Vol. 28, No. 2, 46-51 (2015) DOI: http://dx.doi.org/10.7234/composres.2015.28.2.046 ISSN 2288-2103(Print), ISSN 2288-2111(Online) Paper 차세대자동차본넷용친환경경량화자연섬유복합재구조설계 박길수 * 공창덕 * 박현범 ** Structural Design of Light Weight Natural Fiber Composites for Next Generation Automobile Bonnet 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 : 본연구에서는차량용본넷의구조설계및해석을수행하였다. 구조설계를위해아마 / 비닐에스테르복합재료가적용되었다. 아마섬유복합재본넷의제조공법은 VARTML(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding-Light) 제조공법이적용하였다. VARTML 공법은한쪽면은견고한금형을사용하고다른면은진공과함께유연한금형을사용하여압력차를이용하여내부에적층된섬유에수지를신속하게함침시켜성형하는방법이다. 아마 / 비닐에스테르패널로부터시편을가공하여재료의기계적물성치를획득하기위한시편시험을수행하였다. 이를기반으로자동차본넷의구조설계를수행하였다. Key Words: 자연섬유 (Natural fiber), 구조설계 (Structural design), 자동차본넷 (Automobile bonnet), 경량화 (Light weight) 1. 서론 자동차경량화는자동차업계의영원한과제이다. 자동차경량화는기본성능인가속력과제동력을높이는직접적인요인이며, 가속력과제동력을높이기위해서는같은출력일경우경량화할수록유리하다. 자동차의경량화는엔진의효율을극대화할수있으며, 상대적출력이적어도출력당감당해야할중량비가줄어들기때문에무거운차량보다가속성능과운동성능을우월하게확보할수있다. 또한최근환경규제와고유가시대의도래로연비개선은필 수가되었다. 오일쇼크때부터활발히도입되기시작한각국의자동차연비규제의가장근본적인목표는에너지절약이라할수있다. 최근미국, 중국, 유럽을비롯한세계각국은자동차연비기준을점차강화하고있고, 고연비기술을적용한차량에추가적인인센티브를제공하는등국가차원에서도연비향상을위해꾸준한노력을기울여그성과를거두고있다. 10% 의무게감소시 5-7% 의연비가좋아지는것으로알려져있어자동차제조회사에서는경량화를위해노력하고있으며관련부품업체들도완성차업체와협력하여경량소재를개발하고있다. Received 21 January 2015, received in revised form 24 April 2015, accepted 29 April 2015 * Department of Aerospace Engineering, Chosum University ** Department of Defense & Science Technology-Aeronautics, Howon University, Corresponding author (E-mail: swordship@daum.net)
Structural Design of Light Weight Natural Fiber Composites for Next Generation Automobile Bonnet 47 본연구에서는친환경소재로다양하게연구되고있는아마 / 비닐에스테르 (Flax/vinyl ester) 복합재료에대한물성치를평가하여소형자동차본넷의구조설계및해석을수행하였다. 아마 / 비닐에스테르적용복합재료의제조방법은경량화와대량생산에적합한제조공정인 RTM(Resin Transfer Molding) 을적용하였다. 시편을제작하여재료의기계적물성치를분석하였으며, 분석된기계적물성치를설계에활용하였다. 구조설계결과는구조해석및구조시험을통해구조안전성을검토하였다. 2. 자연섬유분석및기계적물성치평가 복합재료로적용되는자연섬유는셀룰로오스함량이높을수록물성이향상되어기존의인공섬유를대체하기에유리하다. 현재적용되고있는자연섬유는아마 (Flax), 대마 (Hemp), 황마 (Jute), 케나프 (Kenaf), 모시 (Ramie), 아바카 (Abaca), 대나무 (Bamboo), 코이어 (Coir) 등이있다 [1-3]. 이중에서아마, 황마, 대마등은인장강도가높은편으로산업용으로적용하기에적합한형태이다. 섬유질의함량을비교했을때아마는 71%, 황마는 65%, 대마는 72%, 사이잘은 69% 로분석되었다. 따라서본연구에서는 2D-Fabric 형태로직조된아마섬유를차량용후드제작을위한재료로선정하였다. Fig. 1은아마섬유의직조형상이며, Table 1은아마섬유의기계적물성치이다. 자연섬유에사용되는수지는크게열가소성 (Thermoplastic) 수지와수지로분리된다. 