한국자동차공학회 2004 년도춘계학술대회논문집 pp. KSAE04-S0001 비대칭모자형사각관의정적및동적압궤실험을통한충돌성능평가 김진성 *1) 임지호 1) 허훈 1) 김종섭 2) 정태현 2) 한국과학기술원기계공학과 1) 성우하이텍기술연구소 2) Crashworthiness evaluation o asymmetric hat-type rectangular tube by static and dynamic crush test Jinsung Kim *1) Jiho Lim 1) Hoon Huh 1) Jongseub Kim 2) Taehyun Jung 2) 1) Department o Mechanical Engineering, Korea Advanced Institute o Science and Technology, Science town, Daejeon, 305-701, Korea 2) Technology Institute, Sungwoo Hitech, Gijang-Gun, Busan, 619-961, Korea Abstract : The axial crush o channeled members is important in estimation o the energy absorption during the car rontal crash. In order to improve the energy absorption capacity and the velocity deceleration actor o an auto-body, the ront-side members are mounted at the side o the engine room and made undergo the axial crush at the beginning o the car crash. There have been so many studies about square or rectangular boxes and hat-type specimens or the axial crush both experimentally and analytically while there are ew studies about asymmetric hattype specimens that are used or designated deormation. The axial crush o asymmetric hat-type specimens is, however, diicult to describe analytically with the kinematic crush mechanism. In this paper, asymmetric hat-type specimens are abricated by spot welding or laser welding with dierent spacing between two welded spots. The specimens are then deormed or the axial crush at the various crush velocity. The experimental result shows that the specimens are not deormed in a consistent manner, but arbitrarily. In this type o axial crush, the length o the lange region is an important parameter as well as the spacing between welded spots. Experimental results also show the dierence in the crush mode between the spot-welded specimens and the laser-welded ones. The dierence in the irst peak and average load is also demonstrated as well as the energy absorption capacity. Key words : Axial crush( 축방향압궤 ), Asymmetric hat-type rectangular tube( 비대칭모자형사각관 ), Static crush( 정적압궤 ), Dynamic crush( 동적압궤 ), Crashworthiness( 충돌성능 ), Arbitrariness( 임의성 ). 1. 서론전세계적으로화석연료고갈문제로인해자 동차의차체경량화는고강도강이나알루미늄합금등의신소재를차체에적용함으로써얻어지고있고, 또한차체충돌시에너지흡수메커니즘에관한연구를통해부재의충돌에너지흡수효율을증가시킴으로써차체경량화를실현하고있다. 일반적으로자동차사고는정면충돌이전체의 70 % 이상을차지하고있다. 이러한정면충돌에. * remperor@kaist.ac.kr 너지는대부분단면적이크고두꺼운강판으로제작된사이드부재에서흡수된다. 따라서사이드부재는하중지지를위한구조적인강성뿐아니라충돌에너지흡수성능역시우수하여야한다. 충돌에너지흡수성능은차체충돌시객실변형을최소화하여야하며충돌초기의감속도는치명적인승객상해에직접적인원인이되므로구조용부재설계시이에관한충분한연구가필수적이다. 사이드부재의압궤특성에관한연구에는주로이상화한모자형단면사각관시편을사용한다. 일반적으로사이드부재는점용접으로강판을접합하며최근에는점용접보다 1
