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인호 백
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1 Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 1, pp (2008) Copyright C 2008 KSAE /2008/ 알루미늄스페이스프레임차량의구조최적화설계기법 강혁 * 경우민 현대자동차연료전지개발 2 팀 / 선행해석팀 Structural Design Optimization of the Aluminum Space Frame Vehicle Hyuk Kang * Woomin Kyoung Hyundai Motor Company, 104 Mabuk-dong, Giheung-gu, Yongin-si, Gyeonggi , Korea (Received 10 August 2007 / Accepted 19 October 2007) Abstract : Due to the global environment problems and the consumer s need for higher vehicle performance, it becomes very important for the global car makers to reduce vehicle weight. To reduce vehicle weight, many car makers have tried to use lightweight materials, for example, aluminum, magnesium, and plastics, for the vehicle structures and components. Especially, the ASF(aluminum space frame) is known for the excellent concept of the vehicle to satisfy structural rigidity, safety performance and weight reduction. In this research, the design of experiments and the multi-disciplinary optimization technique were utilized to meet the weight and structural rigidity target of the ASF. For the structural performance of the ASF, the locations and the size of aluminum extruded frames, aluminum cast nodes, and the aluminum sheets were optimized. As a result, the optimization design procedure has been set up to meet both structural and weight target of the ASF, and the assembled ASF showed good structural performance and weight reduction. Key words : Aluminum space frame( 알루미늄스페이스프레임 ), Structural performance optimization( 구조최적화 ), Lightweight vehicles( 경량화차량 ) 1. 서론 1) 차량경량화는환경보존과차량연비에대한각종강화된규제를만족시키면서차량성능을향상하기위한가장핵심적인조건이다. 이를위해세계적으로최적설계, 부품성능극대화및경량재료대체기술에대한많은투자를수행하고있으며, 이중경량재료의적용은차량의경량화뿐만아니라공정의단순화와부품수감소로생산성을증대시킬수있기때문에차량의경량화를위한핵심으로주목받고있다. 알루미늄압출재 (Aluminum extrusion) 를이용한 * Corresponding author, asfkh@hyundai-motor.com 알루미늄스페이스프레임 (Aluminum space frame, ASF) 은기존의스틸모노코크차체에대비하여 40% 이상의차체경량화와차체강성및충돌성능향상을동시에달성할수있는기술로, 이미많은선진업체들에의해서상당한수준의기술개발이이루어졌다. 특히아우디 (AUDI) 에서는알루미늄스페이스프레임을적용한차량을개발하여양산을하고있다. 1) 본연구에서는알루미늄스페이스프레임개발과정의초기단계에서, 스페이스프레임차체목표를설정하고구조를최적화하는설계및해석기법을설정하였다. 이와같은설계및해석과정을현개발차량에적용하여, 기존스틸차체에대비하여 175

강혁 경우민 중량이가볍고강성이향상된알루미늄스페이스프레임차체를개발하였다. 또한, 개발된차체를적용하여양산이가능한알루미늄스페이스프레임차량을제작하였다. 제작된차량에대한실제시험을통해연비및가속성능이향상되고, 스틸차량에대비하여동등한충돌성능을나타냄을확인하였다. 위와같은알루미늄스페이스프레임차량의상세설계및해석과정을다음장에기술하였다. 2.