대표적인열가소성수지를분석해보면폴리에틸렌 (Polyethylene), 폴리프로필렌 (Polypropylene), 폴리아미드 (Polyamide) 이다. 열경화성수지는에폭시 (Epoxy), 비닐에스테르 (Vinyl ester), 페놀 (Phenolic) 등이사용된다. 최근에는자연수지도개발되고있는데열대나무의열매껍질에서채취된캐슈넛쉘수지 (CNSL: Cashew nut shell oil resin) 가대표적인자연수지로활용되고있다. 복합재료섬유에적용되는수지는열경화성수지가많이적용된다. 본연구에서는비교적가격이저렴한비닐에스테르를아마섬유에적용할수지로선정하였다. 본연구에서사용한수지의점성은 25 C에서 350 mm 2 /s이다. 또한침투계수는 25 C Table 3. Mechanical properties of 2-D fabric flax/vinyl ester specimen (Fiber volume fraction; 34%) Test Institute Test Type Advanced Composite Materials R&D Center, Jiwootech Co., Ltd Strength (MPa) Modulus (GPa) Tension 76.74 9.14 Compression 72.80 6.78 Flexure 108.72 6.75 In Plane Shear 36.19 1.66 에서 1.10 15 이다. Table 2는비닐에스테르의물성치를나타내고있다. 시편제작공법은시제품제작에사용될동일한방법인 VARTML 제조공법을적용하여제작되었다. 본연구에서각시편시험은총 3개씩수행하여평균값을산출하였다. 각시편시험방법은 ASTM 규정에의거하여수행하였다. 인장, 압축, 굽힘, 전단시험은각각 ASTM D 3039, D 6641, D 790-3, D 5379에의해수행되었다. Table 3은시편시험결과를보여주고있다. 섬유체적비는 34% 로서참고문헌 [4] 의연구에서제시한아마 / 비닐에스테르시편의섬유체적비가 25% 인것과비교한결과본연구에서제시한제작공법이보다우수한것으로검토되었다. 3. 차체본넷구조설계및해석 Poisson Ratio 0.24 3.1 차체본넷구조설계본연구에서는아마섬유로설계한차량용본넷의구조적거동을비교하기위해기존금속으로제작된국내소형차의본넷과비교분석하였다. 기계적물성치는앞서분석된아마섬유분석결과를적용하였다. 설계하중은자동차가 200 km/h의속도로운행했을때작용하는공력하중을분석하여설계를수행하였다. 또한기존에금속으로설계된구조물의강성을분석하여복합재구조의강성이유사 Density [g/cm 2 ] Table 1. Mechanical properties of 2-D fabric flax Orientation Aerial Weight [gsm] Tensile Strength [MPa] Tensile Modulus 1.3 ±45 biaxial 600 500 50 Table 2. Mechanical properties of KRF-1031 Non Volatile Monomer Viscosity Gel Time Acid Value Curing Temp. 54-58% 0.8-1.2 P 50-60 min 0-8 mg KOH/g 15-100% Fig. 1. 2D-fabric flax fiber
48 Kilsu Park, Changduk Kong, Hyunbum Park Fig. 2. Structural configuration of automobile bonnet Fig. 4. Stress analysis result of flax/vinyl ester composite panel 하도록 설계하였다[5]. 구조 설계 결과 소형 차량용 본넷 구조는 2-D Fabric 아마 섬유 6 plies 두께로 설계 되었으며, 적층 형태는 [±45]6이 다. Fig. 2는 차량용 패널의 구조 형상을 보여주고 있다. 대 상 구조물 본넷의 3차원 형상을 모델링하여 구조 설계 결 과의 검증을 위해 구조 해석을 수행하였다. 3.2 구조 해석 본 연구에서 최종 설계 결과의 구조 안전성 검토를 위해 상용 유한요소 해석 소프트웨어를 활용하여 구조 해석을 수행하였다. 구조물에 작용하는 하중은 자동차가 200 km/ h의 속도로 운행하였을 때 작용하는 공력 하중을 분석하 여 적용하였다. 패널은 지면과 30 의 각도로 장착되어 있 다고 가정하였고 자동차가 200 km/h의 속도로 운행 할 때 패널에 작용하는 하중은 1932 N/m2이며 안전율 1.5배를 고 려하였다. 구조 해석 종류는 응력 해석, 변형 해석, 좌굴 해 석, 열응력 해석 총 4가지의 해석을 수행하였다. 경계 조건 은 패널이 장책되는 끝단 부위를 고정 경계 조건으로 적 용하였다. 