알루미늄 - InhaSurface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI R8 Model is...

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工學碩士學位論文

루미늄 스 스

차체 돌특

Crashworthiness Assessment in

Aluminum Space Frame Automotive Body

2008年 2月

仁荷大學校 大學院

機械工學科 ( 固體 生産工學 專攻 )

崔 元 準

工學碩士學位論文

루미늄 스 스

차체 돌특

Crashworthiness Assessment in

Aluminum Space Frame Automotive Body

2008年 2月

指導敎授 趙 鍾 斗

論文 工學碩士學位 論文 提出

仁荷大學校 大學院

機械工學科 ( 固體 生産工學 專攻 )

崔 元 準

論文 崔元準 碩士學位 論文 認定

2008年 2月

主 審

副 審

委 員

I

차 례

1 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1

11 연 경 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1

12 내 술동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2

13 연 내 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8

14 근거∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9

141 USNCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12

142 EURONCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13

143 건 통 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 14

2 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 16

3 사 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25

31 단 상 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25

32 단 께 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 32

4 Pre-process∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

II

41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42

43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44

5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49

6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51

7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53

71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54

8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66

9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68

10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69

III

요 약 문

사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시

과는 달리 동차 엔진 욱 경량

동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재

질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스

차체 연 가 창 진 에 다

본 에 는 상 그 ANSYS 100 과

LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체

동 수 다 차체 비틀림 강

고 진동 병 여 단 과 께

진 께 고 돌 시뮬 수 었다

재 시 고 는 돌시험 고 돌 수

고 그에 승객 도 평가 다

루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에

비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또

그에 고 었다 게 차체 계 시

계 계변경 시간 비 등 감에

가질 것 단 다

IV

ABSTRACT

Automotive safety performance and the protection of environment from

being polluted have drawn the attention of numerous researchers and

motivated them to perform a serious research on this Following this path

development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency

has been put forward and performance of safety evaluation method has been

studied actively

In previous study evaluation of collision behavior is performed by

variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part

Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14

times the thickness of steel section

Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI

R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA

are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance

are analyzed for characterization of an automotive body

In this study aluminum car body performances are compared with those

of steel body Satisfying results have been observed In case of modal

analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency

in the range of idle engine frequency During the crash performance it is

observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in

comparison with the steel car body But the acceleration difference that

affects human injury was a little high ie more than 200g which should be

well below 150g

V

To sum up the performances of ASF car body the weight reduction

observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to

the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to

realize the behavior of car body which will definitely save time and cost

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

工學碩士學位論文

루미늄 스 스

차체 돌특

Crashworthiness Assessment in

Aluminum Space Frame Automotive Body

2008年 2月

指導敎授 趙 鍾 斗

論文 工學碩士學位 論文 提出

仁荷大學校 大學院

機械工學科 ( 固體 生産工學 專攻 )