2 강혁 경우민 중량이가볍고강성이향상된알루미늄스페이스프레임차체를개발하였다. 또한, 개발된차체를적용하여양산이가능한알루미늄스페이스프레임차량을제작하였다. 제작된차량에대한실제시험을통해연비및가속성능이향상되고, 스틸차량에대비하여동등한충돌성능을나타냄을확인하였다. 위와같은알루미늄스페이스프레임차량의상세설계및해석과정을다음장에기술하였다. 2. ASF 설계개념및과정 자동차의성능은구조, 충돌, 진동, 유동등서로다른분야의특성이유기적으로작용하여결정된다. 즉, 자동차의성능을향상시키기위해서특정한분야의개선을수행할경우다른분야에부정적인영향을미쳐차량전체의성능은오히려나빠질수있기때문에, 자동차설계시전체시스템의성능향상을고려하여차체및차량전반의설계가수행되어야한다. 따라서, 알루미늄스페이스프레임차체설계시에도강성, 진동, 충돌등각특성을향상시키기위해서는여러가지분야의특성에대한해석을종합하여최적화설계및해석을수행하여야한다. 또한, 차량의상품성을향상시키기위해적절한형상과공법의적용에대한검토가병행되어야한다. 따라서, 본연구에서는알루미늄스페이스프레임차체를구성하는알루미늄압출재, 압출재를연결하는결합부및차체외판에대한민감도해석을통해적용부위및최적화대상을선정하고, 최적화설계를통해알루미늄스페이스프레임차체설계안을구성하였다. 전체적인설계과정은 Fig. 1에나타낸바와같다. 즉, 초기목표설정및개념설계단계에서는스페이스프레임차량의구조적인특성을분석하여성능목표를설정하였으며, 상세설계단계에서는골격부, 결합부, 외판부로나누어최적화설계과정을수행하였다. 각단계의상세한과정은다음절에서부터설명하였다. 2.1 목표설정및개념설계현재양산중인차종인클릭 (CLICK) 을기초로하는알루미늄스페이스프레임차량개발하였으며, Fig. 1 ASF 차체설계과정스페이스프레임차체의성능목표는다음과같이설정하였다. - 차체중량 : 스틸차체대비 40 % 감소 - 차체정 / 동강성 : 스틸차체대비동등수준 - 기타연비, 충돌특성향상 2.2 골조모델목표설정알루미늄스페이스프레임차량의강성목표를명확하게설정하고, 최적화과정을효과적으로수행하기위해, 개발목표를골조모델강성및 BIW 강성으로분리하여설정하였다. 이를위해스페이스프레임의기본골조모델 (Frame model) 을클릭차종의스틸차체의주요단면을기준으로하여다음그림과같이설정하였다. 기본골조의단면특성치는스틸차체의단면을적용하였다. 스틸차체의기본적인단면특성을갖는보요소 (Beam element) 를적용하여 Fig. 2와같은초기모델을구성한후, 초기골조모델을이용하여굽힘및비틀림강성해석을수행하였다. 골조모델에대한최적화과정을수행하기위한정강성목표치는, 당사에서기존에제작하였던아토스 (ATOZ) 베이스의알루미늄스페이스프레임차량의골조 176 한국자동차공학회논문집제 16 권제 1 호, 2008

알루미늄스페이스프레임차량의구조최적화설계기법 Fig. 2 알루미늄스페이스프레임기본골조 Table 1 골격부강성목표설정과정 STEEL BIW ASF 상세모델 ASF 골조모델 차종 아토스 ( 기제작 ASF) 클릭 ( 현개발 ASF) 굽힘강성 65.0% 비틀림강성 96.0% 중량 111.0% 굽힘강성 68.0 100% 비틀림강성 49.6 100% 중량 73.

2) 따라서, 스틸 BIW 강성에대비하여설정된알루미늄스페이스프레임차체의강성목표 (2.1절참조 ) 에서, 동일기여도를지니도록골조부강성을추정하였다. 이와같이설정된골조모델의강성및중량목표는 Table 1 에나타낸바와같다. 2.3 결합부강성기여도해석 압출재를결합하는캐스트노드의적용부위를선정하여강성을최적화하도록하였다.

