과의 사이에 폐단면을 형성하는 이너 패널을 갖고, 그 이너 패널과 상기 아우터 패널은 금속으로 이루어지는 A 필러 로어 부품인 자동차용 골격 부품으로서, 상기 아우터 패널과 상기 이너 패널 사이에 형성되는 공간 내에, 일단이 상기 아우터 패널의 내면에, 타단이 상기 이너 패널의 내면에 각각 접합된 수지제의 복수의 보강 부재를 갖고, 그 보강 부재의 형상 및 배치는, 형상 최적화 해석 방법에 의한 해석 결과에 기초하여 설정되고, 상기 보강 부재의 형상은, 기둥상 또는 양 단부가 팽륭되는 기둥상을 가짐으로써, 그 자동차용 골격 부품에 하중이 작용했을 때의 변형을 저감시켜, 그 자동차용 골격 부품의 강성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 강성을 유지한 채 자동차용 골격 부품을 경량화할 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품의 사시도이다.
도 2 는, 본 발명의 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품의 측면도이다.
도 3 은, 본 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품에 사용되는 아우터 패널 및 이너 패널의 사시도이다.
도 4 는, 본 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품에 사용되는 아우터 패널 및 이너 패널의 측면도이다.
도 5 는, 본 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품에 있어서, 보강 부재의 형상 최적화 해석의 처리의 흐름을 나타내는 플로차트를 나타내는 도면이다.
도 6 은, 본 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품에 있어서, 보강 부재의 형상 최적화 해석에 있어서의 해석 조건의 일례를 나타내는 도면이다.
도 7 은, 본 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품에 있어서, 보강 부재의 형상 최적화 해석의 해석 결과의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 8 은, 본 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품에 있어서, 보강 부재의 형상 최적화 해석의 해석 결과의 일례를 나타내는 측면도이다.
도 9 는, 실시예 1 에 있어서, 비교 대상으로 한 비교예 1 및 비교예 3 의 자동차용 골격 부품의 사시도이다.
도 10 은, 실시예 1 에 있어서, 비교 대상으로 한 비교예 1 및 비교예 3 에 관련된 자동차용 골격 부품의 측면도이다.
도 11 은, 실시예 1 에 있어서, 비교 대상으로 한 비교예 1 및 비교예 3 에 관련된 자동차용 골격 부품을 설명하는 도면이다.
도 12 는, 실시예 1 에 있어서, 비교 대상으로 한 비교예 2 에 관련된 자동차용 골격 부품에 사용한 아우터 패널의 사시도이다.
도 13 은, 실시예 1 에 있어서, 비교 대상으로 한 비교예 2 에 관련된 자동차용 골격 부품의 측면도이다.
도 14 는, 실시예 1 에 있어서, 비교 대상으로 한 비교예 2 에 관련된 자동차용 골격 부품을 설명하는 도면이다.
도 15 는, 본 발명의 실시형태의 다른 양태에 관련된 자동차용 골격 부품의 측면도이다.
도 16 은, 본 발명의 실시형태의 다른 양태에 관련된 자동차용 골격 부품의 사시도이다.
도 17 은, 본 실시형태의 다른 양태에 관련된 자동차용 골격 부품에 있어서, 보강 부재의 형상 최적화 해석의 해석 결과의 일례를 나타내는 사시도이다.
도 18 은, 실시예 2 에 있어서, 보강 부재의 형상 최적화 해석에 있어서의 하중ㆍ구속 조건 (load and constraint condition) (a) 와, 강성 평가에 있어서의 변위 (displacement) 측정점 (b) 를 설명하는 도면이다.
도 19 는, 실시예 2 에 있어서, 발명예 1 및 발명예 2 에 관련된 자동차용 골격 부품의 사시도이다.
도 20 은, 실시예 2 에 있어서, 발명예 13 에 관련된 자동차용 골격 부품의 측면도이다.
도 21 은, 실시예 2 에 있어서, 종래의 자동차용 골격 부품을 기준으로 한 강성 향상률 (improvement rate of stiffness) 과 중량 변화의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 22 는, 실시예 2 에 있어서, 종래의 자동차용 골격 부품을 기준으로 한 중량당 강성 향상률의 결과를 나타내는 그래프이다.

본 발명의 실시형태에 관련된 A 필러 로어 부품에 대하여, 도 1 및 도 2 에 기초하여 이하에 설명한다.

본 실시형태에 관련된 도 1 및 도 2 에 나타내는 A 필러 로어 (1) (도 1 의 시야 F (A 필러 로어 (1) 의 후부측에서 본 시야)) 는, 평면에서 바라보았을 때 대략 T 자 형상의 아우터 패널 (3) 과, 아우터 패널 (3) 의 플랜지부 (3c) 에 접합되어 아우터 패널 (3) 사이에 폐단면을 형성하는 이너 패널 (5) 을 갖는 자동차용 골격 부품으로서, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이에 형성되는 공간 내에, 일단이 아우터 패널 (3) 의 내면 (3d) 에, 타단이 이너 패널 (5) 의 내면 (5a) 에 각각 접합된 복수의 보강 부재 (7) 를 갖고, 보강 부재 (7) 의 형상 및 배치는, 형상 최적화 해석 방법에 의한 해석 결과에 기초하여 설정되며, 보강 부재 (7) 의 형상은, 양 단부가 팽륭되는 기둥상을 갖는 것이다.

이하, 각 구성에 대하여 설명한다. 또한, 도면 중에 나타나 있는 좌표축은, A 필러 로어 (1) 를 자동차에 장착했을 때의 배치를 나타내는 것으로, X 축은 자동차 (automobile) 의 전후 방향, Y 축은 자동차의 상하 방향, Z 축은 자동차의 폭 방향을 나타낸다.

＜아우터 패널＞

금속으로 이루어지는 아우터 패널 (3) 은, 도 1 에 나타내는 바와 같이, 평면에서 바라보았을 때 대략 T 자 형상이고, 그 대략 T 자 형상의 가로변에 상당하는 부위 (도 1 중의 부위 P 및 부위 Q) 와, 세로변에 상당하는 부위 (도 1 중의 부위 R) 를 갖는 것이다.

부위 P 는, 아우터 패널 (3) 의 상부에 있어서 자동차의 전방 (도면 중의 X 축 마이너스 방향) 으로 연장되고, 그 자동차의 전부 (前部) 에 형성되는 다른 자동차용 골격 부품에 접속된다.

부위 Q 는, 아우터 패널 (3) 의 상부에 있어서 자동차의 후측 상방 (도면 중의 X 축 플러스 방향 및 Y 축 플러스 방향) 으로 연장되고, A 필러 어퍼 (도시 없음) 에 접속된다.