崔 元 準

論文 崔元準 碩士學位 論文 認定

2008年 2月

主 審

副 審

委 員

I

차 례

1 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1

11 연 경 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1

12 내 술동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2

13 연 내 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8

14 근거∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9

141 USNCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12

142 EURONCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13

143 건 통 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 14

2 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 16

3 사 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25

31 단 상 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25

32 단 께 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 32

4 Pre-process∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

II

41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42

43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44

5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49

6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51

7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53

71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54

8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66

9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68

10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69

III

요 약 문

사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시

과는 달리 동차 엔진 욱 경량

동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재

질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스

차체 연 가 창 진 에 다

본 에 는 상 그 ANSYS 100 과

LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체

동 수 다 차체 비틀림 강

고 진동 병 여 단 과 께

진 께 고 돌 시뮬 수 었다

재 시 고 는 돌시험 고 돌 수

고 그에 승객 도 평가 다

루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에

비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또

그에 고 었다 게 차체 계 시

계 계변경 시간 비 등 감에

가질 것 단 다

IV

ABSTRACT

Automotive safety performance and the protection of environment from

being polluted have drawn the attention of numerous researchers and

motivated them to perform a serious research on this Following this path

development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency

has been put forward and performance of safety evaluation method has been

studied actively

In previous study evaluation of collision behavior is performed by

variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part

Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14

times the thickness of steel section

Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI

R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA

are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance

are analyzed for characterization of an automotive body

In this study aluminum car body performances are compared with those

of steel body Satisfying results have been observed In case of modal

analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency

in the range of idle engine frequency During the crash performance it is

observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in

comparison with the steel car body But the acceleration difference that

affects human injury was a little high ie more than 200g which should be

well below 150g

V

To sum up the performances of ASF car body the weight reduction

observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to

the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to

realize the behavior of car body which will definitely save time and cost

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

論文 崔元準 碩士學位 論文 認定

2008年 2月

主 審

副 審

委 員

I

차 례

1 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1

11 연 경 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1

12 내 술동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2

13 연 내 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8

14 근거∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9

141 USNCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12

142 EURONCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13

143 건 통 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 14

2 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 16

3 사 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25

31 단 상 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25

32 단 께 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 32

4 Pre-process∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

II

41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42

43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44

5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49

6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51

7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53

71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54

8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66

9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68

10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69

III

요 약 문

사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시

과는 달리 동차 엔진 욱 경량

동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재

질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스

차체 연 가 창 진 에 다

본 에 는 상 그 ANSYS 100 과

LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체

동 수 다 차체 비틀림 강

고 진동 병 여 단 과 께

진 께 고 돌 시뮬 수 었다

재 시 고 는 돌시험 고 돌 수

고 그에 승객 도 평가 다

루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에

비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또

그에 고 었다 게 차체 계 시

계 계변경 시간 비 등 감에

가질 것 단 다

IV

ABSTRACT

Automotive safety performance and the protection of environment from

being polluted have drawn the attention of numerous researchers and

motivated them to perform a serious research on this Following this path

development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency

has been put forward and performance of safety evaluation method has been

studied actively

In previous study evaluation of collision behavior is performed by

variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part

Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14

times the thickness of steel section

Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI

R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA

are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance

are analyzed for characterization of an automotive body

In this study aluminum car body performances are compared with those

of steel body Satisfying results have been observed In case of modal

analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency

in the range of idle engine frequency During the crash performance it is

observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in

comparison with the steel car body But the acceleration difference that

affects human injury was a little high ie more than 200g which should be

well below 150g

V

To sum up the performances of ASF car body the weight reduction

observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to

the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to

realize the behavior of car body which will definitely save time and cost

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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1999