열해석을 위한 내외부 온도 조건은 엔진에서 전 달되는 열을 분석하여 패널 하부는 50oC로 적용하고 상부 는 0oC로 적용하였다. Fig. 3은 유한요소 모델링 결과를 보 여주고 있다. 차량용 본넷의 구조해석 결과 최대 압축 응력은 -0.90 MPa, 최대 인장 응력은 0.38 MPa로서 충분히 안전한 것으로 검 토되었다. 변위 해석 결과는 본넷 중앙 부위에서 0.33 mm 로 검토되어 차량과 결합되었을 때 변위도 충분히 안전한 Fig. 3. Finite element modeling of automobile body panel Fig. 5. Deformation of flax/vinyl ester composite panel Fig. 6. Buckling analysis result of flax/vinyl ester composite panel Fig. 7. Thermal stress analysis result
Structural Design of Light Weight Natural Fiber Composites for Next Generation Automobile Bonnet 49 Fig. 8. Displacement analysis results due to thermal stress 것으로확인되었다. 좌굴해석결과하중배수는 18로서충분히좌굴에안정한구조물인것으로검토되었다. 또한본넷은엔진에의한열이전달되므로열응력해석을수행하였다. 온도조건은 50 o C의온도를적용하여열응력을검토한결과최대압축응력은 0.99 MPa로확인되었으며, 최대인장응력은 0.43 MPa로검토되었다. 변위는 0.43 mm로검토되었다. Fig. 4-8은구조해석을통한응력, 변위, 좌굴, 열응력해석결과를보여주고있다. 4. 시제품제작및구조시험 4.1 차체본넷시제품제작본연구에서는 VARTML(Vacuum Assisted Resin Transfer Molding-Light) 제조공법으로시제품을제작하였다. 수지주입구개수는 1개이며, 수지배출구는 4개로장착하였다. 수지주입압력은 1bar이며수지배출구압력은 -1 bar로적용하였다. 총수지주입시간은 60분으로확인되었다. 시제품제작을위한경화온도는상온경화이며, 경화시간은 24 시간경화하였다. Fig. 9는몰드에아마섬유적층및수지주입후성형과정이다. Fig. 10은시제품제작과정과완성된시제품을보여주고있다. Fig. 10. Manufactured prototype of automobile bonnet 4.2 차체본넷구조시험아마섬유복합재차량용본넷의구조안전성검토를위한구조시험은스트레인, 변위시험을수행하였다. 구조시험하중은설계하중인공력하중을 2 지점에집중하중으로변환하여적용하였다. 시제품을고정한후에하중을가한후변형률과변위를검토하여해석결과와비교하였다. 시제품의구속위치는뒷면중앙부위를구속하였으며, 하중위치는양옆에서각각 300 mm 지점에하중을적용하였다. 시제품의끝단을고정하고상하면 4개지점에스트레인게이지를부착하여스트레인을검토하고해석결과와비교하여구조설계결과의타당성을검토하였다. Fig. 11은 Fig. 11. Bonnet mounting and attachment of strain gauge Fig. 9. Manufacturing process of prototype Fig. 12. Structural test of bonnet
50 Kilsu Park, Changduk Kong, Hyunbum Park Fig. 14. The upper surface strain analysis Fig. 13. Maximum displacement of the panel 스트레인 게이지를 부착한 사진이다. 공력 하중을 집중 하중으로 변환한 후 시제품의 상면 두 지점에 위치를 선정하여 무게 추를 이용해 집중하중을 모 사하였다. 각 지점에 30 kg의 무게 추를 적용하여 총 60kg의 하중을 적용하였다. 스트레인 측정은 KYOWA 4 channel strain data acquisition system을 통하여 측정하였다. Fig. 12 는 하중 적용 장면이다. 시제품 변위 측정은 패널 끝단에서 최대 변위를 측정하여 해석 결과와 비교하였다. Fig. 13에 변위 측정 장면을 명시하였다. 시제품의 구조 시험 결과를 분석하여 구조 해석 결과와 비교하였다. 시험 결과와 비교를 위한 구조 해석은 패널 끝 단 지지점에 대한 경계 조건과 집중 하중을 반영하여 수행 하였다. 본 연구에서 설계 단계에서는 분포 하중을 적용하 여 설계 하였으나 구조 시험 방안이 집중 하중 형태가 용이 하므로 분포 하중을 집중 하중으로 변환하여 구조 해석을 다시 수행하였다. 구조 하중은 두 지점에 각각 30 kg의 하 중을 집중 하중으로 적용하여 해석한 후 비교하였다. 