크로스카빔어셈블리의인장및압축거동에관한연구 김영삼 *1) 정동훈 1) 덕양산업 기술연구소 1) A study on the tensile and compression behavior of the cross car beam assembly materials Youngsam Kim *1) Donghoon Chung 1) *1) R&D Center, Duckyang Ind. Co., Ltd. 443-270 Suite 319, R&DB Center, 906-5, Iui-dong, Yeongtong-gu, Suwon, Gyeonggi, Korea Abstract : This paper deals with tensile characteristics for the steel used in an CCB(Cross Car Beam). Three types of steel, which are used in the cross car beam assembly, were tested. The crash performance for driver and passenger safety becomes an essential factor in the design of vehicles, In order to estimate and improve the crash performance of practical automotive parts, dynamic crash test was conducted by using welding specimen composed of the materials with different strength and thickness. In this paper first, reliable FE modeling technique for compression collapse simulation was developed. And, using developed analysis model, a series of analysis was carried out to examine the effect of important design parameters on compression static load collapse characteristics. Computational simulation of impact behavior of passenger car has been effectively performed to reduce the number of crash test. Material properties for the raw materials are used as input for the analysis; however, material properties for the real parts should be used to obtain more accurate results since they have changed during processing and welding. Key words : CCB( 크로스카빔 ), Static Load Test( 정하중시험 ), Tensile Test( 인장시험 ), Compression Test( 압축시험 ), Impact Bracket( 임팩트브래킷 ), Instrument Panel( 인스트루먼트판넬 ) 1. 서론자동차충돌시차체의변형, 혹은파괴거동을해석하기위해서유한요소법을이용한시뮬레이션기법이널리사용되고있다. 이러한시뮬레이션을유한요소법으로수행하기위해서는재료의물성치즉, 응력과변형률사이의관계를알아야만한다. 자동차의진행방향에대하여승객의안전성에직접적인영향을미치는크로스카빔 (cross car beam) 차체의변형, 혹은파괴거동을해석하기위하여유한요소법을이용한시 뮬레이션기법이널리사용되고있다. 이러한시뮬레이션을유한요소법으로수행하기위해서는재료의물성치즉, 응력과변형률사이의관계를알아야만한다. 특히자동차인스트루먼트판넬의골격을이루는크로스카빔 (CCB, cross car beam) 은제조과정에서다른자동차부품보다비교적많은용접과정을거치게된다. 이는 CCB를구성하는소재들의물성치에영향을끼치게되므로실제품에서의 CCB 소재들의물성치는용접전과는다소다른값을가지게된다. 충돌해석시원소재에대한물성치를입력데이터로사용하고
있으나보다정확한충돌현상을시뮬레이션하려면가공및용접을거친실제품의물성치를입력하는것이바람직하다. 본연구를통해얻은물성치를이용하여해석을수행하고이를시험결과와비교함으로써본연구의타당성을확인하고자한다. 2. 인장시험 Fig. 2 STKM11A Tubular 시편규격 이번시험을수행한 CCB 소재는크게 pipe를구성하는 STKM11A, 주로 bracket의재질로사용되는 SPCC, SPHC-P의 3가지이다. 