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

I

차 례

1 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1

11 연 경 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1

12 내 술동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2

13 연 내 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8

14 근거∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9

141 USNCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12

142 EURONCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13

143 건 통 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 14

2 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 16

3 사 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25

31 단 상 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25

32 단 께 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 32

4 Pre-process∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

II

41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42

43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44

5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49

6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51

7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53

71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54

8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66

9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68

10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69

III

요 약 문

사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시

과는 달리 동차 엔진 욱 경량

동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재

질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스

차체 연 가 창 진 에 다

본 에 는 상 그 ANSYS 100 과

LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체

동 수 다 차체 비틀림 강

고 진동 병 여 단 과 께

진 께 고 돌 시뮬 수 었다

재 시 고 는 돌시험 고 돌 수

고 그에 승객 도 평가 다

루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에

비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또

그에 고 었다 게 차체 계 시

계 계변경 시간 비 등 감에

가질 것 단 다

IV

ABSTRACT

Automotive safety performance and the protection of environment from

being polluted have drawn the attention of numerous researchers and

motivated them to perform a serious research on this Following this path

development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency

has been put forward and performance of safety evaluation method has been

studied actively

In previous study evaluation of collision behavior is performed by

variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part

Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14

times the thickness of steel section

Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI

R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA

are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance

are analyzed for characterization of an automotive body

In this study aluminum car body performances are compared with those

of steel body Satisfying results have been observed In case of modal

analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency

in the range of idle engine frequency During the crash performance it is

observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in

comparison with the steel car body But the acceleration difference that

affects human injury was a little high ie more than 200g which should be

well below 150g

V

To sum up the performances of ASF car body the weight reduction

observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to

the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to

realize the behavior of car body which will definitely save time and cost

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

II

41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37

42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42

43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44

5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46

52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49

6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51

7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53

71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54

8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66

9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68

10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69

III

요 약 문

사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시

과는 달리 동차 엔진 욱 경량

동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재

질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스

차체 연 가 창 진 에 다

본 에 는 상 그 ANSYS 100 과

LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체

동 수 다 차체 비틀림 강

고 진동 병 여 단 과 께

진 께 고 돌 시뮬 수 었다

재 시 고 는 돌시험 고 돌 수

고 그에 승객 도 평가 다

루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에

비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또

그에 고 었다 게 차체 계 시

계 계변경 시간 비 등 감에

가질 것 단 다

IV

ABSTRACT

Automotive safety performance and the protection of environment from

being polluted have drawn the attention of numerous researchers and

motivated them to perform a serious research on this Following this path

development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency

has been put forward and performance of safety evaluation method has been

studied actively

In previous study evaluation of collision behavior is performed by

variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part

Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14

times the thickness of steel section

Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI

R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA

are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance

are analyzed for characterization of an automotive body

In this study aluminum car body performances are compared with those

of steel body Satisfying results have been observed In case of modal

analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency

in the range of idle engine frequency During the crash performance it is

observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in

comparison with the steel car body But the acceleration difference that

affects human injury was a little high ie more than 200g which should be

well below 150g

V

To sum up the performances of ASF car body the weight reduction

observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to

the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to

realize the behavior of car body which will definitely save time and cost

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

III

요 약 문

사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시

과는 달리 동차 엔진 욱 경량

동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재

질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스

차체 연 가 창 진 에 다

본 에 는 상 그 ANSYS 100 과

LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체

동 수 다 차체 비틀림 강

고 진동 병 여 단 과 께

진 께 고 돌 시뮬 수 었다

재 시 고 는 돌시험 고 돌 수

고 그에 승객 도 평가 다

루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에

비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또

그에 고 었다 게 차체 계 시

계 계변경 시간 비 등 감에

가질 것 단 다

IV

ABSTRACT

Automotive safety performance and the protection of environment from

being polluted have drawn the attention of numerous researchers and

motivated them to perform a serious research on this Following this path

development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency

has been put forward and performance of safety evaluation method has been

studied actively

In previous study evaluation of collision behavior is performed by

variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part

Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14

times the thickness of steel section

Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI

R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA

are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance

are analyzed for characterization of an automotive body

In this study aluminum car body performances are compared with those

of steel body Satisfying results have been observed In case of modal

analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency

in the range of idle engine frequency During the crash performance it is

observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in

comparison with the steel car body But the acceleration difference that

affects human injury was a little high ie more than 200g which should be

well below 150g

V

To sum up the performances of ASF car body the weight reduction

observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to

the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to

realize the behavior of car body which will definitely save time and cost

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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rdquo AKTC07 2007

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시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

IV

ABSTRACT

Automotive safety performance and the protection of environment from

being polluted have drawn the attention of numerous researchers and

motivated them to perform a serious research on this Following this path

development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency

has been put forward and performance of safety evaluation method has been

studied actively

In previous study evaluation of collision behavior is performed by

variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part

Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14

times the thickness of steel section

Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI

R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA

are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance

are analyzed for characterization of an automotive body

In this study aluminum car body performances are compared with those

of steel body Satisfying results have been observed In case of modal

analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency

in the range of idle engine frequency During the crash performance it is

observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in

comparison with the steel car body But the acceleration difference that

affects human injury was a little high ie more than 200g which should be

well below 150g

V

To sum up the performances of ASF car body the weight reduction

observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to

the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to

realize the behavior of car body which will definitely save time and cost

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

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[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

V

To sum up the performances of ASF car body the weight reduction

observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to

the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to

realize the behavior of car body which will definitely save time and cost

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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72

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suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

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1999

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

VI

NOMENCLATURES

AW BW Bodies in contact system

AG BG Boundaries of the body

CG Contact surface

An Bn

Unit normal vectors

ANv BNv

Normal velocities

nc Interpenetration velocity

s Strain rate tensor

r Mass density

b Body force

t Surface force

nd Function dof the interpenetration

H Heaviside function

1b 2b Penalty parameters

M Diagonal mass matrix

g Acceleration vector

u Displacement vector

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

VII

f Reaction force

in

Slave node

k Interface stiffness

l Stiffness factor

mk sk Stiffnesses of the master and slave surface

h Thickness

E Youngrsquos modulus

Td Transverse displacement

iP Contact point

x h Isoparametric coordinates

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

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계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