부위 R 은, 상기 대략 T 자 형상의 가로변으로부터 자동차의 하방 (도면 중의 Y 축 마이너스 방향) 으로 연장되어 있다. 또한, 부위 R 의 하단부는, 자동차의 후방 (X 축 플러스 방향) 을 향하여 L 자 형상으로 만곡되고, 로커 (도시 없음) 에 접속된다.

그리고, 부위 P, 부위 Q 및 부위 R 에 교차하는 단면은, 모두 천판부 (3a) 와 세로벽부 (3b) 와 플랜지부 (3c) 로 이루어지는 단면 해트 형상이다. 또한, 단면 해트 형상의 아우터 패널 (3) 은, 예를 들어, 강판이나 알루미늄판을 프레스 성형함으로써 제조할 수 있다. 혹은 알루미늄 다이 캐스트와 같은 주조 (casting) 에 의해 제조 가능하다.

＜이너 패널＞

금속으로 이루어지는 이너 패널 (5) 은, 아우터 패널 (3) 의 플랜지부 (3c) 에 접합되어 (도 3 및 도 4 참조), 아우터 패널 (3) 과의 사이에 폐단면을 형성한다.

폐단면은, 아우터 패널 (3) 의 천판부 (3a) 및 세로벽부 (3b) 와 이너 패널 (5) 의 내면 (5a) 으로 둘러싸여 형성된 것이고, 이로써, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이에 공간이 형성된다.

또한, 아우터 패널 (3) 과 마찬가지로, 이너 패널 (5) 은, 예를 들어 강판이나 알루미늄판을 프레스 성형함으로써 제조할 수 있다. 혹은 알루미늄 다이 캐스트와 같은 주조에 의해 제조 가능하다.

＜보강 부재＞

보강 부재 (7) 는, 도 2 에 나타내는 바와 같이, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이에 형성된 공간 내에 있어서, 일단이 아우터 패널 (3) 의 내면 (3d) 에, 타단이 이너 패널 (5) 의 내면 (5a) 에 각각 접합된 것으로, 복수의 보강 부재 (7) 가 형성되어 있다.

보강 부재 (7) 의 형상은, 양 단부가 팽륭되는 기둥상을 갖는 것이며, 그 팽륭된 일단이 아우터 패널 (3) 의 내면 (3d) 에, 타단이 이너 패널 (5) 의 내면 (5a) 에 접합되어 있다.

보강 부재 (7) 의 형상 및 배치는, 후술하는 형상 최적화 해석의 해석 결과에 기초하여 설정된 것이며, 보강 부재 (7) 의 형상 및 배치가 이와 같이 설정됨으로써, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 에 의해 형성되는 공간 내에 브리지 구조 (bridge structure) 가 형성된다.

또한, 보강 부재 (7) 의 형상인 양 단부가 팽륭되는 기둥상으로는, 예를 들어, 도 2(b) 에 나타내는 바와 같이, 원기둥상 (도 2(c)) 또는 단면이 편평한 원기둥상 (도 2(d)) 으로서, 길이 방향의 중앙부가 가늘고, 그 중앙부로부터 양단을 향하여 팽륭되는 대퇴골상 (femur-shaped) 을 들 수 있다.

다만 보강 부재 (7) 의 형상은, 도 2(b) 에 나타내는 형상에 한정되는 것은 아니고, 기둥상만이어도 되고, 도 2(e) 에 나타내는 바와 같이, 가늘고 긴 기둥상의 일단측 쪽이 보다 크게 팽륭되어 있는 보강 부재 (7a) 나, 중앙부가 짧고 가늘게 잘록해져 있는 보강 부재 (7b) 와 같은 것이어도 된다. 또한, 기둥상의 중앙부의 단면은, 도 2(c), (d) 에 나타내는 바와 같이 원 형상이나 편평원 형상 등에 한정되는 것은 아니고, 삼각형이나 사각형과 같은 다각형이어도 된다.

또한, 보강 부재 (7) 의 재질에 관해서는, 여러 가지 형상으로 가공하는 것의 용이함에 더하여 중량의 관점에서, 수지 (경질 플라스틱, 섬유 강화 수지 (fiber-reinforced plastic) 등) 로 하고, 특히, 섬유 강화 수지인 CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics ; 탄소 섬유 강화 수지) 나 GFRP (Glass Fiber Reinforced Plastics ; 유리 섬유 강화 수지) 는, 강성 향상의 면에서 보다 바람직하다.

그리고, 수지제의 보강 부재 (7) 는, 형상 최적화 해석으로 얻어진 해석 결과에 기초하여, 예를 들어 사출 성형 (injection molding) 에 의해 제조할 수 있는데, 보강 부재 (7) 의 제조 방법은 사출 성형에 한정하는 것은 아니다.

또, 보강 부재 (7) 와 아우터 패널 (3) 및 이너 패널 (5) 은, 접착 (adhesive) 또는 기계적 체결에 의해 접합할 수 있다.

＜형상 최적화 해석 방법＞

다음으로, 보강 부재 (7) 의 형상 및 위치를 설정하는 형상 최적화 해석 방법에 대하여 설명한다.

형상 최적화 해석 방법이란, 미리 소정의 형상을 상정하고, 그 소정의 형상을 전제로 하여 최적의 형상을 구하는 것이 아니라, 소정의 형상을 상정하지 않고, 주어진 해석 조건을 만족시키는 최적의 형상을 토폴로지 최적화 등에 의해 구하는 것이다.

또, 토폴로지 최적화란, 어느 정도 크기의 설계 공간을 마련하고, 당해 설계 공간에 입체 요소를 끼워 넣고, 주어진 해석 조건을 만족시키면서 필요 최소한의 입체 요소 (three-dimensional element) 를 남김으로써 당해 해석 조건을 만족시키는 최적 형상을 얻는다고 하는 방법이다. 토폴로지 최적화에 있어서는, 설계 공간을 이루는 입체 요소에 직접 구속을 실시하여, 직접 하중을 가한다고 하는 방법이 이용된다.

본 발명의 실시형태에 있어서는, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이에 형성되는 공간 내에 수지제의 보강 부재를 설정함으로써 A 필러 로어 (1) 의 강성을 향상시키기 때문에, 상기 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이의 공간을 상기 보강 부재로 메운 것을 해석 대상으로 하여 형상 최적화 해석을 실시하고, 그 최적화 해석에 의해 불필요한 부분을 제거한 해석 결과에 기초하여 최적의 형상의 보강 부재 (7) 를 설정한다.

