자동차 천장재, 후드 설계

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1. 자동차 천장 설계

 

미국 도로교통안전국 NHTSA에 따르면 자동차 충돌사고 시 발생하는 사상자는 1차 충돌로 인해 발생한 충격보다 차량의 내장재 사이에서 발생하는 2차 충돌로 인한 사상자가 많다고 보고하며 이에 따라 차량 내측 상부 내장재에 대한 탑승자 보호 충돌성능 법규인 연방 자동차 안전기준 및 규정 FMVSS 201을 제정하였으며 자유운동 머리모형을 사용해 차량 내측에서 정해진 각도로 위치시켜 24 km/h의 속도로의 A-필라 B-필라 C-필라 천장 루프레일 등에 충돌시키며 이때 발생하는 머리 상해지수 HIC는 1000을 넘지 않아야 하며 다음의 식으로 계산하며 설계 대상의 영역은 B-필라에 의해 강성이 높고 측면 에어백의 인플레이터가 위치한 B-필라 상단부인 BP1으로 선정하였으며 B-필라 상단부의 내장재는 충격에너지를 흡수하기 위해 폼과 같은 에너지 흡수재나 리브와 같이 충돌 시 변형하여 에너지를 흡수하는 것을 사용하였다.

 

 

리브는 강성이 강하면 탑승자에게 높은 상해를 가할 수 있고 강성이 약하면 쉽게 붕괴하여 에너지 흡수의 역할을 못하며 본 연구에서는 B-필라와 천장에 있는 리브와 인플레이터캡을 대상으로 질량 절감 및 HIC 제한조건으로 고려하는 최적설계를 수행하며 자동차 측면 및 천장 구조물만 있는 반 모델로 머리모형을 포함해 142790개의 요소로 구성하며 FMVSS 201의 시험 규정에 따라 BP1지점을 24 km/h의 속도로 충돌하며 여기서 bi는 설계 변수로 천장의 내장재 리브 2개 인플레이터 캡 B-필라 상단에 있는 리브 1개로 구성하며 설계 변수를 보여주며 머리모형이 충돌하는 BP1지점의 내장재를 대상으로 하였으며 측면 에어백의 인플레이터 캡을 포함시켰다.

 

 

목적함수는 질량이며 제한조건은 FMVSS 201의 법규인 HIC Figure 4.37은 목적함수와 HIC 의 설계 이력이며 목적 함수인 질량은 2.67kg에서 1.81 kg으로 0.86 kg 감소하였으며 이는 초기 질량 대비 약 32% 크게 감소한 수치이며 HIC 초기 제한조건을 만족한 상태에서 제한조건을 약 0.3% 위배한 상태에서 수렴하였고 초기 HIC 가 제한조건을 만족했기 때문에 질량을 감소하면서 HIC는 제한조건에 근접하게 상승한 결과를 도출할 수 있었으며 설계 변수의 설계 이력을 보여주며 이동제한 전략을 적용했기 때문에 리브는 유사하게 두께가 감소했고 인플레이터 캡 b3는 1.800 mm에서 1.454 mm로 줄어들었으며 초기 모델과 최적모델의 머리모형 충돌해석의 가속도 선도를 나타낸 것이며 5 ms 이후 최적모델의 가속도 선도는 초기 모델의 가속도 선도보다 전체적으로 높게 위치하면서 HIC 값이 증가했습니다.

 

 

2. 자동차 후드 설계

 

유럽자동차안전도개선위원회에서 개발한 차대 보행자 사고의 보행자 보호 성능평가 방법을 바탕으로 유럽의 신차안전도평가는 1996년부터 최초로 자동차의 보행자 보호 성능을 평가하기 시작했고 한국 유럽 일본 미국 등의 여러 주요 나라에서 시행하고 있는 NCAP은 정부가 자동차의 충돌안전도를 평가하여 공표하는 제도로 법적인 구속력은 없으나 제작사들은 NCAP의 충돌안전도에서 좋은 평가를 받기 위해 이를 반영하여 설계를 하고 있으며 대표적인 유럽 NCAP의 평가방법을 바탕으로 시험 자동차의 영역 표시를 위해 나타냈으며 횡단 경계선의 영역을 기준으로 1000 mm 1500 mm 영역은 어린이 머리모형 평가영역 1500 mm-2100 mm 영역은 성인 머리모형 평가영역으로 구분하며 성인 머리모형은 지름 165 mm 질량 3.5kg이며 충격 각도는 지면 참조 라인에 대하여 65로 정의하며 머리모형의 속도를 40 km/h가 되도록 하여 충격 시 머리모형의 가속도로 머리 상해지수를 산출하여 평가하였다.

 

 

HIC15 를 사용하여 구간에 따라 색으로 나타내며 녹색 노란색 주황색 갈색 빨간색으로 평가등급을 구분하며 과제 수행을 위해 현대자동차에서 제공받은 SUV  유한요소 모델이며 성인 머리모형을 포함하여 232664개의 유한요소로 구성하며 위상 최적설계를 위해 기존 후드 보강재는 삭제하고 기존 후드를 복제하여 두 겹으로 생성하며 복제한 후드는 기존 후드와 절점 공유를 하였고 기존 후드의 두께는 0.7 mm이며 설계 영역의 후드 두께는 1.5 mm로 하였고 설계 영역의 유한요소는 14204개로 위상 최적설계의 설계 변수의 개수와 동일하였고 머리 상해지수를 목적함수로 고려한 정식화는 다음과 같으며 1443.0에서 509.6으로 줄어들었으며 Euro-NCAP의 기준으로 갈색 등급에서 녹색등급으로 크게 향상됐으며 초기 모델과 최적모델의 가속도 선도를 비교해서 나타냈으며 위상 최적설계의 결과를 보여주며 머리모형이 충돌하는 부분을 중심으로 보강재가 분포하며 방사형으로 공극과 보강재가 반복적으로 형성한 것을 확인할 수 있으며 이러한 위상을 바탕으로 설계자는 후드 하단의 보강재의 배치를 결정할 수 있는 근거로 활용할 수 있으며 본 연구는 후드의 여러 충돌 지점을 고려하지 못한 한계가 있으며 등가정 하중 계산을 위해 생성하는 하중 조건은 80개가 생성되며 이 모든 하중 조건을 사용해서 유한 차분법을 적용해 머리 상해지수를 산출하기 때문에 선형 정적 응답 구조 최적설계를 하는데 오랜 시간이 필요하며 따라서 검증을 위해 가운데 지점만을 고려하였다.