용접강도가높은레이저용접기술의발달로레이저용접으로강판을접합하기시작했으나모자형사각관부재의충돌특성에대한레이저용접의성능에관해서는거의보고된바가없다. 플렌지가대칭인모자형사각관에관한연구는이론적인연구와실험적인연구가많이수행되었으나플렌지가비대칭인모자형사각관의압궤특성에관한연구는찾아보기힘들다. 본연구에서는실제차량에서사용되고있는사이드부재의치수와유사하도록비대칭모자형사각관시편을제작하여, 정적및동적압궤특성에관한연구를수행했다. 같은양의소재를사용하면서플렌지의길이에따른비대칭모자형사각관의압궤특성을고찰하며구조물에대한레이저용접의압궤특성을점용접과비교평가한다. 또한용접점개수가늘어날경우압궤특성이어떻게달라지는지비교고찰한다. h h d d 2. 시편및실험방법시편은비대칭모자형사각관구조이고, 내판과외판을고정시키는용접방법에따라레이저용접 (L형) 과점용접 (S형) 으로나뉜다. 플렌지의너비이가다른두종류의레이저용접시편과용접점간격이다른세종류의점용접시편을실험하였다. Figure 1(a) 와 (b) 에용접종류에따라레이저용접을한시편과점용접을한시편을각각도시하였고, Figure 2는사각관의단면형상을나타낸다. 는플렌지너비, h는끝단에서첫번째용접점까지의거리, d는인접한용접점간거리, l은레이저용접길이이다. 실험을수행한시편은총 5종이며그규격와형상, 용접부는 Table 1과같이분류할수있으며 Figure 3에 5종의시편의개략적인형상과용접형태를나타내었다. LA시편과 LB시편의차이는플렌지너비에있으며용접형태와사용된재료의양은같다. SA, SB, SC시편은 LA형과같은단면형상을가지고있으며 SA형의점용접점개수가가장적고 SC형의점용접점의개수가가장많다. LA형과 SB형은용접점간격이같고용접부의넓이가같다. 모든시편에사용된강판은두께 1.4 mm의 SPRC35R 강판이며축방향길이는 320 mm로모든종류시편의질량이같다. 실제시편은상하단에강판을용접하여고정하였다. 정적압궤실험은정적만능시험기를이용하여 수행하였으며압궤속도는 20 mm/min 이고총압 (a) (b) Figure 1 Welding methods and geometrical variables: (a) Laser welding; (b) Spot welding. 궤거리는 150 mm이다. 동적압궤실험은고속충돌시험기를이용하여수행하였다. 대차의질량은 215.5 kg, 압궤속도는 8.4 m/s이다. Table 1 Geometrical variables o hat-type specimens(: 175mm lange width, d: welded pitch, h: distance between the top end and the irst welded spot, l: length o laserwelded line). 95mm Type d (mm) (mm) h (mm) l (mm) 1 Laser LA 40 18 20 25 LB 40 6 20 25 SA 50 18 10 Figure 2 Cross section o asymmetric hat-type tube Spot SB 40 18 20 SC 30 18 10 2
한국자동차공학회 2004 년도춘계학술대회논문집 pp. KSAE04-S0001 (a) (b) (c) (d) (e) Figure 3 Schematics o each specimen model and its welded lines and spots: (a) LA model; (b) LB model; (c) SA model; (d)sb model; (e) SC model. 3. 정적및동적압궤실험결과정적압궤실험에사용된시편은 LA형 13개, LB 형 10개, SA형 5개, SB형 13개, SC형 5개이다. 이중각종류의시편마다실험편차가적다고판단되는 4개씩의결과로써충돌특성을평가하였다. 동적압궤실험에사용된시편은 LA형 11개, LB형 14개, SA형 9개, SB형 12개, SC형 10개이다. 정적실험결과정리와마찬가지로편차가큰결과를제외하고각종류의시편당 4개의결과로써충돌특성을평가하였다. 3.1 정적압궤실험결과정적압궤실험결과는 Table 2과같다. 실험결과는최대하중, 각변위별에너지흡수량, 평균하중으로 4회의실험값의평균치이다. 