여기에서, 형상 최적화 해석은, 도 5 에 나타내는 스텝 S1 내지 스텝 S9 를 실행함으로써 실시할 수 있다. 이하, 도 5 에 나타내는 각 스텝에 있어서의 처리에 대하여 설명한다. 또한, 스텝 S1 내지 스텝 S9 는, 컴퓨터 상에서 실행할 수 있다.

≪구조체 모델 취득 스텝≫

구조체 모델 취득 스텝 S1 은, 평면 요소 및/또는 입체 요소를 사용하여 자동차용 골격 부품을 모델화한 구조체 모델 (structural model) 을 취득하는 스텝이다.

본 실시형태에 있어서, 구조체 모델은, 보강 부재 (7) 를 설정함으로써 보강하는 자동차용 골격 부품인 A 필러 로어 (1) (도 1 및 도 2 참조) 를 대상으로 한 것이다.

≪보강 부재 모델 생성 스텝≫

보강 부재 모델 생성 스텝 S3 은, 입체 요소로 이루어지고 상기 구조체 모델과 결합하는 보강 부재 모델 (도시 없음) 을 생성하는 스텝이다.

본 실시형태에 있어서, 상기 보강 부재 모델은, 도 2 에 나타내는 바와 같은 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 로 형성되는 공간을 메우도록 복수의 입체 요소를 생성한다.

이와 같이 생성된 보강 부재 모델은, 후술하는 최적화 해석 모델 생성 스텝 S7 에 있어서의 최적화 해석의 대상이 되는 것으로, 최적화 해석의 과정에 있어서, 보강에 불필요한 부위에 위치하는 입체 요소는 소거되어, 보강에 필요해지는 부위에 위치하는 입체 요소가 잔존한다.

≪재료 특성 (material property) 설정 스텝≫

재료 특성 설정 스텝 S5 는, 보강 부재 모델 생성 스텝 S3 에 있어서 생성한 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하는 스텝이다.

본 발명에서는, 수지제의 보강 부재를 대상으로 하고 있기 때문에, 재료 특성 설정 스텝 S5 에 있어서 상기 보강 부재 모델에 설정하는 재료 특성으로는, 수지의 영률, 푸아송비 (Poisson's ratio) 및 비중 등을 들 수 있다.

또한, 상기 보강 부재가, 예를 들어 FRP (Fiber Reinforced Plastics ; 섬유 강화 수지) 와 같이 그 재료 특성이 면내 이방성 (in-plane anisotropy) 을 갖는 수지인 경우에는, 이방성을 고려하여 보강 부재 모델의 재료 특성을 설정하면 된다.

≪최적화 해석 모델 생성 스텝≫

최적화 해석 모델 생성 스텝 S7 은, 보강 부재 모델 생성 스텝 S3 에 있어서 생성한 보강 부재 모델을 상기 구조체 모델에 결합하여 최적화 해석 모델 (도시 없음) 을 생성하는 것이다.

구조체 모델과 보강 부재 모델의 결합은, 예를 들어, 구조체 모델이 평면 요소 (two-dimensional element) 에 의해 모델화되어 있는 경우, 보강 부재 모델을 구성하는 입체 요소의 노드 (절점) (node) 와 구조체 모델의 평면 요소의 노드를 공유함으로써 실시할 수 있다.

다만 구조체 모델과 보강 부재 모델의 결합은, 상기의 노드 공유에 한정되는 것은 아니고, 강체 요소 (rigid element), 빔 요소 (beam element), 평면 요소 등을 개재하여 구조체 모델과 보강 부재 모델을 결합하는 것이어도 되고, 어느 것에 있어서나 형상 최적화 해석에 있어서 구조체 모델과 보강 부재 모델 사이에서 하중 (load) 이 전달되도록 결합하는 것이면 된다.

≪최적화 해석 스텝≫

최적화 해석 스텝 S9 는, 최적화 해석 모델 생성 스텝 S7 에 있어서 생성한 최적화 해석 모델에 해석 조건을 부여하고, 상기 보강 부재 모델을 대상으로 하여 최적화 해석을 실시하여, 그 보강 부재 모델의 최적 형상을 구하는 스텝이다.

최적화 해석 모델에 부여하는 해석 조건으로는, 하중을 부가하는 위치나 구속 위치를 부여하는 하중ㆍ구속 조건과, 최적화 해석의 목적에 따라 설정하는 목적 조건 및 제약 조건이 있다.

목적 조건인 자동차용 골격 부품의 강성을 평가하기 위해서는, 여러 하중의 입력 조건을 생각할 수 있지만, 자동차용 골격 부품을 설치하는 자동차의 강성을 여러 가지로 평가한 결과, 최적화 해석 스텝 S9 에 있어서는, 미리 구해 둔 실제 주행시에 변위가 가장 커지는 하중을 입력 조건으로서 부여하고, 그 하중 입력 조건하에서 보강 부재 모델의 최적의 형상 및 위치를 구하는 것으로 하였다.

최적화 해석 모델에 부여하는 하중ㆍ구속 조건의 일례를, 도 6 에 나타낸다. 도 6 은, 하중 (1000 N) 을 부하하는 위치와 구속하는 위치를, 아우터 패널 (3) 상에 표시한 것인데, 최적화 해석 스텝 S9 에서는, A 필러 로어의 아우터 패널 (3) 및 이너 패널 (5) 을 모델화한 구조체 모델에 보강 부재 모델을 결합한 최적화 해석 모델에 하중ㆍ구속 조건을 부여하여 최적화 해석을 실시한다.

본 실시형태에서는, A 필러 로어의 프론트 엔드부 (도 6 중에 있어서의 아우터 패널 (3) 의 부위 P 에 상당) 의 선단부에 연직 방향 하향으로 1000 N 의 하중을 부하하여, A 필러 로어와 로커 (도시 없음) 가 접속하는 접속부의 바닥면 (도 6 에 있어서 타원으로 둘러싼 부위에 상당) 을 완전 구속하는 하중ㆍ구속 조건을 부여하는 것으로 하였다.

또한 본 실시형태에서는, 최적화 해석의 목적 조건으로서 평가 위치에 있어서의 강성을 최대, 제약 조건으로서 보강 부재 모델의 체적 제약률을 부여하였다. 또한, 보강 부재 (7) 에 의한 중량 증가와 A 필러 로어 (1) 의 박육화 (thinning) 에 의한 경량화를 고려하여, 체적 제약률은 3 ∼ 40 ％ 의 범위에서 선택하면 된다.

이와 같이, 해석 조건으로서 하중ㆍ구속 조건과 목적 조건 및 제약 조건을 부여하여 최적화 해석을 실시함으로써, 도 7 및 도 8 에 나타내는 바와 같은 보강 부재 모델의 최적 형상 (9) 이 해석 결과로서 얻어진다.