VIII

List of Tables

Table1 NCAP test procedures and world NCAP

Table2 Geometric properties of test specimens

Table3 Element properties of test specimens

Table4 Material properties of test specimens

Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6

Table6 Mechanical properties of each part

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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rdquo AKTC07 2007

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시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

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(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

IX

List of Figures

Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

Fig3 AUDI R8 ASF body

Fig4 USNCAP Frontal crash test

Fig5 USNCAP Side crash test

Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

Fig7 Side crash test

Fig8 Definition of velocities on the contact surface

Fig9 The concept of master surface and slave nodes

Fig10 Calculation of the contact force

Fig11 FE model of the test specimens

Fig12 Deformed circular section

Fig13 Deformed hexagonal section

Fig14 Deformed rectangular section

Fig15 Deformed triangular section

Fig16 Deformed shape of folding type

Fig17 Difference of distance in variable section types

Fig18 Absorbed energy of each section type

Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)

Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)

Fig23 Absorbed energy of each section thickness

Fig24 Difference of displacement of each section thickness

Fig25 Modeling process in CATIA V5

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

X

Fig26 Completed geometric model in CATIA V5

Fig27 Front isometric view of geometric model

Fig28 Rear isometric view of geometric model

Fig29 Top view of geometric model

Fig30 Side view of geometric model

Fig31 Rear view of geometric model

Fig32 Front view of geometric model

Fig33 Finite element model in LS-DYNA

Fig34 Finite element model in ANSYS 110

Fig35 Front body to wall contact

Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)

Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)

Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

Fig45~53 High speed frontal crash simulation

Fig54 Deformed shape at dashboard

Fig55 Displacements of each node

Fig56 Nodes for measuring acceleration difference

Fig57 Differences of acceleration at each node

Fig58 Energy conversion for collision

Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body

Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

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연 rdquo 강원 원 사 2001

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

1

1

11 연 경

운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주

는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계

술 술 진보 수 들

각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어

개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞

고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비

차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고

실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심

러 고 고 상 동차 계 에 고

지 는 실에 다 또 경 규 강 에

경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에

맞춰지고 다 같 각 동차 업계

는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에

차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지

고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지

도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연

고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개

고 는 실 다

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

2

공산업 술 동차 산업에 그 어

사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량

루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)

가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게

닥쳐 는 들 연 고 다 재

ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가

루어 는 는 연비개 과 염 도

수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다

1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고

다 차체 량 1500 30 도 게

1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리

가 늘어 는 다

그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량

동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량

특 또 연 어 다

12 내 술 동

동차 역사가 거 헤 리고 지만 에

개 립 것 그리 지 다 동차 보

당연 동차 사고도 늘 시 다 1930

동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고

시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

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rdquo AKTC07 2007

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통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

3

등 보 는 가 었다 시트 트 개

차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운

는 상 수 었다 당시 트 트에

웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에

연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들

상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험

지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과

동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또

각각 달 실험 어 움 커 만 갔다

계 연 가 창 진 각 동차 사들

에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많

미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는

거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM

운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭

고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링

시트 트에 내 규 동차 었

운 에 심 갈수 폭 었고 술도

갔다 또 원 고갈 지 다는 견들

시 시 고 엔진 여 연비 개 시

시 었다 엔진 동차는 가벼워

다 든 건들 만 시 재는 루미늄

었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

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[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

4

에 만 었다

동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커

트 뚜껑 개 등과 같 동차

시 다 1980 에 들어 는 강철 재

식 그 루미늄 체

시 고 차량 강 지 께변

단 상 변 에 계가 립 시 다 지만

당시에는 3 차원 루미늄 술과 술

달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술

개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에

루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에

Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시

다 [23] [25]

1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space

frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는

는 에 고 차체 술

계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개

고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어

는 스포 쿠 단 동차에도 고 다

Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재

술 통 여 철 식 또는 철

식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다

또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

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finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

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crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

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Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

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Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

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2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

5

도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비

감에도 많 갖고 에 경규 어

지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복

재 신 재에 비 원가 감 에 우 에

동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다

[23]

