Vol. 28, No. 5, 291-296 (2015) DOI: http://dx.doi.org/10.7234/composres.2015.28.5.291 ISSN 2288-2103(Print), ISSN 2288-2111(Online) Paper 충돌하중을고려한친환경자연섬유복합재적용자동차차체패널의구조설계연구 박길수 * 공창덕 * 박현범 ** A Study on Structural Design of Natural Fiber Composites Automobile Body Panel Considering Impact Load Kilsu Park*, Changduk Kong*, Hyunbum Park** ABSTRACT: In this study, structural design and analysis of the automobile bonnet is performed. The flax/vinly ester composite material is applied for structural design. The Vacuum Assisted Resin Transfer Molding-Light (VARTML) manufacturing method is adopted for manufacturing the flax fiber composite bonnet. The VARTML is a manufacturing process that the resin is injected into the fly layered-up fibers enclosed by a rigid mold tool under vacuum. A series of flax/vinyl ester composite panels are manufactured, and several kinds of specimens cut out from the panels are tested to obtain mechanical performance data. Based on this, structural design of the automobile bonnet is performed. 초록 : 본연구에서는자동차구조물의경량화를위해자연섬유복합재료를적용하여차량용패널의구조설계및해석을수행하였다. 구조설계를위해 Flax/vinyl ester 복합재료를적용하였다. 섬유복합재패널의제조공법은 VARTML(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding-Light) 제조공법이적용되었다. 구조설계후충돌에의한구조물의안전성을분석하기위해충돌실험을수행하였다. 충돌실험은유럽보행자보호기준에맞게수행하였으며해석결과를검증하기위하여시편을제작해충격실험을수행하였다. 또한충격손상후구조물의잔류강도를측정하기위해손상을가한시편의압축강도실험을수행하였다. Key Words: 자연섬유 (Natural fiber), 구조설계 (Structural design), 자동차패널 (Automobile panel), 경량화 (Light weight) 1. 서론 자동차경량화는구조설계분야에서중요한분야이다. 자동차경량화는기본성능인가속력과제동력을높이는직접적인요인이며, 가속력과제동력을높이기위해서는같은출력일경우경량화할수록유리하다. 자동차의경량화는엔진의효율을극대화할수있으며, 상대적출력이작아도출력당감당해야할중량비가줄어들기때문에무거 운차량보다가속성능과운동성능을우월하게확보할수있다. 또한최근환경규제와고유가시대의도래로연비개선은필수가되었다. 10% 의무게감소시 5~7% 의연비가좋아지는것으로알려져있어자동차제조회사에서는경량화를위해노력하고있으며관련부품업체들도완성차업체와협력하여경량소재를개발하고있다. 본연구에서는친환경소재로다양하게연구되고있는아마 / 비닐에스테르 (Flax/vinyl ester) 복합재료에대한물성 Received 30 June 2015, received in revised form 27 October 2015, accepted 27 October 2015 * Department of Aerospace Engineering, Chosun University ** Department of Defense & Science Technology-Aeronautics, Howon University, Corresponding author (E-mail: swordship@daum.net)
292 Kilsu Park, Changduk Kong, Hyunbum Park 치를평가하여소형자동차패널의구조설계및해석을수행하였다. 아마 / 비닐에스테르적용복합재료의제조방법은경량화와대량생산에적합한제조공정인 VARTML (Vacuum Assisted Resin Transfer Molding-Light) 을적용하였다. 시편을제작하여재료의기계적물성치를분석하였으며, 충돌에의한구조물의안전성을분석하기위해시편충격실험을수행하였다. 또한충돌후구조물의잔류강도를측정하기위해충격을가한시편의압축강도실험을수행하여손상후구조물의구조적거동을분석하였다. 2. 자연섬유분석및기계적물성치평가 자연섬유복합재는최근여러산업분야에서사용되고있다. 특히자동차산업에서는도어패널, 좌석등받이, 헤드라이너, 계기판, 트렁크라이너등기존금속재료를대체하여구조물의경량화를위해자연섬유복합재료를적용한구조물로대체하고있는추세이다. 