여기에서, 도 8 은, 도 7 에 나타내는 시야 F 의 방향에서 표시한 것으로, 자동차의 전후 방향 (X 축) 에 있어서의 아우터 패널 (3) 의 후부측 (도 8 의 지면 바로 앞) 을 자동차의 폭 방향 실내측 (Z 축의 플러스 방향) 으로 기울인 상태에서 (도 8 의 X 축 방향을 참조), 아우터 패널 (3) 의 후부가 표시되어 있다.

전술한 바와 같이, 도 1 및 도 2 에 나타내는 보강 부재 (7) 는, 형상 최적화 해석의 해석 결과인 보강 부재 모델의 최적 형상 (9) 에 기초하여 설정된 것으로, 최적 형상 (9) 은, 아우터 패널과 이너 패널 사이에 형성된 공간 내에 기둥상으로 잔존한 입체 요소로 이루어진다. 그리고, 최적 형상 (9) 에 기초하여 형상과 위치가 설정된 보강 부재 (7) 에 의해 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이의 공간 내에 브리지 구조가 형성되어, 중앙부가 가늘고, 아우터 패널 (3) 및 이너 패널 (5) 과 접합하는 양단을 향하여 팽륭되는 원기둥상 또는 그 단면이 편평 한 원기둥인 대퇴골상의 형상을 이루어 A 필러 로어 (1) 의 강성이 향상된다.

또한, 최적화 해석 스텝 S9 에 있어서의 최적화 해석에는, 토폴로지 최적화를 적용할 수 있다. 또한, 토폴로지 최적화에 있어서 밀도법을 적용하는 경우, 요소의 패널티 계수 (penalty coefficient) 를 2 이상으로 설정하여 이산화 (discretization) 를 실시하도록 하는 것이 바람직하다.

다만, 최적화 해석 스텝 S9 에 있어서의 최적화 해석에는, 다른 계산 방식에 의해 최적화의 해석 처리를 적용할 수 있다. 최적화의 해석 처리를 실시하는 것으로는, 예를 들어, 시판되고 있는 유한 요소법 (finite element method) 을 이용한 해석 소프트를 사용할 수 있다.

이상, 본 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품에 의하면, 아우터 패널과 이너 패널 사이에 형성된 공간에, 형상 최적화 해석에 의한 해석 결과에 기초하여 형상과 배치가 설정된 수지제의 보강 부재를 형성함으로써, 그 자동차용 골격 부품에 하중이 작용했을 때의 변형을 저감시켜, 그 자동차용 골격 부품의 강성을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 실시형태에 관련된 자동차용 골격 부품에 의하면, 아우터 패널과 이너 패널 사이에 형성된 공간에 보강 부재를 형성함과 함께, 상기 아우터 패널과 이너 패널의 판두께를 줄임으로써, 강성을 유지한 채 경량화할 수 있다. 이 점에 대해서는 후술하는 실시예 1 에서 실증한다.

또, 본 실시형태에 관련된 A 필러 로어 (1) 는, 평가 위치에 있어서의 강성을 최대로 하는 목적 조건을 설정하고, 체적 제약률을 설정하는 제약 조건하에 형상 최적화 해석을 실시한 결과에 기초하여, 도 1 및 도 2 에 나타내는 형상 및 배치의 보강 부재 (7) 를 설정한 것이었는데, 본 실시형태에 관련된 A 필러 로어인 자동차용 골격 부품의 다른 양태로는, 도 15 및 도 16 에 일례로서 나타내는 형상과 배치의 보강 부재 (33) 를 설정한 A 필러 로어 (31) 여도 된다.

도 15 및 도 16 에 나타내는 보강 부재 (33) 는, 형상 최적화 해석 방법으로서 토폴로지 최적화의 밀도법을 이용하여, 보강 부재 모델의 체적을 최소로 하여 강성이 최대가 되는 목적 조건을 설정하고, 평가 위치에 있어서의 소정의 변위량을 설정하는 제약 조건을 부여하여 구한 보강 부재 모델의 최적 형상 (41) (도 17) 에 기초하여 형상과 배치를 설정한 것이다. 또한, 도 17(a) 는, 보강 부재 (33) 를 배치한 아우터 패널 (3) 을 평면에서 바라본 것이고, 도 17(b) 는, 도 17(b) 의 시야 G 의 방향으로부터 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 로 형성되는 공간 내를 표시한 것이다.

또, 도 17 에 나타내는 보강 부재 모델의 최적 형상 (41) 은, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이에 형성된 공간 내에 기둥상으로 잔존한 기둥상부 (43) 와, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 을 접합하는 플랜지부에 잔존한 플랜지 잔존부 (45) (도면의 점상 부분) 를 갖는다. 또한, 기둥상부 (43) 는, 상기 공간 내에 있어서의 상기 로커 접속부에 있는 기둥상부 (43a) 와, A 필러 로어 (31) 의 높이 방향 중앙부보다 상부에 있는 기둥상부 (43b) 를 갖는다.

그래서, A 필러 로어 (31) 는, 최적 형상 (41) 의 기둥상부 (43a) 에 기초하여, 도 15 에 나타내는 바와 같이, 로커 접속부에 보강 부재 (33a) 가 배치되고, 기둥상부 (43b) 에 기초하여 A 필러 로어 (31) 의 높이 방향 중앙부의 상부에 보강 부재 (33b) 가 배치되어 있다. 또한, 최적 형상 (41) 에 있어서의 기둥상부 (43) 는, 도 17(b) 에 나타내는 바와 같이 양 단부가 팽륭된 형상은 아니기 때문에, 보강 부재 (33) 는, 설치성 및 그 자체의 내구성을 갖게 하기 위해, 도 16 에 나타내는 바와 같이 양 단부를 넓힌 (팽륭된) 기둥상인 덤벨상 (dumbbell-like) 으로 하고 있다.

전술한 바와 같이, 자동차용 골격 부품을 보강할 때에, 함부로 보강 부품으로서 격벽 구조를 형성하는 것은 중량 증가로 이어져 바람직하지 않다. 자동차용 골격 부품에 하중이 입력되는 경우, 그 자동차용 골격 부품의 변형에는 변형되기 쉬운 포인트가 되는 지점이 있고, 당해 지점에 보강 부재를 배치하여 누름으로써, 자동차용 골격 부품 전체의 중량 증가를 억제하여 강성을 높이는 것이 가능해진다. 특히, A 필러 로어 (31) 의 높이 방향 중앙부의 상부는, 하중을 입력하여 변형시켰을 때에 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 이 차체 폭 방향으로 가장 부풀어 오르기 쉬운 지점이라고 생각할 수 있다. 그 때문에, 형상 최적화 해석에 의해, A 필러 로어 (31) 의 높이 방향 중앙부의 상부에 기둥상부 (43b) 가 잔존하는 결과가 얻어진 것으로 추찰된다.