3 알루미늄스페이스프레임차량의구조최적화설계기법 Fig. 2 알루미늄스페이스프레임기본골조 Table 1 골격부강성목표설정과정 STEEL BIW ASF 상세모델 ASF 골조모델 차종 아토스 ( 기제작 ASF) 클릭 ( 현개발 ASF) 굽힘강성 65.0% 비틀림강성 96.0% 중량 111.0% 굽힘강성 % 비틀림강성 % 중량 73.7% 60% 굽힘강성 50.0% 76.9% 비틀림강성 35.0% 36.5% 중량 32.9% 29.6% 및실차강성시험결과를이용하여다음과같이설정하였다. 아토스알루미늄스페이스프레임차체의굽힘 / 비틀림강성시험결과와골조부의굽힘 / 비틀림강성시험결과에서추정된골조부의강성기여도가클릭 (CLICK) 베이스의스페이스프레임 ( 현개발차종 ) 에서동일하게나타난다고가정하였다. 2) 따라서, 스틸 BIW 강성에대비하여설정된알루미늄스페이스프레임차체의강성목표 (2.1절참조 ) 에서, 동일기여도를지니도록골조부강성을추정하였다. 이와같이설정된골조모델의강성및중량목표는 Table 1 에나타낸바와같다. 2.3 결합부강성기여도해석 압출재를결합하는캐스트노드의적용부위를선정하여강성을최적화하도록하였다. 결합부의결합강성을변수로하는실험계획법을이용하여, 결합부의강성기여도를평가하였으며, 의미있는기여도를나타내는결합부를결정하였다. 이를위해아토스베이스스페이스프레임에적용된캐스트노드의단품강성해석결과를기준으로하여, 결합부를등가의스프링요소로치환하였다. 결합부 스프링요소의강성을상한값과하한값 (-50%~50%) 으로변경하면서, 각각 2차례의선별실험계획법 (Screening DOE) 을수행하여굽힘및비틀림강성에기여도가높은결합부를선택하였다. 이와같이선택된결합부에대해캐스트노드생산성등을고려하여캐스트노드적용부를결정하였으며, 나머지결합부는압출재의직접용접으로구성하기로하였다. 2.4 압출재상세단면최적화기본적인골격구조와캐스트노드적용부가설정된알루미늄스페이스프레임모델에대해압출재의상세단면을설정하는해석을수행하였다. 압출재의기본단면은다음의 Fig. 3과같이스틸차체의레이아웃을고려하여, 기본프레임형상을내부에서유지하도록설정하였다. 골조모델강성해석에서얻어진각부재의기여도및이전차종의압출재단면을검토하여, 국부적인강도및강성이요구되는부재에는리브를적용하도록하였다. 또한, 프론트사이드멤버의경우정면충돌에가장중요한부재이므로, 별도의연구를통해에너지흡수능력을최적화하여결정된형상및두께를적용하였다. 3) 그외의주요부재에대해서는, Fig. 3과같이기본적인단면형상을결정한후, 압출재에대해단면두께를변수로하고, 중량을제약조건으로설정하는 Fig. 3 ASF 기본골격구성 Fig. 4 압출재프레임최적화부재형상 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 1,

Hyuk Kang Woomin Kyoung Table 2 ASF 골조부 최적화 성능 평가 결과 평가항목 중량 굽힘 강성 비틀림 강성 목표(Steel BIW대비) 29.6% 76.9% 36.

5와 같 은 조건에 따라 평가하였고, 동강성의 경우 차체에 대한 고유 진동 해석을 수행하여 스틸 차체와 동일 한 모드의 고유 진동수를 비교하였다.

최적화 재 단면 설계 과정과 마찬가지로 알루미늄 외판의 된 압출재를 적용한 스페이스 프레임의 형상 및 성 두께를 설계 변수로 하는 최적화 해석을 수행하였 능 평가 결과는 Fig. 4와 Table 2에 나타낸 바와 같다.

5 알루미늄 외판 최적화 위의 최적화 결과에서 보는 바와 같이, 알루미늄 압출재 및 캐스트 노드를 최적화하여 설계된 스 스페이스 프레임차체의 경우 중량 목표는 만족하였 페이스 프레임에 알루미늄 외판을 적용하여 최종 으나, 정강성의 경우 다소 목표에

