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1 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 7 pp , 2010 스페이스프레임을가진경주용차량의충돌에관한시뮬레이션해석 조재웅 1*, 방승옥 2, 김기선 1 1 공주대학교기계자동차공학부, 2 공주대학교대학원기계공학과 Simulation Analysis on the Impact of Racing Car with Space Frame Cho, Jae Ung 1*, Bang, Seung Ok 2 and Kim, Key Sun 1 1 Dept, of Mechanical & Automotive Engineering, Kongju University, 2 Dept, of Mechanical Engineering, Graduate School, Kongju University 요약본논문에서는충돌하중하에서스페이스프레임을사용하는경주용차량의프레임변형및응력을분석한다. 충돌시변형을최소한으로줄이고, 취약부분을파악하여운전자의안전을확보한다. 탄소강의물성치를바탕으로트러스구조로설계된차량프레임의유한요소모델을만들고, ANSYS 프로그램을이용하여정면충돌시속도변화에따른충격량증가가프레임에미치는영향을분석한다. 또한정면, 측면, 후면방향에충돌하중을적용하여프레임의변형을해석한다. 정면및후면충돌에서는운전석에가해지는영향이적지만, 측면충돌시충격에의한변형이운전석까지진행된다. 이러한변형에대한취약부분의보강을통하여프레임의안전성설계를증진시키고시뮬레이션해석의결과를실제프레임제작에활용한다. Abstract In this paper, strain and stress on space frame are analyzed at racing car under crash loads. As the deformation is reduced to a minimum during crash and the vulnerable parts are grasped, the safety of driver is ensured. The vehicle frame is modelled with truss structure by inputting the material property of carbon steel on finite element analysis. The increase of impulse momentum is due to speed change at frontal collision. This influence effected on vehicle frame is also analyzed by ANSYS program. The deformation of the frame is studied by applying the crash loads at front, side and rear directions. Though the influence on the seat of driver is small at frontal and rear crash, the deformation due to impact is progressed into this seat. The safety of frame is enhanced by making up for these weak deformations and these results of simulation analysis can be applied to the production of the actual vehicle frame. Key Words : Space Frame, Impact, Finite Element Model, Impulse 1. 서론 차량의프레임은현가장치및동력발생장치등을장착하기위한골격으로서주행중노면으로부터전달되는충격과하중에의한각종반력등을지지하는중요한부분이다. 또한프레임은외부충돌로부터운전자를보호하는구조로설계되어야하며충분한강도와강성을필요로 한다 [1]. 동시에불필요한부재를제거함으로서경량화를통한연비상승과원가절감도함께고려되어야한다. 경주용차량의경우에는운전석의공간과엔진및동력장치에필요한공간을효율적으로설계되어야하며, 프레임자체가운전자를보호하는롤케이지의역할을병행하도록한다. 이러한차체의굽힘및비틀림강성, 진동특성, 충돌안전도및경량화등의다분야설계제약조건 본연구는지식경제부지정공주대학교자동차의장및편의부품지역혁신센터의지원에의한것입니다. * 교신저자 : 조재웅 (jucho@kongju.ac.kr) 접수일 10년 05월 07일수정일 10년 06월 21일게재확정일 10년 07월 06일 2341

한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 들 [2,3] 을초기설계에반영하고, 구조물의연결부에작용하는응력집중현상을연구하는것이중요하다 [4]. 그중에서도충돌안전도설계는저속및고속충돌로나뉘는데저속충돌에서는가능한변형이없도록하여손상성과수리성을낮추고, 고속충돌에서는효과적인변형으로충돌에너지흡수를최대화하여운전자상해치를저감시키는것이관건이다 [5].

정면충돌과정에서속도가증가함에따라프레임과각각의연결부위에생기는변형을분석하고이러한변형이운전석에미치는영향을연구한다. 또한후면및측면방향에서의충돌해석을통하여구조적견고성을파악한다. 해석을수행하는과정에서가장취약한부분에보강재를설치하고, 보강전 후의충돌해석을비교함으로서안전성이증진됨을보여준다. 또한본논문을통하여얻어진충돌안전도설계와충돌해석결과를실제프레임제작에활용한다.