최대하중은단면의형상이같은 LA, SA, SB, SC형의최대하중이플렌지너비가짧은 LB형의최대하중보다 10 % 가량높게측정되었다. Figure 4(a) 는각변위별에너지흡수량을그래프로나타낸것이다. 플렌지너비가긴 LA형의에너지흡수효율이플렌지너비가잛은 LB형보다 150 mm에서약 7 % 높은값을보여, 정적압궤실험결과같은양의소재를사용했을때플렌지너비가 18 mm로내부단면적이다소작아지더라도플렌지너비가 6 mm로내부단면적이커지는경우보다에너지흡수효율이좋다고평가할수있다. 점용접시편인 SA, SB, SC형의에너지흡수량을비교하면 120 mm이하에서는점용접점의개수가많을수록에너지흡수량은다소커지나 150 mm에서는세시편이거의같은에너지흡수량을보였다. 이는시편의총길이가 320 mm 이므로 120 mm이상의변형을하게되면굽혀진주름이 2개이상생기는지점으로끝단에닿는효과로인해용접방법에상관없이에너지흡수량이급격히증가하기때문으로판단된다. 같은용접부넓이를가지는 LA형과 SB형의에너지흡수량의차이는거의없다. 정적압궤실험에서는플렌지길이에따른에너지흡수효율차이와용접점의개수에따른차이는명확했으나용접방법에따른차이는거의없다. 3.2 동적압궤실험결과동적압궤실험결과는 Table 3와같으며표의값은각종류시편별로 4개의실험결과를평균한값이며최대하중, 변위별에너지흡수량, 평균하중, 최대압궤거리를나타내었다. 최대하중은 LA형이 321.7 kn으로 LB형보다다소큰값을보였으며점용접점수가적은 SA형은 272.1 kn으로가장낮았으며 SC형으로갈수록커지는결과를보였다. 정적압궤실험결과와는다르게점용접점의개수에따른최대하중의차이를볼수있었으며레이저용접을한시편이최대하중이가장크게나타났다. 3
Table 2 Static crush result o asymmetric hat-type specimens. Type Peak Load Absorbed Energy (J) Mean Load at (kn) 30mm 60mm 90mm 120mm 150mm 150 mm LA 99.8 1140.5 2116.6 3264.5 4276.0 5184.1 34.6 LB 91.9 1047.2 1988.3 2996.1 3988.0 4814.8 32.1 SA 105.3 957.5 1868.7 2843.0 3957.2 5321.3 35.5 SB 105.4 1109.4 2011.0 3071.4 4141.0 5202.0 34.7 SC 100.5 1122.3 2258.5 3342.0 4238.6 5286.3 35.2 Table 3 Dynamic crush result o asymmetric hat-type specimens. Type Peak Load Absorbed Energy (J) Mean Load Penetration (kn) 30mm 60mm 90mm 120mm at 120mm (kn) (mm) LA 321.7 1832.2 3433.2 5078.1 6211.6 51.8 157.7 LB 315.1 1725.4 2794.5 4122.3 5385.7 44.9 172.3 SA 272.1 1595.0 2535.7 4039.8 5383.0 44.9 170.7 SB 311.9 1897.6 2857.8 4138.7 5459.2 45.5 162.6 SC 304.4 1752.0 3057.9 4774.2 6147.7 51.2 150.2 Absorbed Energy (J) 6000 5000 4000 3000 2000 Static crush result LA model LB model SA model SB model SC model Absorbed Energy (J) 7000 6000 5000 4000 3000 2000 Dynamic crush result LA type LB type SA type SB type SC type 1000 1000 0 0 30 60 90 120 150 180 Displacement (mm) 0 0 30 60 90 120 150 Displacement (mm) (a) (b) Figure 4 Average absorbed energy o static and dynamic crush o all models at each distance: (a) static crush result; (b) dynamic crush result. Figure 4(b) 에각시편의압궤거리별에너지흡수량을도시하였다. LA형과 LB형의에너지흡수량은압궤가진행될수록격차가커지며 120 mm 에서 LA형의에너지흡수량은 6211.6 J로 LB형에비해 13.3 % 높다. 최대압궤거리역시 LA형의압궤거리가 157.7 mm로 LB형의 172.3 mm보다짧아 LA형의충돌에너지흡수효율이 LB형보다우수하였다. 점용접시편의경우, 점용접점의개수가많아짐에따른에너지흡수량의증가가정적압궤실험결과보다두드러지게나타남을관찰할수있다. 압궤가진행될수록에너지흡수량의차 이가점점커지며최대압궤거리역시 SA형이가장길고 SC형이가장짧다. 이러한결과는플렌지의너비가짧은 LB형의경우짧은플렌지에변형이집중되면서높은응력이순간적으로가해지면서파단이일어났기때문으로판단된다. 또한점용접의경우점용접점의개수가적은 SA와 SB의경우에는압궤초반에용접점과인접한용접점사이가벌어지면서용접부에상대적으로높은하중이순간적으로작용하면서용접부가취약해져파단이일어났기때문에용접점의개수가적어질수록에너지흡수효율이급 4