자연섬유는유리섬유와비교했을때강도는다소낮지만가격, 비중, 에너지흡수능력을비교했을때자연섬유가유리섬유보다유리 하다. 특히자연섬유중에서도아마섬유가인장강도와탄성계수가가장뛰어나다. 따라서본연구에서는아마섬유를적용하여구조설계를수행하였다. Fig. 1은자연섬유와유리섬유의특성을비교한그래프이며 Fig. 2는자연섬유 Table 1. Mechanical properties of 2-D fabric flax/vinyl ester specimen (Fiber volume fraction; 34%) Test type Strength (MPa) (GPa) Tension 109.83 10.07 Compression 89.87 9.70 Flexure 163.04 10.12 In Plane Shear 20.05 Poisson ratio 0.18 의특성을비교한그래프이다 [1]. 자연섬유에사용되는수지는크게열가소성수지와열경화성수지로분리된다. 복합재료섬유에적용되는수지는열경화성수지가많이적용된다. 열경화성수지는에폭시 (Epoxy), 비닐에스테르 (Vinyl ester), 페놀 (Phenolic) 등이사용된다. 본연구에서는비교적가격이저렴한비닐에스테르를아마섬유에적용할수지로선정하였다. 선정된시편은 VARTML 제작공법을적용하여시편을제작하였다. 시편은인장, 압축, 굽힘, 전단시험을수행하여물성치를평가하였다. Table 1은시편시험결과를보여주고있다. 섬유체적비는 34% 로서참고문헌 [2] 의연구에서제시한아마 / 비닐에스테르시편의섬유체적비가 25% 인것과비교한결과본연구에서제시한제작공법이보다우수한것으로검토되었다. 3. 차체패널구조설계및해석 Fig. 1. Comparison of natural fiber and glass fiber[1] 3.1 차체패널구조설계본연구에서는아마섬유로설계한차량용패널의구조적거동을비교하기위해기존금속으로제작된국내소형차의패널과비교분석하였다. 기계적물성치는앞서분석된아마섬유분석결과를적용하였다. 패널은판구조물로패널의중앙에하중이가해졌을때휘어지는특성이생기므로기존에금속으로설계된구조물의휨강도을분석하여자연섬유복합재를적용한구조의휨강도가유사하도록설계하였다. 판구조물의휨강도는식 (1) 에의하여계산된다 [3]. 3 E D eq h p composite = ---------------------- 12( 1 ν 2 ) (1) Fig. 2. Competitive analysis of natural fiber[1] 기존에설계된소형차량의금속패널의두께는 2mm이며이때휨강도 D는 146.52 N m이다. Flax/vinyl ester를 1ply 적용한구조물의휨강도 D는 0.86 NM이다. 기존의금속패널에준하는휨강도를얻기위해 Flax/vinyl ester를적용한패널구조는 2-D Fabric 아마섬유 6plies 두께로설계되었으며, 적층형태는 [±45] 6 이다. Fig. 3은차량용패널의구조형상을보여주고있다. 대상구조물패널의 3차원형상을모델링하여구조설계결과의검증을위해구조해석을수
A Study on Structural Design of Natural Fiber Composites Automobile Body Panel Considering Impact Load 293 Fig. 3. Structural configuration of automobile bonnet Fig. 6. Impact deformation of flax/vinyl ester composite panel 행하였다. 3.2 성인머리모형충돌해석설계된패널의충돌에의한안전성을분석하기위해성인머리모형을모델링하여충돌해석을수행하였다. 충돌해석은성인남성머리가 40 km/h의속도로패널중앙부위에충돌하였을때패널의변위와응력을분석하였다. 성인머리모형은유럽보행자보호법규를기준에따라구모형으로본체는알루미늄으로형성하고점탄성을가지는피부로둘러싸여야한다. 머리모형의지름은 165 mm, 무게는 4.9 kg으로 Fig. 4와같이구성되어있다. 성인머리모형의충격체형상과피부는 Fig. 5와같이모델링하였다 [4]. 충돌해석은유럽보행자보호관련기준에따라 40 km/ Fig. 4. Adult headform dimension[5] Fig. 7. Impact stress analysis result of flax/vinyl ester composite panel h의속도로구조적으로가장취약한부분인중앙부위에충돌하였다. 충돌해석결과패널중앙부위에서변위는 54.603 mm로확인되었다. 수직방향변형이 120 mm를초과하는경우는머리모형충돌시엔진과직접적으로간섭되어머리상해치및엔진손상이극대화될수있다는것을의미한다. 결과적으로패널의수직방향변형이 120 mm를초과하지않았으므로안전한것으로확인되었다. 응력해석결과는 151.09 MPa으로확인하였다. 충돌변위해석과응력해석은 Fig. 6, 7에나타내었다. Flax/vinyl ester을적용한패널의구조적거동을비교하기위해기존스틸패널의충돌해석을수행하였다. 충돌해석은 Flax/vinyl ester 패널과동일하게 40 km/h의속도로패널중앙부위에수직방향으로충돌하였다. 스틸패널의두께는 2mm로설계하였고스틸의물성치는 Table 2에나타내었다. 스틸패널의충돌해석결과변위는패널중앙부위에서 Table 2. Mechanical properties of steel Fig. 5. Model of headform impactor Young's [GPa] Bulk [GPa] Shear [GPa] ν ρ [kg/m 3 ] 200 166.6 76.9 0.3 7850