2 한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 들 [2,3] 을초기설계에반영하고, 구조물의연결부에작용하는응력집중현상을연구하는것이중요하다 [4]. 그중에서도충돌안전도설계는저속및고속충돌로나뉘는데저속충돌에서는가능한변형이없도록하여손상성과수리성을낮추고, 고속충돌에서는효과적인변형으로충돌에너지흡수를최대화하여운전자상해치를저감시키는것이관건이다 [5]. 최근에는스페이스프레임을적용한차량이양산되면서프레임의구조설계및충돌해석에관한논문 [6,7] 이발표되고있으나, 대부분충격을흡수하기위하여프레임의일부부위에만한정시켜적용한것이다. 본논문에서는 CATIA 및 ANSYS 프로그램을사용하여경주용차량의스페이스프레임을유한요소모델로제작하고, 콘크리트벽과프레임의동적충돌해석을수행한다. 정면충돌과정에서속도가증가함에따라프레임과각각의연결부위에생기는변형을분석하고이러한변형이운전석에미치는영향을연구한다. 또한후면및측면방향에서의충돌해석을통하여구조적견고성을파악한다. 해석을수행하는과정에서가장취약한부분에보강재를설치하고, 보강전 후의충돌해석을비교함으로서안전성이증진됨을보여준다. 또한본논문을통하여얻어진충돌안전도설계와충돌해석결과를실제프레임제작에활용한다. 의사진이다. 이러한트러스구조를사용하여전장 2000mm, 전폭 820mm, 높이 1200mm의스페이스프레임모델을그림 2 와같은치수로제작한다. 충돌해석을수행하기위하여콘크리트벽과프레임은 CATIA 프로그램을이용하여모델링을하고원활한해석을수행하기위하여 ANSYS로그림 3과같이유한요소분할을한다. [ 그림 2] 프레임의치수 2.1 해석모델 2. 해석모델및충돌해석 [ 그림 3] 유한요소분할형상 [ 그림 1] 경주용자동차의스페이스프레임사진경주용차량에사용되는스페이스프레임은차체의강성을높이고무게절감효과를얻기위하여사각형이나원형단면의강관을트러스구조로차량외형에맞게용접한다. 그림 1은스페이스프레임을적용한경주용차량 여기서콘크리트벽은육면체요소 (Hexahedral Element) 로생성하였으며, 스페이스프레임은사면체요 소 (Tetrahedral Element) 로생성하였다. 유한요소분할된 콘크리트벽과스페이스프레임모델의절점및요소들 의개수는표 1에나타나있다. [ 표 1] 해석모델의절점및요소들의개수 콘크리트벽 스페이스프레임 Nodes Elements

스페이스프레임을가진경주용차량의충돌에관한시뮬레이션해석 콘크리트벽은차량과충돌하는건물의일부분이므로그림 4와같이가장자리부분에구속조건을준다. 또한스페이스프레임은그림 5와같이 X축방향으로이동속도를주어두께가 250mm인콘크리트벽과충돌하도록설정한다. 2.2 충돌해석 2.2.1 기본이론물체에작용하는충격량은물체의운동량의변화량과같다.