이상과 같이, 하중이 입력되었을 때의 변형에 가장 중요한 지점에 덤벨상의 보강 부재 (33) 를 배치함으로써, 보강 부재를 배치함에 따른 중량 증가를 초래하지 않고 강성을 향상시킬 수 있으며, 또한, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 을 박육화 (판두께를 감소) 하여 경량화하는 경우라 하더라도 고강성을 달성할 수 있다. 또한, 도 15 및 도 16 에 나타내는 보강 부재 (33) 의 형상과 배치의 설정에 관련된 형상 최적화 해석 방법과, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 의 판두께를 감소시킨 경우에 있어서의 보강 부재 (33) 에 따른 강성 향상과 경량화에 대해서는, 후술하는 실시예 2 에서 설명한다.

실시예 1

본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품에 의해, 강성의 향상 및 경량화의 효과를 검증하는 실험을 실시하였으므로, 이하, 이에 대하여 설명한다.

본 실시예 1 에서는, 자동차용 골격 부품으로서, 도 7 및 도 8 에 나타내는 보강 부재 모델의 최적 형상 (9) 에 기초하여 도 1 및 도 2 에 나타내는 보강 부재 (7) 를 설정한 A 필러 로어 (1) 를 발명예로 하여, A 필러 로어 (1) 의 강성과 경량화를 평가하였다.

발명예 1 에 관련된 A 필러 로어 (1) 는, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 을 접합하여 이루어지는 것으로, 아우터 패널 (3) 및 이너 패널 (5) 은, 인장 강도 (tensile strength) 440 ㎫ 급, 판두께 1.0 ㎜ 의 합금화 용융 아연 도금 강판 (hot-dip galvannealed steel sheet) 을 프레스 성형함으로써 제조하였다.

보강 부재 (7) (도 2) 는, 전술한 실시형태에서 서술한 형상 최적화 해석 방법 (도 5 참조) 에 의해 얻어진 해석 결과 (최적 형상 (9), 도 7, 도 8) 에 기초하여 형상 및 위치가 설정된 것으로, 사출 성형에 의해 제조하고, 재질은, 유리 섬유 강화 수지 (glass fiber reinforced plastic) 로 하였다 (유리 파이버 강화 나일론, 유리 파이버 함유율 25 ％, 탄성률 7 ㎬).

또한, 형상 최적화 해석에 있어서의 제약 조건으로서, 토폴로지 잔존율 (체적 제약률) 은 5 ％ 로 하였다.

또, 발명예 1 과 동일한 보강 부재 (7) 를 사용하여, 아우터 패널 (3) 을 2.0 ㎜ 의 알루미늄 다이 캐스트제로 하고, 이너 패널 (5) 을 인장 강도 440 ㎫ 급, 판두께 1.0 ㎜ 의 합금화 용융 아연 도금 강판의 프레스 성형품으로 한 것을 발명예 2 로 하였다.

또, 본 실시예 1 에서는, 비교 대상으로서, 도 9 ∼ 도 11 에 나타내는 바와 같이, 알루미늄 다이 캐스트로 제조한 아우터 패널 (13) 과 이너 패널 (5) 로 이루어지고, 아우터 패널 (13) 에 보강 부재로서 리브 (15) 가 형성되어 있는 A 필러 로어 (11) 를 비교예 1, 도 12 ∼ 도 14 에 나타내는 바와 같이, 발명예와 마찬가지로 인장 강도 440 ㎫ 급의 강판을 프레스 성형하여 제조한 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 로 이루어지고 보강 부재를 형성하지 않은 A 필러 로어 (21) 를 비교예 2 로 하였다. 또한, 비교예 1 의 리브 (15) 는, 차량 (automotive body) 길이 방향, 높이 방향, 차폭 방향으로 아우터 패널 (3) 의 깊이 미만의 리브 높이로 하고, 리브 (15) 의 배치 위치는 시판되는 실차를 참조하였다.

또한, 비교예 2 와 마찬가지로 강판을 프레스 성형한 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 로 이루어지고, 비교예 1 의 아우터 패널 (13) 에 형성되어 있는 알루미늄의 리브 (15) 와 동일 형상의 수지 부재가 아우터 패널 (3) 에 접착되어 있는 A 필러 로어 (도 9 ∼ 도 11 참조) 를 비교예 3 으로 하고, 비교예 1 에 비해 상기 리브 (15) 가 없는 경우를 비교예 4 로 하였다.

여기에서, 비교예 1 및 비교예 3 에 관련된 아우터 패널 (13) 은, 천판부 (13a) 와 세로벽부 (13b) 와 플랜지부 (13c) 를 갖는 단면 해트 형상이고, 아우터 패널 (13) 의 플랜지부 (13c) 에 이너 패널 (5) 이 접합된다.

또한, 도 11 은, A 필러 로어 (11) 를 도 9 에 나타내는 시야 F 의 방향으로부터 표시한 것으로, 자동차의 전후 방향 (X 축) 에 있어서의 A 필러 로어 (11) 의 후부측을 자동차의 폭 방향 실내측 (Z 축의 플러스 방향) 으로 기울인 상태에서, A 필러 로어 (11) 의 후부가 표시되어 있다.

또, 도 14 도, 도 11 과 마찬가지로, A 필러 로어 (21) 를 도 12 에 나타내는 시야 F 의 방향으로부터 Z 축 방향으로 기울인 상태에서 표시한 것이다.

표 1 에, 발명예 1, 2 및 비교예 1 ∼ 4 에 사용한 아우터 패널, 이너 패널 및 보강 부재의 재질을 나타낸다.

표 1 에 있어서, 형상 최적화의 란의 ○ 표시는, 형상 최적화 해석에 의한 해석 결과에 기초하여 설정된 보강 부재 (7) 를 사용하고 있는 것을 나타내고, × 표시는 보강 부재가 리브 (15) (도 9 참조) 와 동일 형상인 것을 나타낸다.

또, 표 1 의 성형 방법의 란에 있어서, 사출 성형은, 수지제의 보강 부재를 사출 성형에 의해 성형하고, 그 성형한 보강 부재를 아우터 패널에 접착제로 접착한 것을 나타내고, 다이 캐스트는, 리브 (15) 를 일체 성형한 아우터 패널 (13) (도 9 참조) 을 나타내고 있다.