모든 CCB 인장시편절취는 ASTM(American Society for Testing and Materials, 미국재료시험협회 ) 규격을참고하였다. Bracket 시편의경우치수의제약으로표준시편이아닌 subsize시편규격으로절취하였다. Subsize 시편은 ASTM A370에서규정하는 subsize specimen 규격에따라시편을절취하였다. STKM11A의경우는일정한곡률을가진 pipe 형태이다. STKM11A은직경이 50mm, 70mm의두가지직경을가진다. STKM11A는 CCB 실제품에서표준시편 Size로채취할수있으므로 Table 1에보이는대로 ASTM E8M의 specimen 1 규격에만족하도록채취하였다. Fig. 3은 CCB에서절취한소재별인장시편을보여주고있다. STKM11A의경우직경이 50mm, 70mm 두가지가있으며 70mm는이음매가없는강관이기때문에 70mm는용접부시편이없다. SPHC-P의경우 2.0mm, 1.8mm, 1.4mm로 3 종류의두께에대한시편을절취할수있었다. Fig. 4는 A 차종의 CCB 시편절취부위및시편 Numbering에대한개요를보여주고있다. CCB 시편절취는가능한 CCB의모든부위에서절취하도록선정하여 CAE 해석시 CCB의보다정확한거동을파악할수있도록하였다. 2.1 인장시험편 2.1.1 시편규격본연구에서사용한시험편은 ASTM A370 subsize 인장시험편과 ASTM E8M의 specimen 1 규격에만족하도록채취하였다. ASTM A370 시험편과 ASTM E8M의형상과치수는아래 Fig. 1, 2와같다. Fig. 3 ASTM 규격에의해 CCB 에서절취된시편들 Fig. 1 SPCC, SPHC-P subsize 시편규격 Fig. 4 A CAR CCB 의시편절취부위
2.2 인장시험장치및시험방법 2.3 인장시험결과 CCB 실제품의인장시험은 Instron 4469 인장시험기를사용하였다. Instron본시험에사용한인장시험기는 INSTRON 4469이다. Instron 4469 인장시험기는 1초당 10회의샘플링타임으로설정하여시험하였으며이때의최대데이터저장횟수는 8,000개이다. 본연구에서는최대한많은데이터량을획득하기위해 STKM11A 표준시편의경우 2 mm/min, subsize 시편의경우 1mm/min로 Crosshead Speed를설정하여인장시험을수행하였다. 2.2.1 Tubular 시편 ( 표준시편, STKM11A) STKM11A의경우일정한곡률을가진강관의형태로되어있다. 이러한곡률을유지한채인장시험을수행하기위해서시편고정용 Jig를제작하였다. 2.2.2 Rectangular 시편 (subsize 시편, SPHC-P & SPCC) subsize 시편규격으로절취된 SPHC-P, SPCC의경우 Gage Length = 25mm 이다. Subsize시편인장시험에서의 strain값을얻기위해 MTS사의레이저변위계 (Laser Extensometer) 를사용하였다. Laser Extensometer는시편평행부의 Gage Length 양끝단에반사테이프를부착하면 Laser Extensometer 에서나온 Laser Beam이두개의반사테이프양단의변위를인식하는방식의변위계이다. 2.2.3 인장시험구성도 Fig. 5는본연구에서의 CCB 실제품의물성치를얻기위한인장시험기기들의구성도및데이터흐름도이다. CCB 실제품절취시편의인장시험후의파단모 습은 Fig. 6과같다. Subsize 시편으로절취된 SPCC, SPHC-P의경우반사테이프를 gage length 양끝단에붙여서레이저변위계로 strain 값을측정하였다. Fig. 6 CCB 절취시편의인장시험후파단모습 Table 1은 CCB 실제품의소재별인장시험에대한결과값을나타내었다. 원소재물성과실제품의인장시험데이터를비교하였다. Table 1 CCB 실제품소재별인장시험결과 Fig. 5 Instron 4469 & Strain gage & Laser Extensometer의데이터흐름도
STKM11A-Ø50-W 용접부시편은 Ø50 단소재시편보다항복강도 34MPa, 인장강도 51MPa 정도높은값을보이며연신율은 15% 더낮은값을가진다. STKM11A-Ø70 단소재시편의경우 Ø50 단소재시편보다항복강도 112MPa, 인장강도 81MPa 정도더높으며연신율은무려 20% 나적은값을가진다. Fig. 7은 CCB 소재별 Stress-Strain 선도를도시한것이다. 붉은색선은진응력-진변형율, 파란색선은공칭응력-공칭변형율선도이다. CCB의 Impact Bracket 소재인 SPCC, SPHC-P 평판원소재에대한정하중시험을위한시편을 Fig.8에나타내었다. Fig. 8 평판시편 3.1.2 정하중시험기기 Fig. 9는 Impact Bracket 평판원소재의정하중시험모습이다. 시험조건을동일하게하기위해서시편, 시편고정용다이 (die) 는낙하시험기와동일하며낙하시험기의 Plunger tip과동일한형상을가지는압입자를제작하였다. Fig. 7 STKM11A-Ø50 의 S-S 선도 Table 2는 CCB 실제품의원소재물성시험결과를실제품에서채취하여인장시험을수행한결과를비교한것이다. Table 2 CCB 실제품소재별인장시험결과 항복강도의경우, 용접부시편이단소재시편보다강도가향상됨을알수있었고, 인장강도의경우 SPCC는원소재값과일치함을알수있었다. 탄성계수의경우원소재와비슷한값을보여준다. 연신율의경우, SPCC는증가함을알수있었다. 3. 평판원소재의정하중시험 3.1 시험기기 3.1.1 시편 Fig. 9 평판의정하중시험 3.2 정하중시험이론식정하중시험시편고정용다이는중앙이실린더형상을하고있으며그상단에시편을올려서홀더와볼트로시편을다이에고정하는방식이다. 다이에고정된시편을단순화하면시편은단순지지된 circular plate와같다고할수있다. 이경우안쪽의 deflection을계산하기위하여다음과같은방정식을활용할수있다.
