1. 서 론
2. 해석 방법
2.1. 차체 마운팅(body mounting) 모델링
2.2. 차체 마운팅 부품 해석 경계 조건
3. 해석결과 및 고찰
3.1. Base model 해석 결과
3.2. 다양한 Case 별 해석 결과
4. 결 론
1. 서 론
SUV(sports utility vehicle) 자동차의 구성요소 중 하나인 차체 마운팅(body mounting)은 자동차 차체와 프레임(frame)을 연결해 주는 부품이며 차량 주행중 프레임의 위아래 움직임을 조절하는 역할을 하여 노면에서 발생하는 충격을 완화시킨다.(1~4)
그러나, 차체 마운팅 부품의 경우 자동차의 압축하중을 크게 받는 보안부품이므로 도로의 노면상태가 고르지 못할 경우 등 강한 하중으로 인하여 파손될 가능성이 있다.(1) 그러므로 차체 마운팅 부품의 큰 하중과 이로 인한 설계형상의 영향을 설계 변수로 활용하는 것이 자동차의 안전설계에 필요하다.(4,5)
Fig. 1에 차량 개발 과정에서 로드 시뮬레이터상에서 균열이 발생한 사진과 차체 마운팅의 형상을 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 균열이 발생한 위치는 차체 마운팅의 둥근 끝단부(edge parts)에서 발생하였다. 아울러, Fig. 1(b)에는 Fig. 1(a)의 균열발생 사항을 해석하기 위한 카티아 모델링 결과를 나타내었다.
본 연구에서는, 7인승 SUV(Sports Utility Vehicle) 4WD(4 wheel drive) 차량 차체를 체결하는 데 사용되는 차체 마운팅의 구조해석을 통하여 다양한 설계변경 모델을 검증하였다. 이를 위하여 총 4가지 Case의 설계모델을 수정 변경하여 최대응력을 계산하여 비교해석을 수행하였고, 최대 von-Mises 응력을 계산하여, 결과를 비교하였다. 해석을 위한 설계 모델은 마운팅부위의 형상을 직각으로 변경하기, 보조 링 추가하기, 마운팅 부품 지름을 변경하기 등을 통하여 수정하였다. 본 논문에서는 상기 해석결과를 이용하여 차체 마운팅의 최대응력을 검토 후 설계 기초 자료로 활용하고자 한다.
2. 해석 방법
2.1. 차체 마운팅(body mounting) 모델링
본 연구에서는 4 wheel drive 자동차용 마운팅의 일종인 차체 마운팅(body mounting)의 설계에 대하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 다루었다. Fig. 1에서 알 수 있듯이 로드 시뮬레이터 시험 중 기존 차체 마운팅의 경우 마운팅 지름 끝단부 부분에서 crack이 발생하였으므로 해석모델의 수명을 연장시키기 위하여 차체 마운팅의 지름 끝단부에 발생하는 최대 발생 응력을 감소시킬 필요가 있다.
모델링 초기값으로 CATIA 프로그램으로 서스펜션을 3차원 CAD형상으로 만들었으며 이를 해석용 파일로 메쉬(mesh)를 나누어 모델링을 완성하였다. 해석 모델을 Fig. 2에 나타내었다. 차체 마운팅은 봉형 볼트와 사각 고무부품 및 철재형 원통타입 부품이 자동차 충격에 맞추어 상하로 움직이도록 설계되어 있으며 자동차 차체의 연결을 돕는 프레임과 연결된다. Fig. 2(a)는 기본 모델이며 Fig. 2(b)는 기본 모델에서 원형 끝단부 형상을 직각으로 변경한 모델이며, Fig. 2(c)는 보강재(reinforcement)를 추가한 모델이고, Fig. 2(d)는 마운팅 원형 크기를 기존 지름 70 mm에서 130 mm로 증가시킨 모델이다.
해석을 위해 상용 해석 프로그램인 Nastran을 이용하여 선형 정적 해석(linear static analysis)을 수행하였다. 강도 해석은 마운팅(mounting) 주변의 구조적 강도 보강을 목적으로 수행되었으며, 그 결과를 설계에 반영하고자 하였다.