3 스페이스프레임을가진경주용차량의충돌에관한시뮬레이션해석 콘크리트벽은차량과충돌하는건물의일부분이므로그림 4와같이가장자리부분에구속조건을준다. 또한스페이스프레임은그림 5와같이 X축방향으로이동속도를주어두께가 250mm인콘크리트벽과충돌하도록설정한다. 2.2 충돌해석 기본이론물체에작용하는충격량은물체의운동량의변화량과같다. 충돌과정에서물체가받는충격력을, 충돌시간을 라하고, 충격량-운동량정리를구하면식 (1) 과같다. (1) 여기서 는운동량, 은물체의질량, 는물체의속도이다. 충격력과속도가일정하다고하면, 물체의충돌과정에서물체가받는충격력 는식 (2) 와같이구할수있다. (2) [ 그림 4] 모델의구속조건 이처럼차체의무게와충돌시간이일정하게작용하였을때, 속도에따라충격력이변한다. [ 그림 5] 모델의속도조건스페이스프레임의재질은 ANSYS에서제공하는 Johnson-Cook Strength에의한 Steel 4340을사용하였고, 재질의물성치는표 2에나타나있다. [ 표 2] Steel 4340의물성치 Young's Modulus MPa Poisson's Ratio 0.31 Mass Density kg/mm 3 Thermal Expansion / Tensile Yield Strength 1550 MPa Tensile Ultimate Strength 1855 MPa 정면충돌시속도변화에따른프레임해석해석모델과같은경주용차량의최고속도가평균적으로 70 80km/h인것을감안하여, 저속 (30km/h) 및중속 (50km/h) 과고속 (70km/h) 의속도조건을주었다. 모든부품을포함하는무게 240kg 차량에 60kg의운전자를포함하여차량의총무게는 300kg으로하였다. 해석은충돌전 후로총 0.02s 시간동안진행하였으며, 각각의속도에따라충돌시작으로부터 0.01s가되는순간의프레임변형을분석하였다. 또한콘크리트벽과스페이스프레임의충돌전 후과정을 0.5ms 간격으로해석결과를기록하였다. 단, 본논문에서는프레임에작용하는응력과변형이운전자에게미치는영향을분석하는것이중점이므로상대적으로중요도가적은벽은강체로보고프레임에대하여해석을하였다. 스페이스프레임이 30km/h의속도로콘크리트벽에정면으로충돌하였을경우에는그림 6에서와같이 2.300e+05 KPa 정도의충격이프레임앞부분에작용하고, 연결부분에서는 6.899e+05 KPa 이상의응력이집중된다. 프레임의변형길이는차량의속도에따른이동거리를포함하고있기때문에수치가작은부분일수록변형이커지며, 각부분의변형길이는최대수치에서각부분의 2343

한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 수치를뺀값이다. 그림 7에서프레임의정면부분에는 5.918e+01mm 정도의변형이생기고상단부분은비교적변형이작다.

프레임앞부분에는 3.911e+05 KPa 정도의충격이가해지고, 저속및중속에서의충돌해석과마찬가지로프레임의연결부에응력이집중되는것을볼수있다.

[ 그림 7] 30km/h 충돌시프레임의변형 속도가 50km/h인정면충돌과정에서그림 8과같이프레임앞부분에는 2.719e+05 KPa 정도의충격이가해지고, 연결부에는 8.

4 한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 수치를뺀값이다. 그림 7에서프레임의정면부분에는 5.918e+01mm 정도의변형이생기고상단부분은비교적변형이작다. [ 그림 9] 50km/h 충돌시프레임의변형 [ 그림 6] 30km/h 충돌시프레임의응력 속도가 70km/h인충돌에서는차량의앞부분이충격에의하여크게휘어지면서그림 10과같이운전석의상 하방향으로변형된다. 프레임앞부분에는 3.911e+05 KPa 정도의충격이가해지고, 저속및중속에서의충돌해석과마찬가지로프레임의연결부에응력이집중되는것을볼수있다. 충돌에의한변형은그림 11에서와같이프레임의정면부분이운전석쪽으로밀리면서 1.495e+02mm 이상의최대변형이발생하고, 하단부분에는프레임이물결모양으로휘어지면서 8.304e+01mm 정도변형이발생한다. [ 그림 7] 30km/h 충돌시프레임의변형 속도가 50km/h인정면충돌과정에서그림 8과같이프레임앞부분에는 2.719e+05 KPa 정도의충격이가해지고, 연결부에는 8.158e+05 KPa 이상의응력이집중되어발생한다. 충돌에의하여그림 9에서보이는바와같이차량의정면윗부분에 1.04e+02mm 이상의최대변형이생기고, 하단부분에는 6.938e+01mm 정도변형이발생한다. [ 그림 10] 70km/h 충돌시프레임의응력 [ 그림 8] 50km/h 충돌시프레임의응력 [ 그림 11] 70km/h 충돌시프레임의변형 2344

후면충돌과정에서는그림 12에서와같이연결부위를제외한나머지부분에 2.149e+05 KPa 이내로응력이작용한다.

053e+01mm 이내의변형이발생한다. [ 그림 15] 측면충돌시프레임의변형 45 각도의 Offset 충돌에서는그림 16과같이차량의모서리부분에 6.