본 실시예 1 에 있어서, 자동차용 골격 부품의 강성은, 이하와 같이 평가하였다.

먼저, 발명예 및 비교예에 관련된 A 필러 로어의 각각에 대하여 해석 모델을 생성하고, 그 해석 모델에 도 6 에 나타내는 하중ㆍ구속 조건을 부여하여 CAE 해석을 실시하였다. 여기에서, 도 6 에 나타내는 하중ㆍ구속 조건은, 전술한 실시형태에서 설명한 형상 최적화 해석에 있어서의 하중ㆍ구속 조건과 마찬가지로, A 필러 로어와 로커의 접속부의 바닥면을 완전 구속으로 하고, A 필러 로어의 프론트 엔드의 선단부에 연직 방향 하향 (도 6 중의 Y 축 마이너스 방향) 으로 1000 N 의 하중을 부하하는 것으로 하였다.

그리고, 상기 하중ㆍ구속 조건을 부여했을 때의 평가 위치 (도 6 참조) 에 있어서의 Y 축 방향의 변위량을 취득하고, 그 변위량의 대소를 비교함으로써 강성을 평가하였다.

또, 자동차용 골격 부품의 경량화에 관해서는, 비교예 1 에 관련된 A 필러 로어 (11) 의 중량 (이하, 「기준 중량」이라고 한다) 을 기준으로 하고, 발명예, 비교예 각각에 관련된 A 필러 로어의 중량과 기준 중량의 차를 그 기준 중량으로 나눔으로써, 경량화율을 산출하였다.

전술한 표 1 에, 평가 위치에 있어서의 변위량과, A 필러 로어의 중량 및 경량화율을 나타낸다.

비교예 1 은, 아우터 패널 (13) 및 이너 패널 (5) 모두 두께 3.0 ㎜ 인 알루미늄 다이 캐스트에 의해 제조되어 있고, 리브 (15) (두께 1.5 ㎜) 가 아우터 패널 (13) 에 일체 성형되어 있다.

그리고, 평가 위치에 있어서의 변위량은 0.5 ㎜, A 필러 로어 (11) 전체의 합계 중량은 4.71 ㎏ 이었다.

발명예 1 에 있어서는, 변위량이 비교예 1 보다 감소하고, 강성이 향상되어 있는 것을 나타내고 있다. 또한, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 에 판두께 1.0 ㎜ 인 강판을 사용한 것에 의해, 이들의 중량이 3.37 ㎏ 이 되어, 비교예 1 의 아우터 패널 (13) 과 이너 패널 (5) 의 중량 (3.74 ㎏) 보다 경량이 되었다. 또한, 발명예 1 에서는 수지제의 보강 부재 (7) (두께 2.0 ㎜) 를 사용하고 있기 때문에, 비교예 1 에 비해 보강 부재 (7) 의 중량이 저감되었다 (0.97 ㎏ → 0.11 ㎏). 그 결과, A 필러 로어 (1) 의 합계 중량은 3.48 ㎏, 경량화율은 26 ％ 로, 비교예 1 과 비교하여 강성을 저하시키지 않고 (변위량을 증가시키지 않고) 경량화가 달성되는 결과가 되었다.

또, 발명예 2 도, 강성을 저하시키지 않고, 알루미늄을 적용한 결과, 더욱 경량화할 수 있었다.

비교예 2 는, 판두께 1.2 ㎜ 의 강판을 프레스 성형한 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 을 사용하고 있기 때문에, 비교예 1 의 알루미늄 다이 캐스트제의 아우터 패널 (13) 과 이너 패널 (5) 보다 중량이 늘어나 있기는 하지만, 보강 부재가 형성되어 있지 않기 때문에, 비교예 1 에 비해 A 필러 로어 (21) 는 14 ％ 의 경량화율이 달성되어 있다. 그러나, 평가 위치에 있어서의 변위량은 8.6 ㎜ 로 현저히 증가하여, 강성이 대폭 저하되는 결과가 되었다.

비교예 3 은, 발명예 1 과 마찬가지로 판두께 1.0 ㎜ 인 강판을 프레스 성형한 아우터 패널과 이너 패널을 사용하고, 또한, 비교예 1 의 리브 형상과 동일 형상의 GFRP 제 리브를 아우터 패널에 접착한 것으로, A 필러 로어의 합계 중량은 3.94 ㎏ 이 되어, 비교예 1 에 비해 16 ％ 의 경량화율이 달성되었다. 그러나, 또한, 평가 위치에 있어서의 변위량에 관해서는, 비교예 2 에 비해 8.6 ㎜ 내지 1.5 ㎜ 까지 저하되어 강성 향상이 인정되었지만, 비교예 1 의 0.5 ㎜ 에 비하면 변위량은 커서, 강성이 저하되는 결과가 되었다.

비교예 4 는, 비교예 1 의 케이싱만 (리브 (15) 없음) 의 평가 결과이며, 알루미늄의 사용에 의해 대폭적인 경량화가 가능하지만, 알루미늄의 영률이 낮기 때문에 변위량이 현저히 증가하여, 강성이 저하되었다.

이상, 본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품에 의하면, 형상 최적화 해석 방법의 해석 결과에 기초하여 형상 및 위치가 설정된 수지제의 보강 부재를 아우터 패널과 이너 패널로 형성되는 공간 내에 형성함으로써, 강성 향상과 경량화의 쌍방을 달성할 수 있는 것이 실증되었다.

또한, 본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품은, 강판을 사용하고 있는 점에서, 알루미늄 다이 캐스트제의 자동차용 골격 부품에 비해 조립성 (assembling property) 및 비용 면에서도 우수하다.

실시예 2

전술한 실시예 1 과 마찬가지로, 본 발명에 관련된 자동차용 골격 부품에 의해, 강성의 향상 및 경량화의 효과를 검증하는 실험을 실시하였으므로, 이하, 이것에 대하여 설명한다.

본 실시예 2 에서는, 형상 최적화 해석의 해석 결과에 기초하여 도 15 및 도 16 에 나타내는 보강 부재 (33) 의 형상과 배치를 설정하고, 보강 부재 (33) 를 설정한 A 필러 로어 (31) 의 강성과 경량화를 평가하였다.

먼저, 형상 최적화 해석 방법에 의한 보강 부재 (33) 의 형상과 배치의 설정에 대하여 설명한다.