한국자동차공학회 2004 년도춘계학술대회논문집 pp. KSAE04-S0001 격히떨어지고있다고판단된다. 정적압궤실험결과에서는 LA형과 SB형의에너지흡수효율의차이가거의없었으나, 동적압궤실험결과용접부의피치와넓이가같은 LA형의에너지흡수효율이 SB형의에너지흡수효율보다우수하였다. LA형이 SB형보다압궤거리 60 mm에서 17.1 %, 90 mm에서 16.2 %, 120 mm에서 9.3 % 높은에너지흡수량을보였다. 최대압궤거리는두시편이거의같은결과를보였다. 타났다. 이는미세한실험조건의오차가시편의비대칭성에영향을주어붕괴모드에크게작용한때문으로판단된다. 후기본연구는 성우하이텍의지원에의해서이루어진것입니다. 이에감사드립니다. 3.3 붕괴모드의임의성같은종류의시편에대한흡수에너지와하중그래프에서일관된에너지흡수경향을보이지않았음을뚜렷이볼수있었다. 또한압궤중의형상을볼때도특정한붕괴모드를보이지않고매우불규칙한붕괴양상을보였다. 이것은실험조건에서의미세한오차, 각시편의제작상의오차등이플렌지부의비대칭성의효과를크게증가시켜붕괴모드의임의성이매우강해졌다고할수있다. 플렌지가대칭이거나정사각관의경우에는붕괴모드의임의성이그만큼약해질것으로예상된다. 실제사이드부재로사용되는제품은본연구에사용된시편처럼옆면이평평하지않고굴곡이많이있으며복잡한체결때문에실제차체충돌시붕괴모드의임의성은매우중요한의미를가질것으로판단된다. 4. 결론 1) 같은양의소재를사용할경우플렌지너비가어느정도긴것이아주짧은경우보다에너지흡수효율이좋다. 2) 정적압궤실험결과점용접점의개수에따른에너지흡수효율의차이는다소적었으나동적압궤실험결과에너지흡수효율의차이가큰폭으로나타났다. 3) 같은용접부넓이와피치를가질때레이저용접을한시편이점용접을한시편보다충돌에너지흡수효율이우수하다. 이는정적압궤실험에서는에너지흡수효율의차이가거의없으나동적압궤실험에서는확연히드러났다. 4) 비대칭모자형사각관시편의정적및동적압궤실험에서모두붕괴모드의임의성이크게나 Reerences [1] Y. Ohkubo, T. Akamatsu and K. Shirasawa, Mean crushing strength o closed-hat section members, SAE Paper No. 740040, 1974. [2] T. Wierzbicki and W. Abramowicz, On the crushing mechanics o thin-walled structures, Journal o Applied Mechanics, Vol. 50, pp. 727-734, 1983. [3] W. Abramowicz and N. Jones, Dynamic axial crushing o square tubes, Int. Journal o Impact Eng., Vol 2, No. 2, pp. 179-208, 1984. [4] W. Abramowicz and N. Jones, Dynamic progressive buckling o circular and square tubes, Int. Journal o Impact Eng., Vol 4, No. 4, pp. 243-270, 1986. [5] W. Abramowicz and T. Wierzbicki, Axial crushing o multicorner sheet metal columns, Journal o Applied Mechanics, Vol. 56, No. 1, pp. 113-120, 1989. [6] T. Wierzbicki and J. Huang, Initiation o plastic olding mechanism in crushed box columns, Thin- Walled Structures, Vol. 13, No. 1-2, pp. 115-143, 1991. [7] W. Abramowicz and N. Jones, Transition rom initial global bending to progressive buckling o tubes loaded statically and dynamically, Int. Journal o Impact Eng., Vol. 19, No. 5-6, pp. 415-5
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