저속 충돌 테스트를 위한 크래시박스 최적설계 Ⅱ

지난 호에 이어, 자동차의 저속 충돌 시 적절한 에너지 흡수가 가능한 부품 설계와 다른 부품의 손상이 없도록 적절한 간격을 유지하기 위한 최적설계 방법을 살펴본다.

■ 이주완
한양대학교 기계공학 대학원을 졸업하고 다쏘시스템코리아 시뮬리아 기술팀의 솔루션 컨설턴트로 근무 중이다. 관심 분야는 구조해석 및 최적화이다.
이메일 | Juwan.lee@3ds.com
홈페이지 | www.3ds.com/ko

그림 1. 부품별 에너지 흡수량(Internal energy absorption for each part)

AZT 테스트 해석 모델에서 파트를 크게 4개로 나누고 부품별 흡수량 영향도 분석을 해보면 <그림1>과 같이 확인된다. 베이스라인 해석 모델에서는 사이드 멤버 파트들의 에너지가 가장 높고, 크로스빔 파트들이 두 번째, 폼과 커버가 담당하는 에너지가 가장 적은 흡수량을 나타낸다. 크래시박스(Cbox)의 흡수량이 전체 에너지의 12%로, 이 부분을 높인다면 사이드 멤버쪽의 변형을 줄일 수 있다.
 

그림 2. MSE Force(Mean Squared Error Force)

에너지 흡수량과 힘 변위 선도를 분석하고 개선하는 방법이 기존 다른 연구활동에 많이 사용된 방법이지만, AZT 테스트에 대한 결과를 힘변위선도를 이용한 방법 대신 반력을 이용해 평균제곱오차(mean squared error)를 이용한 방법을 사용하였다.
적절한 압축 거동 시 발생되는 반력이 유지되는 설계가 좋은 설계가 될 수 있다고 판단하여 MSE FORCE를 사용하였다. <그림 2>와 같이 반력 곡선을 크게 3개의 영역으로 나누면 앞 부분은 폼이 해당하는 영역, 중간 영역은 Cbox와 일부 사이드 멤버의 반력, 마지막은 사이드 멤버와 크로스 빔이 영향을 주는 반력 영역으로 확인된다.
크래시박스가 담당하는 영역에서 시간별 변형은 <그림 2>와 같다. 비드의 형상 따라 하중전달특성이 달라짐을 확인하였다. 반력 중 크래시박스가 담당하는 영역에서 총 7개 포인트 반력을 측정하여 오차 값을 최소화하도록 설계에 포함하였다.

그림 3. 적정 요소 사이즈 계산

반력 결과를 산출할 때 많은 연구 결과에서도 확인하였듯이 요소의 사이즈에 큰 영향을 받는 것으로 확인하였다. 공개된 모델의 평균 요소 사이즈는 7.5mm로 이 요소를 2~7mm 사이의 요소 크기로 재생성하여 반력을 측정하였을 때 3mm 품질의 사이즈가 적절한 사이즈라고 판단하였다. 요소의 크기를 적게 할 수록 좋지만 계산 시간에 큰 영향을 미치므로, 사용한 요소 사이즈는 3mm를 사용하였다.