도 18 에, 형상 최적화 해석에 있어서의 최적화 해석 모델 (51) 을 나타낸다. 최적화 해석 모델 (51) 은, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 로 형성되는 공간 내에 설계 공간을 설정하고, 설계 공간을 입체 요소로 모델화한 보강 부재 모델을 설정한다. 그리고, 보강 부재 모델의 입체 요소의 노드와 아우터 패널 (3) 및 이너 패널 (5) 의 평면 요소의 노드를 공유시킴으로써 연결하여, 아우터 패널 (3) 및 이너 패널 (5) 로부터 보강 부재 모델로 하중이 전달되도록 하고 있다.

또, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 의 재질은, 모두 인장 강도 440 ㎫ 급, 판두께 0.8 ㎜ 의 강판으로 하고, 보강 부재 모델의 재질은, 표 2 에 나타내는 재료 특성의 수지로 하였다.

최적화 해석 모델 (51) 을 사용한 형상 최적화 해석에서는, 자동차의 서스부 (suspension part) 로부터의 굽힘 입력에 의한 강성을 타깃으로 하기 때문에, 도 18(a) 에 나타내는 바와 같이, 지그 (jig) (57) 에 의해 최적화 해석 모델 (51) 의 하부를 구속하고, 최적화 해석 모델 (51) 의 상부에 형성된 하중 입력부에 높이 방향 하향 (Y 축 마이너스 방향) 으로 2000 N 의 하중을 입력하는 하중ㆍ구속 조건을 부여하였다.

그리고, 형상 최적화 해석 방법으로서 토폴로지 최적화의 밀도법을 이용하여, 보강 부재 모델의 체적을 최소로 하여 강성이 최대가 되는 목적 조건을 설정하고, 도 18(b) 에 나타내는 변위 측정점에 있어서 Y 축 마이너스 방향의 변위량 0.5 ㎜ 를 설정하는 제약 조건을 부여하였다. 또한, 변위 측정점은, 하중ㆍ구속 조건으로서 설정한 하중 입력부 (도 18(a)) 와 동일 위치로 하였다.

상기와 같이 설정한 하중ㆍ구속 조건과 목적 조건 및 제약 조건하에서 형상 최적화 해석을 실시하여, 전술한 도 17 에 나타내는 보강 부재 모델의 최적 형상 (41) 을 구하였다.

최적 형상 (41) 은, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 사이에 형성된 공간 내에서 기둥상으로 잔존한 기둥상부 (43) 와, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 을 접합하는 플랜지부에 잔존한 플랜지 잔존부 (45) 를 갖는다. 그리고, 기둥상부 (43) 는, 상기 공간 내에 있어서의 상기 로커 접속부 (사이드 실 (side sill) 이 결합되는 부위) 에 잔존한 기둥상부 (43a) 와, A 필러 로어 (31) 의 높이 방향 중앙부보다 상부에 잔존한 기둥상부 (43b) 를 갖는다.

다음으로, 형상 최적화 해석의 결과에 기초하여 형상과 배치를 설정한 보강 부재와, 그 보강 부재를 형성한 A 필러 로어의 강성과 경량화의 평가에 대하여 설명한다.

본 실시예 2 에서는, 도 17 에 나타내는 보강 부재 모델의 최적 형상 (41) 에 기초하여, 보강 부재 (33) 의 형상 및 배치를 설정한 A 필러 로어 (31) 를 발명예 11 및 발명예 12 로 하였다.

발명예 11 은, 최적 형상 (41) 중 로커 접속부 (도 15 참조) 의 기둥상부 (43a) 와 높이 방향 중앙부보다 상부의 기둥상부 (43b) 에 대하여, 도 19 에 나타내는 바와 같이 CAD 모델화하여 양 단부가 원판상으로 팽륭된 덤벨상의 보강 부재 (33a, 33b) 를 설정한 것이다.

한편, 발명예 12 는, 발명예 11 과 동일 형상 및 배치의 보강 부재 (33a, 33b) 에 더하여, 도 17 에 나타내는 바와 같이 형상 최적화 해석에 있어서 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 을 접합하는 플랜지부에 잔존한 플랜지 잔존부 (45) 의 위치에 대해, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 을 접착제에 의해 추가로 접합한 것이다.

또한, 본 실시예 2 에서는, 도 17 에 나타내는 보강 부재 모델의 최적 형상 (41) 을 설정한 A 필러 로어를 발명예 13 으로 하고, 발명예 11 및 발명예 12 와 마찬가지로 강성과 경량화를 평가하였다.

발명예 13 은, 도 20 에 나타내는 바와 같이, 최적 형상 (41) 중 기둥상으로 잔존한 4 개의 기둥상부 (43a, 43b) 의 보강 부재 모델을 설정한 것이다. 또한, 도 20 은, A 필러 로어를 구성하는 이너 패널 (5) 을 표시하지 않고, 아우터 패널 (3) 상에 기둥상부 (43a, 43b) 와 플랜지 잔존부 (45) 를 표시한 것이다.

본 실시예 2 에 있어서, 자동차용 골격 부품의 강성은, 이하와 같이 평가하였다.

먼저, 발명예 11, 발명예 12 와 발명예 13 의 각각에 대하여 강성을 평가하는 해석 모델을 생성하고, 그 해석 모델에 도 18 에 나타내는 하중ㆍ구속 조건을 부여하여 CAE 해석을 실시하여, A 필러 로어의 프론트 엔드의 선단부에 형성한 변위 측정점 (도 18(b)) 에 있어서의 연직 방향 하향 (도 18 중 Y 축 마이너스 방향) 의 변위량을 구하였다. 여기에서, 도 18 에 나타내는 하중ㆍ구속 조건은, 전술한 형상 최적화 해석에 있어서의 하중ㆍ구속 조건과 마찬가지로, 로커가 접속되는 로커 접속부를 완전 구속으로 하고, A 필러 로어의 프론트 엔드의 선단부에 형성한 하중 입력부에 2000 N 의 하중을 입력하였다. 그리고, 변위 측정점에 있어서의 변위량을 입력 하중으로 나눈 값을 강성값으로서 산출하였다.

또, 본 실시예 2 에서는, 판두께 3.3 ㎜ 의 알루미늄판제의 아우터 패널과 이너 패널의 A 필러 로어를 종래예 1 로 하고, 상기와 마찬가지로 강성값을 산출하였다. 그리고, 발명예 11 및 발명예 12 와 발명예 13 의 강성은, 종래예 1 의 강성값을 기준으로 하는 강성 향상률 (％) 과, 강성 향상률을 보강 부재 또는 보강 부재 모델의 중량으로 규격화한 중량당 강성 향상률 (％) 을 산출하였다.

또한, 발명예 11 및 발명예 12 와 발명예 13 의 각각에 대하여, 종래예 1 의 A 필러 로어의 중량을 기준으로 하는 중량 변화를 산출하였다.