3.3 정하중시험결과 식 (1) 에서하중이분포하는 Circle의반지름이무한히작고, 전체하중이유한하다고가정하면식 (1) 에서 b = r = 0 가되므로, Impact Bracket 평판소재에대한정하중시험결과를 Table 4에나타내었다. 이론치항목은식 (3), (4) 를이용하여계산한것이다. Impact Bracket 평판소재에대한정하중시험에대한결과를토대로하중-처짐선도를 Fig. 10에도시하였다. Table 4 정하중시험결과 경계조건에의해식 (2) 는단순지지 circular plate의중심에서의 Maximum Deflection이된다. 즉, SPCC ( 정하중시험결과 ) 여기에서 D 는굽힘강성으로다음과같다. SPHC-P ( 정하중시험결과 ) 식 (3), (4) 를이용하여하중-처짐에대한값을계산하면 Table 3과같다. Table 3 정하중에서의이론적변형 SPCC ( 정하중시험이론치 ) SPHC-P ( 정하중시험이론치 ) Fig. 10 Impact Bracket 평판소재에대한정하중시험선도 Table 3에서이론치는 circular plate가단순지지된경계조건에대한결과이나실제실험치는
circular plate가단순지지와완전고정의중간정도에해당되는경계조건의결과라할수있다. 따라서실제시험에서의처짐량은단순지지조건에의한이론값보다상대적으로적게발생할것이고, 이를 Table 4에서확인할수있다. Table 4의평판소재에대한정하중시험의이론값과실험값이어느정도일치함을확인할수있다. 된 Weld 모델은 Rigid Body로구성하였다. Pipe 재질인 STKM11A-Ø70 단소재시편의경우 Ø50 단소재시편보다항복강도 112MPa, 인장강도 81MPa 정도더높으며연신율은무려 20% 나적은값을가진다. Pipe의경우원소재시편보다실제품의물성을이용하여해석결과의신뢰성을향상시켰다. 4. CCB 실제품의정하중시험및해석 Displacement Fix 4.1 시험및해석방법 Fig 10는차량충돌시페달의침투를방지하기위한임팩트브라켓 (Impact BRKT) 의변위-하중특성을평가하는압축시험이다. 부하자하강속도 :5mm/s 부하자 부하자 BRKT Fig. 10 압축시험 Displacement Fix 16mm z 9mm y 8mm x 용접 a) 모델1 b) 모델2 c) 모델3 Fig. 11 시험및해석모델 하중조건및경계조건은 Pipe의끝단을고정한후에 Impact BRKT의좌면의좌우방향의중심으로부하자를접촉시킨후 Fig. 12와같은화살표방향으로힘을가하는것이다. 본해석에사용
4.2 해석결과 Fig. 12 해석조건 을절취하여인장시험을수행하여원소재의인장시험결과와비교하였다. 또한실제품재료의물성정보를해석에적용하여시험결과와비교하였으며이를토대로아래와같은결론을얻을수있었다. OK NG a) 시험및해석변위 - 하중그래프 1) CCB Pipe를구성하는 STKM11A 소재는인장강도에비해상당히높은항복강도를가지고있음을확인하였다. 2) SPHC-P는두께가감소함에따라항복강도가소폭증가하는경향을보인다. 3) SPCC 및 SPHC-P 평판소재에대한정하중시험을통해처짐량과하중값이선형적임을알수있다. 4) 원소재의경우이론값과실험값을비교한결과일치함을알수있었다. 5) 실제품의인장시험물성데이터를입력데이터로활용하여해석한결과, 실제시험결과와유사한거동이나타나는것을확인하였다. References b) 시험결과 c) 해석결과 Fig. 13 시험및해석결과비교압축강도시험및해석을통해서인장시험을통해서얻은데이터를입력하였을때잘일치함을알수있었다. Impact BRKT은변위-하중요구성능을만족하기위해서 Base Model인모델1에용접을추가한모델2에서성능은향상되었으나목표를만족하진못하였다. 모델3에서는형상을강건한구조로만들고용접을추가하여목표성능을만족할수있었다. 1) Youngsam Kim, Sungwoo Park A study on the tensile behavior of the CCB assembly and stiffness of a bracket, KSAE autumn conference KSAE08-A0295, 2008 2) ASTM A370-07a; Standard Test Method and Definition for Mechanical Testing of Steel Products,2007 3) ASTM E8M-04; Standard Test Method for Tension Testing of Metallic Materials [Metric],2004 4) Hongsuk chang, A Study on the Analysis Method for Optimizing Mounting Brackets,KSAE autumn conference, KSAE05-F0255, 2005 5) Stephen P. Timoshenko & S.Woinowsky-Krieger, Theory of Plates and Shells, McGRAW-HILL, 1964 5. 결론 본연구에서는자동차 CCB 실제품에서시편