우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경

량 차체 실 재에는 고 승 차에 루

미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도

여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도

마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12

연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사

다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가

고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에

수 는 도 가지고 었다

게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술

도 복 수 어 내에 도 체 계 루어

지고 컴퓨 시뮬 계시간 단

고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑

승 여 욱 보 동차 공 도 는

는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직

수 고 수 또 다는 가진다

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

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72

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[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

6

Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame

Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

7

Fig 3 AUDI R8 ASF body

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

8

13 연 내

본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격

수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비

다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel

많 쓰 는 연 강 다 단 상 게

가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지

막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지

상 별 격 수 특 비 다 여 비

각 단 에 사 재료 에 동 건

여 다

사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가

다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연

에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진

CAD 다시 여러 가지

변 었다 게 강 진동 돌

에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970

고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다

BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감

고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었

다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미

늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체

계 다 에 체 건 각 에 다시

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

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연 rdquo 강원 원 사 2001

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[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

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(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

9

돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주

포 트에 승객 공간 도 통 도

평가 다

14 근거

신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시

는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지

시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는

도 다 비 에게 운 택 공 고 사가

동차 도 도 마 것

동차 도평가 도 고도 다 [32]

돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지

돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개

평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에

평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리

미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여

여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에

시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험

보여 다 [32]

각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

10

등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh

리트 고 벽에 돌시 상 가능

10 1등 20 2등 35 3등 45

4등 45 상 5등 단 고 다

신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어

다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978

스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996

도 실시 고 다

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

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[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

11

Frontal Impact Side Impact

US

NC

AP

IIH

S

JN

CA

P

EU

RO

NC

AP

Wor

ld N

CA

P

Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

12

141 USNCAP

USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과

62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체

가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh

돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도

56kmh 주 는 같 동차

돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌

시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등

격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid

III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수

는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내

에 착 어 미 차체 거동 수 게 다

Fig 4 USNCAP Frontal crash test

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

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계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

13

Fig 5 USNCAP Side crash test

142 EURONCAP

EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset

돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루

미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주

는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경

우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고

여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌

시험 습 보여 다

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

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(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

14

Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)

143 건 통

경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통

통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고

다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는

동차 어 에 시 동차 업 통 여

동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고

벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등

돌 가 실시 검 고 다

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

15

Fig 7 Side crash test

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

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[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

16

2 연

간단 Contact 개 여 는 개 사 에

Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact

case 복 태 여 개 수 다 [11]

21 Formulation of the contact problem

211 Impenetrability condition

Impenetrability condition contact 에 매우 심 건

다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다

들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW

가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다

impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수

0A BW CcedilW = (1)

지만 건 변 식

어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어

다 그러므 건 도에 term 는 것

욱 다 contact impenetrability condition

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

17

다 식 쓰여질 수 다

0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r

(2)

여 An Bn

는 unit normal vector 고 ANv BNv

각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc

interpenetration velocity interpenetration rate 린다

가 내 contact 어 들 0nc =

상태

에 거 다 리 다 ( )0nc lt

Fig 8 Definition of velocities on the contact surface

212 Equilibrium condition

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

18

러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium

condition 다

0AN BNt t+ = (3)

들 고 가 다 과 같 식

0N AN BNt t t= = - pound (4)

식 (2) (4) 다 건 만 다

( ) 0N N NG tc c= = (5)

식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다

가 contact 어 interpenetration velocity 는 0

고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0

다 ( )0 0N Nt c= sup1

213 Weak formulation and penalty method

여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable

body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of

virtual power는 다 과 같 쓰여진다

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

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suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

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계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

19

( )

0

iji i i i i

j

i i

vP d v b d v d

x

v v d v

dd s d r d t

d r d

W W G

W

para= W- W- G

para

+ W =

ograve ograve ograve

ograve amp (6)

여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는

strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는

surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia

forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여

질 수 다

int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)

그러 weak formulation contact condition(5)에 여

constraint 간주 수 없다 러 가지 가

능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각

수 다

( ) 0

( ) 0

P v v

G v

d d=

= (8)

재 같 계산 수 Radioss calculation code 는

Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface

들 small interpenetration 다 그러 impenetrability

condition contact surface normal force 가 통

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

20

그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다

( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)

With

( ) NG v t vdd dG

= Gograve (10)

다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc

수가 다

( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)

여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다

( )NH c 1 0

0 0

N

N

if

if

c

c

gt

lt (12)