2.2. 차체 마운팅 부품 해석 경계 조건
Fig. 3에 본 연구에서 사용한 차체 마운팅 부품의 하중조건과 구속조건을 나타내었다. 해석 시 차체 마운팅을 지지하는 원형 볼트 끝단부에 Y-방향 (= 차량의 폭방향)으로 1,000 N의 하중을 가하였으며 다른 차체 부품은 6자유도 전체를 구속(X, Y, Z, Rx, Ry, Rz = fix) 하여 해석을 수행하였다.(6,7)
3. 해석결과 및 고찰
3.1. Base model 해석 결과
Fig. 4에 case 1 모델인 기존 모델(base model)의 응력해석 결과를 나타내었다. Fig. 4는 차체 마운팅 부품의 von-Mises stress를 나타내었으며 기존 모델의 경우 로드 시뮬레이터(road stimulater) 테스트시 마운팅 끝단부에 목표수명의 60%의 주행실험 중 크랙이 발생하였다.
3.2. 다양한 Case 별 해석 결과
Fig. 5에 차체 마운팅의 설계 개선을 위하여 변경한 모델의 해석결과를 나타내었으며, von-Mises 최대 응력을 각 case 별로 나타내었다.
Table 1에 차체 마운팅의 case 1부터 case 4까지 다양한 설계안에 대한 구조해석결과 중 최대 von-Mises stress를 정리하여 나타내었다. 기본 모델인 case 1 모델에 Y-방향으로 1,000 N의 하중을 부여했을 때 상판에서 최대 응력이 220.5 MPa로 나타났다. 그러므로 이 때 나타나는 최대 응력 값을 참고응력(reference) 기준값으로 하여 이 값을 더 줄일 수 있는 설계안은 어떤 것인지 파악하는 것이 설계 고려 사항에 중요한 참고가 될 것으로 기대하였다. 내구 기준의 60%에서 크랙이 발생하였으므로 이을 만족하려면 단순계산으로도 차체 마운팅의 구조해석에서 발생하는 최대응력을 40% 이상 감소시켜야 한다.(6,7)Table 1에서 Case 1모델의 형상을 수정한 case 2 모델의 경우 약 38.3%의 강도약화가 나타내었다. 아울러 보강재를 추가하여 설계 변경한 case 3 모델의 경우 응력집중을 완화시켰으며 이 경우 약 20%의 강도증가를 나타내어 내구 기준을 만족하지는 못하지만 차체 마운팅을 다소 개선시킬 수 있었다. Case 4와 같이 차체 마운팅의 지름 크기를 기존 70 mm에서 130 mm로 대폭 키운 경우 최대 응력 값이 기존 모델 대비 15% 낮아져 개선되었다.
Table 1.
Results of various nalysis conditions
| Cases | Maximum von-Mises Stress | Difference | Remark |
| Case 1 (Base) | 220.5 MPa | 100.0% | Base |
| Case 2 | 305.0 MPa | 138.3% | Fail |
| Case 3 | 177.7 MPa | 80.6% | Fail |
| Case 4 | 33.10 MPa | 15.0% | OK |
Table 1의 결과를 종합하면 보강재를 추가한 차체 마운팅 부품을 사용할 경우(case 3 model) 약 20%의 강도 개선이 예상되지만 상부에 보강재(reinforcement)만 추가하는 경우(case 4 model)에는 약 85%의 강도가 향상되었다. 향후 이렇게 강도가 개선된 case 4 모델에 대하여 실제 로드 시뮬레이터 테스트를 진행할 예정이다.
4. 결 론
본 해석에서는, 7인승 SUV(4WD 자동차)용 차체 마운팅의 정적 구조 해석을 통하여 최대 응력 발생을 조사하였으며 4가지의 다양한 설계변경을 통한 케이스에 대하여 응력 발생 크기를 해석하였다. 단순 형상 변경을 하여 설계한 경우(case 2, 모델) 강도는 약 38% 약화되었다. 그러나 여러 케이스 연구를 통해서 마운트 보강재를 추가하여 이 영역으로 발생하는 응력집중을 대폭 완화시킨 모델로 설계 변경한 경우(case 3 모델) 20%의 강도 향상을 나타내었다. 또한 case 4 모델의 강도증가가 예상되어 내구스펙을 만족하는 동시에 대체로 양호한 수준을 나타내었다.