스트 레인 게이지는 자동차 길이 방향으로 부착하였으며, 하중 해석 결과도 동일한 방향의 결과를 분석하여 비교하였다. Table 4는 해석 결과와 구조 시험 결과를 보여주고 있다. 구 조 시험 결과와 유한 요소 해석 결과를 비교 검토한 결과 유 사한 것으로 확인하였다. 따라서 아마 섬유를 적용한 차량 용 본넷의 구조 설계는 충분히 안전한 구조인 것으로 검토 되었다. Fig. 14-16은 상하면 스트레인 해석 결과 및 최대 변 위 해석 결과를 보여주고 있다. Table 4. Comparison of the analysis results and test results Analysis results Test results Displacement 51.4 mm 50 mm Strain at No.1 point 3770 µs 3450 µs Strain at No.2 point 3360 µs 3112 µs Strain at No.3 point 5300 µs 4843 µs Strain at No.4 point 4540 µs 4065 µs Fig. 15. The bottom surface strain analysis Fig. 16. Maximum displacement analysis 5. 결 론 본 연구에서는 차량용 본넷을 자연섬유인 아마 섬유와 비닐 에스테르를 적용하여 복합재 구조의 거동을 분석하 고 구조 설계 및 해석을 수행하였으며, 시제품을 제작하여 구조 시험을 수행하였다. 구조 설계 후 구조 안전성을 평가 하기 위하여 상용 유한 요소 해석 프로그램으로 구조 설계 결과를 검토하였다. 구조 해석 결과 아마/비닐 에스테르 복 합재가 적용된 차량용 패널은 충분히 안전한 것으로 검토 되었다. 시제품은 VARTML 공법으로 제작하였으며, 시제 품 제작 후 구조 시험을 수행하여 구조물의 안정성을 검토 하였다. 아마 섬유를 적용하여 제작한 차량용 본넷의 무게
Structural Design of Light Weight Natural Fiber Composites for Next Generation Automobile Bonnet 51 는 5.2 kg으로기존금속으로제작된차량용본넷과비교했을때약 10% 의무게절감효과를확인하였다. 본연구에서비교한금속재본넷은상면패널에내부스티프너가보강된구조이다. 본연구에서설계한친환경복합재본넷은일체형으로제작의용이성을고려해설계를수행하였으나, 최적화는고려가되지않았다. 향후적층패턴최적화를통해추가경량화가가능할것으로보인다. 후 기 본연구는조선대학교산학협력선도대학 (LINC) 육성사업에서지원하는연구과제로수행된것이며, 지원에대해감사드립니다. 본연구는호원대학교교내학술비지원으로수행되었습니다. REFERENCES and Valente, T., Thermal and Mechanical Behaviour of Phormium Tenax Reinforced Polypropylene Composite, Proceeding of the 15 th European Conference on Composite Materials, 2012, pp. 1-7. 2. Adekunle, K.F., Cho, S.W., Patzelt, C., Blomfeldt, T., and Skrifvars, M., 2012, Impact and Flexural Properties of Flax Fabrics and Lyocell Fibre Reinforced Bio-based Thermoset for Automotive and Structural Applications, Proceeding of the 15 th European Conference on Composite Materials, 2012, pp. 1-6. 3. Park, H., Kong, C., Lee, J., Kim, I., and Lee, H., Investigation on Mechanical Properties of Flax/Vinyl Ester Natural Fiber Composite, Composites Research, Vol. 27, No. 1, pp. 19-24. 4. Yan, L., 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. 5. Walter D. Pilkey, Formulas for Stress, Strain and Sructural Matrices, A Wiley-Interscience Publication, Canada, 1994. 1. Puglia, D., Iannoni, A., Kenny, J.M., Santulli, C., Sarasini, F.,