5 스페이스프레임을가진경주용차량의충돌에관한시뮬레이션해석 충돌방향에따른프레임해석충돌방향에따른스페이스프레임의변형을해석하기위하여 30km/h의속도로후면과운전석측면및 45 각도의 Offset 충돌을주었다. 후면충돌과정에서는그림 12에서와같이연결부위를제외한나머지부분에 2.149e+05 KPa 이내로응력이작용한다. [ 그림 14] 측면충돌시프레임의응력 [ 그림 12] 후면충돌시프레임의응력 충돌후그림 13과같이프레임의중심부분에는 5.404e+01mm 이상, 하단에는 4.053e+01mm 이내의변형이발생한다. [ 그림 15] 측면충돌시프레임의변형 45 각도의 Offset 충돌에서는그림 16과같이차량의모서리부분에 6.838e+05 KPa 이상의응력이작용한다. 프레임에가해지는응력들은주로차량의앞부분에집중되며, 충돌하는반대방향으로휘어진다. 이로인하여프레임이비틀어지면서그림 17에서보이는바와같이프레임전체에 3.277e+01mm 이상의변형이발생한다. [ 그림 13] 후면충돌시프레임의변형 측면충돌에서그림 14와같이 1.147e+06 KPa의최대응력이발생하였다. 프레임은그림 15에서와같이운전석측면부분이 8.197e+01mm 이상변형되고, 차체가활대처럼휘어지게된다. [ 그림 16] Offset 충돌시프레임의응력 2345

한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 [ 그림 17] Offset 충돌시프레임의변형 [ 그림 19] 측면보강후프레임의응력 2.

정면또는후면충돌보다는측면충돌의경우가운전석에영향을줄가능성이더높을것으로예상된다.

6 한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 [ 그림 17] Offset 충돌시프레임의변형 [ 그림 19] 측면보강후프레임의응력 측면보강전 후의프레임충돌해석각각의충돌과정에서프레임의변형으로인하여운전석에영향을미치는정도를분석하여본결과, 정면또는후면충돌보다는측면충돌의경우가운전석에영향을줄가능성이더높을것으로예상된다. 따라서취약부분인프레임의측면부분을그림 18과같이파이프를추가하여보강한후충돌해석을수행하였다. 충돌속도는 30km/h로보강전과동일하며, 컨트롤조건으로하였다. [ 그림 20] 측면보강후프레임의변형 이러한결과를바탕으로충돌시프레임에생기는응력집중현상을예측하고, 실제경주용차량의제작에활용하였다. 그림 21은실제로제작되고있는프레임으로서현재 80% 의완성도를보이고있다. [ 그림 18] 측면보강한프레임모델 측면에보강재를추가로설치하였을경우, 그림 19에서와같이차량프레임에작용하는최대응력은 1.046e+06 KPa으로측면을보강하기전과비교하면 1.01e+05 KPa 정도감소하였으며, 프레임의변형은그림 20과같이 8.971e+01mm로보강전보다 1.37mm 정도감소하였다. [ 그림 21] 실제제작중인프레임의사진 본논문에서는동적충돌에의한스페이스프레임의응력분포와변형만고려하였는데, 엔진및노면으로부터 2346

스페이스프레임을가진경주용차량의충돌에관한시뮬레이션해석 받는진동에의하여프레임의연결부에생기는피로또는비틀림에의한반력등을추가적으로적용하여해석할수있을것으로사료된다. 3. 결론 본논문에서는스페이스프레임을사용하는경주용차량의저 / 중 / 고속충돌성능및운전자의안전성을동시에고려하여차체를설계하고, 유한요소모델을만들어속도와충돌방향에변화를주면서분석하였다.

661e+02mm로저속충돌보다 2.5배정도변형이심하다. 3. 충돌방향이운전석에미치는영향을분석한결과, 상대적으로구조가단순한측면이충돌로인하여프레임이운전석안쪽까지휘어지면서운전자에게상해를입힐가능성이가장높다. 4. 가장취약한측면에보강재를추가하여충돌에의한프레임의변형을줄이고, 운전석에미치는영향을감소시켜구조적안전성을증진시켰다.