4 Hyuk Kang Woomin Kyoung Table 2 ASF 골조부 최적화 성능 평가 결과 평가항목 중량 굽힘 강성 비틀림 강성 목표(Steel BIW대비) 29.6% 76.9% 36.5% 된 스페이스 프레임 차량에 대해 정/동강성 해석을 최적화 결과 (ASF골조모델) 29.3% 86.9% 32.9% 수행하여 초기 구조적인 특성을 분석하였다. 정강 성의 경우 굽힘 강성 및 비틀림 강성을 Fig. 5와 같 은 조건에 따라 평가하였고, 동강성의 경우 차체에 대한 고유 진동 해석을 수행하여 스틸 차체와 동일 한 모드의 고유 진동수를 비교하였다. 이와 같이 구 정/동강성 최적화 해석 및 실제 양산성에 대한 추가 성된 알루미늄 스페이스 프레임 차체에 대해 압출 검토 과정을 통해 단면 특성을 결정하였다. 최적화 재 단면 설계 과정과 마찬가지로 알루미늄 외판의 된 압출재를 적용한 스페이스 프레임의 형상 및 성 두께를 설계 변수로 하는 최적화 해석을 수행하였 능 평가 결과는 Fig. 4와 Table 2에 나타낸 바와 같다. 으며, 최종적인 최적화 결과는 Fig. 6 및 Table 3과 같다. 2.5 알루미늄 외판 최적화 위의 최적화 결과에서 보는 바와 같이, 알루미늄 압출재 및 캐스트 노드를 최적화하여 설계된 스 스페이스 프레임차체의 경우 중량 목표는 만족하였 페이스 프레임에 알루미늄 외판을 적용하여 최종 으나, 정강성의 경우 다소 목표에 미치지 못한 것으 적으로 알루미늄 스페이스 프레임 차체를 설계하 로 나타났으며, 특히, 비틀림 강성이 목표에 크게 미 였다. 알루미늄 내/외판은 스틸 차체의 판재를 기본 달되었다. 이는 이전 제작 차량에 근거하여 추정한 으로 하여 알루미늄 판재로 치환하였으며, A 필라 외판 및 캐스트 노드의 강성 기여도가 다소 과도하 내측 하단부와 B 필라 내측 및 보강재는 구조강화 게 평가되어, 스페이스 프레임 모델에서 충분히 강 폼(Structural foam)을 적용하였다. 이와 같이 설정 성을 확보하지 못한 것이 가장 큰 원인으로 추정된 (a) 굽힘 강성 (b) 비틀림 강성 Fig. 5 ASP 굽힘 강성 해석 조건 정강성 해석 굽힘 강성 비틀림 강성 Fig. 6 알루미늄 스페이스 프레임 차체 정강성 해석 시 차체 변형 형상 178 한국자동차공학회논문집 제16 권 제1 호, 2008

Structural Design Optimization of the Aluminum Space Frame Vehicle Table 3 ASF 차체 최적화 결과 중량 정강성 동강성 이와 같이 제작된 차체의 중량은 목표 대비 약 스페이스프레임 목표 결과 60.

차량의 성능을 평 가하기 위해 강성 시험을 수행하였으며, 시험 결과 는 Table 4와 같다. 최적화 설계안의 경우 비틀림 강 성이 다소 부족한 것으로 나타났지만, 실제 시험에 서는 목표를 충분히 만족하는 것으로 나타났다.

또한, 굽힘 강성의 경우 목표를 만족 하지 못하였으나, 최적화 설계안 해석과 유사하게 3. 차량 제작 및 시험 나타났다. 위와 같은 최적 설계안을 바탕으로 하여 Photo.

기본적인 BIW 구성은 골조부 최적화 결과를 루미늄 스페이스 프레임 차량은 모드 연비 6%, 가속 적용하였으며, 판재는 최적화 대상으로 제시된 파 성능 11% 향상 및 경량화 38%를 달성하였음을 확 트에 대해 해석 결과를 적용하였다.