강성 향상률의 결과를 도 21 에, 보강 부재 또는 보강 부재 모델의 중량으로 강성 향상률을 규격화한 중량당 강성 향상률의 결과를 도 22 에 나타낸다. 또, 도 21 에, 각 조건에 있어서의 중량 변화의 수치도 아울러 나타낸다.

도 21 로부터, 발명예 11 및 발명예 12 는, 모두 강성 향상률이 정 (正) 의 값이고, 또한 중량 변화가 -1.8 ㎏ 인 점에서, 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 에 강판을 사용하고, 또한 덤벨상의 보강 부재 (33) 를 형성한 A 필러 로어 (31) 는, 알루미늄판제인 종래예 1 의 A 필러 로어에 비해 강성의 향상과 경량화의 쌍방을 달성할 수 있는 것이 나타났다.

다음으로, 발명예 11 및 발명예 12 와 발명예 13 의 결과를 비교한다.

먼저, 최적 형상 (41) 중 기둥상부 (43a, 43b) 를 설정한 발명예 13 과, 기둥상부 (43a, 43b) 에 기초하여 보강 부재 (33a, 33b) 를 형성한 발명예 11 을 비교하면, 발명예 11 에 있어서는 보강 부재 (33a, 33b) 를 덤벨상으로 함으로써 A 필러 로어 전체의 중량 변화는 -1.9 g 에서 -1.8 ㎏ 이 되고, 중량당 강성 향상률도 844.2 ％/㎏ 에서 494.7 ％/㎏ 로 저하되었지만, 강성 향상률은 7.7 ％ 에서 19.2 ％ 로 증가하였다.

또, 최적 형상 (41) 에 있어서의 기둥상부 (43) 에 기초하여 보강 부재 (33) 를 형성함과 함께, 플랜지 잔존부 (45) 에 기초하여 아우터 패널 (3) 과 이너 패널 (5) 의 플랜지부를 접착제에 의해 추가로 접합하는 것으로 한 발명예 12 는, 보강 부재 (33) 를 덤벨상으로 함으로써, A 필러 로어 전체의 중량 변화는 -1.9 g 에서 -1.8 ㎏ 이 되고, 중량당 강성 향상률은 2770.2 ％/㎏ 에서 965.4 ％/㎏ 으로 저하되었지만, 강성 향상률은 29.1 ％ 에서 38.7 ％ 로 증가하였다.

또한, 발명예 11 과 발명예 12 의 결과를 비교하면, 최적 형상 (41) 의 플랜지 잔존부 (45) 에 기초하여 플랜지부를 추가로 접합한 발명예 12 는, 발명예 11 보다 강성 향상률이 증가하는 결과 (19.2 ％ → 38.7 ％) 가 되었다.

이상, 형상 최적화 해석의 결과에 기초하여, 아우터 패널과 이너 패널로 형성되는 공간 내에 있어서의 로커 접속부와 높이 방향 중앙부보다 상부에 덤벨상의 보강 부재를 형성함으로써, A 필러 로어의 강성의 향상과 경량화의 쌍방을 달성할 수 있는 것이 나타났다. 또한, 형상 최적화 해석에 있어서 아우터 패널과 이너 패널을 접합하는 플랜지부에 보강 부재 모델이 잔존한 부위에 대해, 아우터 패널과 이너 패널을 접착제로 추가로 접합함으로써, 중량을 증가시키지 않고 강성 향상률을 더욱 증가시킬 수 있는 것이 나타났다.

산업상 이용가능성

본 발명에 의하면, 자동차용 골격 부품에 하중이 작용했을 때의 변형을 저감시켜, 자동차용 골격 부품의 강성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 강성을 유지한 채 자동차용 골격 부품을 경량화할 수 있다.

1 : A 필러 로어
3 : 아우터 패널
3a : 천판부
3b : 세로벽부
3c : 플랜지부
3d : 내면
5 : 이너 패널
5a : 내면
7 : 보강 부재
9 : 최적 형상
11 : A 필러 로어 (비교예 1)
13 : 아우터 패널
13a : 천판부
13b : 세로벽부
13c : 플랜지부
15 : 리브
21 : A 필러 로어 (비교예 2)
31 : A 필러 로어
33 : 보강 부재
41 : 최적 형상
43 : 기둥상부
45 : 플랜지 잔존부
51 : 최적화 해석 모델
57 : 지그

Claims

평면에서 바라보았을 때 대략 T 자 형상이고, 그 대략 T 자 형상의 가로변 및 세로변에 상당하는 각각의 부위에 교차하는 단면이 천판부와 세로벽부와 플랜지부로 이루어지는 단면 해트 형상의 아우터 패널과, 그 아우터 패널의 플랜지부에 접합되어 그 아우터 패널과의 사이에 폐단면을 형성하는 이너 패널을 갖고, 그 이너 패널과 상기 아우터 패널은 금속으로 이루어지는 A 필러 로어 부품인 자동차용 골격 부품으로서,
상기 아우터 패널과 상기 이너 패널 사이에 형성되는 공간 내에, 일단이 상기 아우터 패널의 내면에, 타단이 상기 이너 패널의 내면에 각각 접합된 수지제의 복수의 보강 부재를 갖고,
그 보강 부재의 형상 및 배치는, 형상 최적화 해석 방법에 의한 해석 결과에 기초하여 설정되고, 상기 보강 부재의 형상은, 기둥상 또는 양 단부가 팽륭되는 기둥상을 갖는 것인 것을 특징으로 하는 자동차용 골격 부품.
제 1 항에 있어서,
상기 형상 최적화 해석 방법은, 토폴로지 최적화의 밀도법을 이용하여, 강성이 최대가 되는 목적 조건을 설정하고, 체적 제약률을 3 ∼ 40 ％ 의 범위로부터 설정하는 제약 조건하에 해석하는 것을 특징으로 하는 자동차용 골격 부품.
제 1 항에 있어서,
상기 A 필러 로어 부품인 자동차용 골격 부품은, 로커의 선단부가 접속되는 로커 접속부를 갖고, 상기 보강 부재는, 상기 공간 내에 있어서의 상기 로커 접속부와, 상기 A 필러 로어 부품의 높이 방향 중앙부보다 상부에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 자동차용 골격 부품.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
상기 형상 최적화 해석 방법은, 토폴로지 최적화의 밀도법을 이용하여, 체적을 최소로 하여 강성이 최대가 되는 목적 조건을 설정하고, 소정의 변위량을 설정하는 제약 조건하에 해석하는 것을 특징으로 하는 자동차용 골격 부품.