294 Kilsu Park, Changduk Kong, Hyunbum Park Table 3. Comparison of panel performance Steel panel Flax/vinyl ester panel Comparison Mass 6.48 kg 4.4 kg -31.7% Thickness 2 mm 6 mm 200% Deformation 53.9 mm 54.6 1.13% Stress 260 MPa 151 MPa -41.92% 53.995 mm이며응력은 260.15 MPa으로확인하였다. 자연섬유를적용한패널과비교하였을때변위는자연섬유패널이 1.13% 더높았고, 응력은 41.92% 더작은것을확인하였다. 패널의무게를비교하였을때자연섬유패널이 31.7% 더가벼워구조물의경량화를위해스틸패널을대체하여 Flax/vinyle ester 패널을적용가능한것으로확인하였다. Table 3은스틸패널과아마섬유패널의충돌해석결과를비교한표이다. Fig. 8. Impact analysis result of flax/vinyl ester specimen : deformation (10 J) 4. 시편충격시험 4.1 Flax/vinyl ester 시편충격시험아마섬유를적용한차량용패널의해석결과를검증하기위해성인머리모형의충격체를제작하고시제품에충격시험을수행해야한다. 하지만특수장비가필요하므로본연구에서는시제품제작전에경향을분석하기위한연구를수행하였다. 축소형시편을제작한후시편충격시험을통해실험결과와해석결과를비교하고해석의타당성을검증하였다. 에너지는체적에비례하므로성인머리모형이패널에충돌했을때의에너지에비례하는에너지를계산하여시편충격시험을수행하여시편의파손여부를분석하였다. 또한충격시험이후에압축강도시험을수행하여손상이후의구조물의안전성을분석하였다. 본연구에서적용한충격시험기는중량낙하식충격방식으로충격에너지를위치에너지로환산하여충격체 (Impactor) 를계산된에너지에해당하는위치로이동시켜하단부지지대에클램프 (Clamp) 를이용하고시편을고정하고낙하시켜서충격을가하는방식이다. 충격체질량은 5.0 kg이고, 반구충격체 (Hemispherical Striker Tip) 의직경은 12.7 mm로서 ASTM D7136[6] 기준에의해적용되었다. 시편에가하는충격에너지를정하기위해패널에성인머리가 40 km/h의속도로충돌했을때의에너지를계산하였다. Fig. 9. Impact analysis result of flax/vinyl ester specimen : stress (10 J) 의에너지를계산한후시편에가할에너지를결정하였다. 성인머리모형이패널에충돌할때의에너지는 301 J이며시편에가할충돌에너지는 8.8 J로계산된다. 따라서본연구에서는 8 J/9 J/10 J 3가지경우의충격시험을수행하였다. 충격시험을수행하기전에충격시험을모사하여해석을수행하였다. 해석은 Ansys의 Explicit Dynamics를이용하여충격시의시편의응력및변위를분석하였다. 충격체의질량은 5.2 kg이며, 충돌접촉면의지름은 12.7 mm로설계하였다. 시편충돌속도는 8J/9J/10J의충격에너지를가하기위해충돌속도는 1.76 m/s, 1.86 m/s, 1.96 m/s로적용하였다. 해석결과는 Table 4에나타내었으며 Fig. 6, 7은 10 J의충격을가한시편의변위와응력해석결과이다. 충격시험은충격시험기를활용하여 Flax/vinyl ester 시편에 8J/9J/10J의충격을가하였다. 충격체의무게는 5.2 kg 이며낙하위치는 8 J/9 J/10 J 각각 0.16 m, 0.18 m, 0.20 m의높이에서낙하하였다. 충격시의속도는각각 1.76 m/s, 1.87 m/ s, 1.98 m/s이었다. 충격후시편을분석한결과뒷면까지손 U = 1 -- mv2 2 (2) Table 4. Result of specimen impact analysis 본연구에서제작한시편은 VARTML 공법을적용하였다. 시편의크기는 100 mm 150 mm ±45 로직조된 2-D Fabric 형태의섬유를 0 방향으로적층하여제작하였다. 에너지는체적에비례하므로성인머리모형이패널에충돌할때 V [m/s] 1.76 1.86 1.96 E [J] 8 9 10 Deformation [mm] 4.4665 4.925 5.2255 Stress [MPa] 117.84 134.07 142.8