7 스페이스프레임을가진경주용차량의충돌에관한시뮬레이션해석 받는진동에의하여프레임의연결부에생기는피로또는비틀림에의한반력등을추가적으로적용하여해석할수있을것으로사료된다. 3. 결론 본논문에서는스페이스프레임을사용하는경주용차량의저 / 중 / 고속충돌성능및운전자의안전성을동시에고려하여차체를설계하고, 유한요소모델을만들어속도와충돌방향에변화를주면서분석하였다. 또한충돌로인하여프레임에작용하는응력과변형을파악하고취약부분의구조적보강을통하여구조적안전성을분석하여다음과같은결론을도출하였다. 1. 정면충돌시, 속도가 20km/h씩증가함에따라서 0.01s 동안프레임의앞부분에가해지는응력이증가하고각각의연결부에응력집중현상이발생한다. 또한, 고속충돌의경우에는최대응력이 1.304e+06 KPa으로저속충돌의경우보다 1.5배정도높다. 2. 정면충돌과정에서프레임앞부분의변형이크며, 고속충돌의경우에 1.661e+02mm로저속충돌보다 2.5배정도변형이심하다. 3. 충돌방향이운전석에미치는영향을분석한결과, 상대적으로구조가단순한측면이충돌로인하여프레임이운전석안쪽까지휘어지면서운전자에게상해를입힐가능성이가장높다. 4. 가장취약한측면에보강재를추가하여충돌에의한프레임의변형을줄이고, 운전석에미치는영향을감소시켜구조적안전성을증진시켰다. of Noise, Vibration, and Harshness(NVH), and Crash, AIAA Paper AIAA , AIAA/ASME/AHS/ASC, 41st, Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Atlanta, [4] 전형용, 성낙원, 한근조, 브래킷결합형식에따른용접구조물의파이프에서발생하는응력분포와응력집중에관한연구, 한국정밀공학회지, 제16권, 제8호, pp , 8월, [5] 김범진, 김민수, 허승진, 다분야설계제약조건을고려한알루미늄스페이스프레임차체의최적설계, 한국자동차공학회논문집, 제14권, 제1호, pp. 1-7, 1월, [6] 신정규, 심진욱, 황상진, 박경진, 저속차량차체의구조해석및구조최적설계, 한국자동차공학회논문집, 제11권, 제4호, pp , 7월, [7] 강혁, 경우민, 알루미늄스페이스프레임차량의구조최적화설계기법, 한국자동차공학회논문집, 제 16권, 제1호, pp , 1월, 조재웅 (Jae-Ung Cho) [ 정회원 ] 1980 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1982 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1986 년 8 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1988 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계 자동차공학부교수 < 관심분야 > 기계및자동차부품설계및내구성평가, 피로또는충돌시동적해석 참고문헌 [1] 주용선, 김영권, 김방원, 문정오, 이기수, 대형자동차프레임의구조해석, 한국자동차공학회논문집, 제 4권, 제2호, pp , 11월, [2] R. J. Yang, L. Gu, C. H. Tho and J. Sobieszczanski- Sobieski, Multidisciplinary Design Optimization of a Full Vehicle with High Performance Computing, AIAA Paper AIAA , AIAA/ASME/AHS/ASC, 42nd, Structures, Structural Dynamics and Materials Conference, Seattle, Washington, [3] J. Sobieszczanski-Sobieski, S. Kodiyalam and R. J. Yang, Optimization of Car Body under Constraints 방승옥 (Seung-Ok Bang) [ 준회원 ] 2010 년 2 월 : 공주대학교자동차공학과 ( 공학사 ) 2010 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계공학과 ( 공학석사 ) < 관심분야 > 기계및자동차부품설계및내구성평가, 피로또는충돌시동적해석 2347

8 한국산학기술학회논문지제 11 권제 7 호, 2010 김기선 (Key-Sun Kim) [ 정회원 ] < 관심분야 > 자동차섀시부품 1980 년 2 월 : 인하대학교기계공학과학사 1983 년 2 월 : 인하대학교기계공학과석사 1994 년 2 월 : 인하대학교기계공학박사 1989 년 7 월 : 기계제작기술사 1994 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부교수 ( 현 ) 2348

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<303920C1B6C0E7BFF52DB4D9B0FCC0FD20B0EDBCD2C0DBBEF720C2F7B7AEC0C720B1B8C1B6C7D8BCAE2E687770> 한국산학기술학회논문지 Vol. 12, No. 2 pp. 617-622, 2011 다관절고소작업차량의구조해석 방승옥 1, 조재웅 2* 1 공주대학교기계공학과, 2 공주대학교기계자동차공학부 Structural Analysis of Multi-Linked High Place Working Vehicle Seung-Ok Bang 1 and Jae-Ung Cho 2*