5 Structural Design Optimization of the Aluminum Space Frame Vehicle Table 3 ASF 차체 최적화 결과 중량 정강성 동강성 이와 같이 제작된 차체의 중량은 목표 대비 약 스페이스프레임 목표 결과 60.0% 54.5% 굽힘 강성 84.2% 비틀림 강성 78.7% 1차 비틀림 109.4% 1차 굽힘 124.2% 62% 로 목표 대비 약 3% 초과 되었다. 이는, 해석에서 평가되지 않은 일부 판넬의 두께 및 주조재 영향으로 발생하였다. 차량의 성능을 평 가하기 위해 강성 시험을 수행하였으며, 시험 결과 는 Table 4와 같다. 최적화 설계안의 경우 비틀림 강 성이 다소 부족한 것으로 나타났지만, 실제 시험에 서는 목표를 충분히 만족하는 것으로 나타났다. 이 는 쇽업쇼바 하우징부의 주조재 적용 및 테일게이 다. 그러나, 중량이 스틸 차체에 비해 약 45% 절감된 트 개구부를 구성하는 판넬류의 보강으로 인한 것 효과로 인해 동강성은 높게 나타났다. 으로 추정된다. 또한, 굽힘 강성의 경우 목표를 만족 하지 못하였으나, 최적화 설계안 해석과 유사하게 3. 차량 제작 및 시험 나타났다. 위와 같은 최적 설계안을 바탕으로 하여 Photo. 1 알루미늄 스페이스 프레임 차체를 이용한 차량을 과 같이 알루미늄 스페이스 프레임 차체를 제작하 Photo 2와 같이 제작하였으며, 실차 시험을 통해 알 였다. 기본적인 BIW 구성은 골조부 최적화 결과를 루미늄 스페이스 프레임 차량은 모드 연비 6%, 가속 적용하였으며, 판재는 최적화 대상으로 제시된 파 성능 11% 향상 및 경량화 38%를 달성하였음을 확 트에 대해 해석 결과를 적용하였다. 또한, 쇽업쇼바 인하였다. 하우징 및 B-필라의 경우 강성 및 강도 보강 측면에 또한 실차의 충돌 성능 평가를 위해 정면충돌시 험(EURO N-CAP 64kph 40% offset)과 측면충돌시험 서 주조재를 적용하였다. Photo. 1 알루미늄 스페이스 프레임 차량(BIW) Photo. 3 정면 충돌 시험 결과 Photo. 2 알루미늄 스페이스 프레임 차량(실차) Photo. 4 측면 충돌 시험 결과 Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 16, No. 1,

6 강혁 경우민 (EURO N-CAP 50kph) 을실시하였다 (Photo. 3, 4). 기존스틸차체대비정면충돌은대쉬판넬의밀림량이 15mm 감소, 측면충돌은 B-필러의변형량이 84mm 감소하여알루미늄스페이스프레임의충돌성능도향상되었음을확인하였다. 특히, 측면충돌성능은주조품을 B-필러로적용하여강성이향상된것에기인하였다. 4. 결론스틸차체를기본으로하는알루미늄스페이스프레임차체를제작하기위해목표설정에서부터정 / 동강성을최적화하는설계및해석기법을수립하였고, 실제개발차량에대한알루미늄스페이스프레임설계를수행하여중량감소및정 / 동강성이향상된차체구조를확보할수있었다. 이를통해다음과같은결론을얻었다. 1) 알루미늄스페이스프레임차체는프레임및판넬구조로구성된차체로, 프레임및차체를분리하여최적화설계과정을수행할수있었다. 2) 프레임및차체판넬은각각의설계과정에서최적화해석기법을적용하여, 정강성및동강성목표를동시에만족할수있도록설계하였다. 3) 캐스트노드는실험계획법을이용하여각각의기여도를평가하였으며, 이에따라적용부위를결정하여설계하였다. 4) 최적화설계안을바탕으로실제차체를제작하였으며, 중량목표및비틀림강성목표는달성하였으나, 굽힘강성은다소미흡하게나타났다. References 1) W. Leitermann and J. Christlein, The 2nd Generation Audi Space Frame of the A2 : A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept in a Compact Class Car, FISITA, F2000G360, ) H. Kang and J. S. Kim, The Development of Lightweight Vehicle using Aluminum Space Frame, Proceedings of the 7th Next Generation Vehicles Technology, pp , ) H. Y. Kim, J. K. Kim, S. J. Heo and H. Kang, Design of the Impact Energy Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum Intensive Vehicle, Transactions of KSAE, Vol.10, No.1, pp , ) Y. D. Chung, H. Kang and W. S. Cho, The Development of Lightweight Vehicle Using Aluminum Space Frame, FISITA, F2000G361, ) W. M. Kyoung, K. H. Park and H. Kang, Structural Design Optimization of the Aluminum Space Frame Vehicle, CJK-OSM2, BUSAN, TS10-4, 한국자동차공학회논문집제 16 권제 1 호, 2008

<303520C1B6C0E7BFF52DBDBAC6E4C0CCBDBA20C7C1B7B9C0D3C0BB20B0A1C1F820B0E6C1D6BFEB20C2F7B7AEC0C720C3E6B5B92E687770>

<303520C1B6C0E7BFF52DBDBAC6E4C0CCBDBA20C7C1B7B9C0D3C0BB20B0A1C1F820B0E6C1D6BFEB20C2F7B7AEC0C720C3E6B5B92E687770> 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 7 pp. 2341-2348, 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