A Study on Structural Design of Natural Fiber Composites Automobile Body Panel Considering Impact Load 295 Fig. 10. Damage configuration of specimen after impact test (10 J) Fig. 12. Configuration before compression test of impact damage specimen Fig. 11. Result of specimen impact test (10 J) Table 5. Result of specimen impact test Max. load [kn] Impact velocity [m/s] Energy to max load [J] 8 J 3.3994 1.7616 6.3935 9 J 3.4546 1.8767 8.3112 10 J 3.4503 1.9898 8.27795 상된것을확인하였다. 10 J 의충격후시편의앞면과뒷면을 Fig. 10 에나타내었다. 충격손상이시작되는시점부터종료때까지의접촉력과충격이력을각각 Fig. 11 과 Table 5 에나타내었다. Fig. 13. Configuration after compression test of impact damage specimen Table 6. Result of compressive strength after impact No damage 8J 9J 10J Compressive Strength [MPa] 89.87 81.28 74.51 63.56 Strength reduction [%] 0-9.55-17.0-29.26 4.2 시편손상후압축강도시험본연구에서는충격손상후구조물의강도저하정도를분석하기위해시편충격시험이후에압축강도측정시험을실시하였다. 압축강도시험은 Flax/vinyl ester 시편에 8J/ 9J/10J의충격을가한시편과손상이없는시편의압축강도를측정하였다. 충격후압축강도시험은 ASTM D7137[5] 에의하여수행되었다. 복합재료의특성상좌굴에약한시험환경을보완하기위한압축시험지그는 ASTM 시험규정에따라좌굴방지시스템을고안하여적용하였다. Fig. 12는압축시험전시편이지그에장착된형상이며, Fig. 13 은압축시험후파손된시편의형상이다. 시편시험결과 Flax/vinyl ester 시편의 8J/9J/10J의충격에너지적용후압축강도는손상이없는시편강도와비교하여각각 9.55%/17.08%/29.26% 저하되었다. 패널구조설계시 1.5의안전율을적용하였으므로손상에의해강도가 33% 감소되는영역은유지보수가반드시필요한영역으로 10 J 이상의충격시에는유지보수가필요한것으로분석하였다. Table 6은 8J/9J/10J의충격후압축강도비교결과이 Fig. 14. Load-displacement curve of compression specimen 며, Fig. 14 는 8J/9J/10J 의충격에너지가적용된후의시편압축강도시험후하중 - 변위선도를나타내었다. 5. 결론 본연구에서는자연섬유인아마섬유를이용하여 Flax/vinyl ester 복합재료를차량용차체패널에적용하여구조설계및해석, 충격시험을수행하였다. 패널의구조설계는휨강
296 Kilsu Park, Changduk Kong, Hyunbum Park 도를기준으로구조설계를수행하였다. 스틸패널의휨강도에준하게설계하기위해 Flax/vinyl ester 패널의두께는 6mm로설계하였으며, 적층형태는 [±45] 6 이다. 구조설계후유럽보행자보호법규를기준으로성인머리모형을모델링하여패널중앙부위에 40 km/h의속도로충돌해석을수행하였다. 마지막으로충격손상후구조물의잔류강도를측정하기위해시편을제작하여충격시험후손상된시편의압축강도시험을수행하였다. 시편충격에너지는체적에비례하는에너지를계산해시험을수행하였으며, 10 J 이상의충격시에는유지보수가필요한것으로확인하였다. 본연구에서설계한 Flax/vinyl ester 패널은기존스틸패널과비교하여 31.7% 의무게절감률을확인하였으며기존스틸패널을대체하여적용이가능한것으로확인하였다. 후 기 REFERENCES 1. Lucintel Brief, Opportunities in Natural Fiber Composite, Lucintel, 2011. 2. Libo Yan, Effect of Alkali Treatment on Vibration Characteristics and Mechanical Properties of Natural Fabric Reinforced Composites, Journal of Reinforced Plastics and Composites, Vol. 31, No. 13, 2012, pp. 887-896. 3. Walter D. Pilkey, Formulas for Stress, Strain and Sructural Matrices, A Wiley-Interscience Publication, Canada, 1994. 4. Regulation(EC) No. 78/2009 of the European Parliament and of the Council of 14 January, 2009. 5. ASTM D 7137, Standard Test Method for Compressive Residual Strength Properties of Damaged Polymer Matrix Composite Plates, 2005. 6. ASTM D 7136, Standard Test Method for Measuring the Damage Resistance of a Fiber-reinforced Polymer Matrix Composite to a Drop-weight Impact Event, 2005. 본연구는조선대학교산학협력선도대학 (LINC) 육성사업에서지원하는연구과제로수행된것이며, 지원에대해감사드립니다. 본연구는호원대학교교내학술비지원으로수행되었습니다.