재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같

쓸 수 다

1 2 N N Nt b d b g= + (13)

여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

21

22 The discretized problem

221 Definition of the contact interface

Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개

geometric surface 수 다 여 많

ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여

것 master surface slave node

impenetrability 다 (Fig9)

Fig 9 The concept of master surface and slave nodes

222 Spatial discretization of the equilibrium equation

Domain W deformable body spatial discretization 고

보 가능 지 평 식 (6) 다

과 같 태 쓰여진다

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

22

[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)

여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고

u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에

surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized

equation 우 에 contf 가 다는 말 다

[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)

여 식 단순 시 없는 탄

보 slave node in에 contact force는 master surface

penetration id 비 다 (Fig10)

int conts ii

f k d= acute (16)

여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수

에 다

int m s

m s

k kk

k kl= acute

+ (17)

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

23

Fig 10 Calculation of the contact force

여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface

slave surface 강 다 Shell element 경

우 각각 강 shell Youngrsquos

modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러

므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다

쉽게 말 식(11) 여 normal contact force

interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수

수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

24

에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼

수 다 태에 는 impenetrability constraint 는

경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같

수 다

( ) ( ) contsf f f u vd c= =

(18)

Slave node 에 contact force 결 는 master surface

에 에 contmf 계산 다 게 여

contact point iP ( )x h nodal masses m

다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는

master surface 들 contact force 포 만 다

4

1

cont contkm sk i

jj

df f

d=

=aring

with

( )

( )4 2

1

1 4

ik k

jj

Nd m k

N

x h

x h=

= =aring

(19)

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

25

3 사 연

31 단 상 별 격 에 지 수 비

재 재질 상에 격 에 지 수 도 비

통 사 연 가 진 었다

단 상 는 원 각 사각 삼각 가지

에 여 진 동 게 여

원 단 원주 누어 각 단 변 결 다

원 단 지 80mm 고 각 단 는

150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model

CATIA V5 여 생 LS-DYNA

다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에

는 5mm 여 다 Table2 에 는 수

각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별

수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에

타 다

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

26

Table 2 Geometric properties of test specimens

Section Type Number of Elements

Number of Nodes

Thickness

Circular type 1944 1775 1mm

Hexagonal type 1884 1713 1mm

Rectangular type 2004 1837 1mm

Triangular type 1974 1806 1mm

Folding type 2004 1806 1mm

Table 3 Element properties of test specimens

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

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516 2000

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연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

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(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

27

Materials Youngrsquos Modulus

Poissonrsquos Ratio

Density

Steel 200GPa 029 7850kgm3

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 4 Material properties of test specimens

Fig 11 FE model of the test specimens

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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516 2000

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6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

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suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

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계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

28

Fig 12 Deformed circular section

Fig 13 Deformed hexagonal section

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

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950721 1995

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70

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71

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516 2000

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연 rdquo 강원 원 사 2001

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강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

29

Fig 14 Deformed rectangular section

Fig 15 Deformed triangular section

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

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rdquo AKTC07 2007

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516 2000

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연 rdquo 강원 원 사 2001

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강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

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(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

30

Fig 16 Deformed shape of folding type

경계 건 여 시 랫 시 고 에

가 강체 벽 Z 지 시 다

강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms

여 다

Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비

균 변 보 변 량과 돌 시 어 지

시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에

도 계 사각 에 같 건

수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어

고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에

는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

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suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

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계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

31

돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지

어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시

돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체

공간 내 다 에 돌시간 짧

승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상

다 본 연 승객 공간 내 차체

는 건 에 돌 시간 게 는 것 다

지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단

상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차

원 술 에 본 에 사 BIW 차체

에 는 사각 단 상 주 사 었다

Fig 17 Difference of distance in variable section types

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

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[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

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[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

32

Fig 18 Absorbed energy of each section types

32 께 별 격 에 지 수 비

Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단

상과 께 지 단 고 시 고 께 변

가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm

29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지

6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었

다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사

31 에 수 에 같고 6061-T6

는 Table 5에 타내었다

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

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승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

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crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

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[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

33

Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과

시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여

비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수

었다

Materials Youngrsquos

Modulus

Poissonrsquos

Ratio Density

Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3

Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

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[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

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72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

34

Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)

Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

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950721 1995

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Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

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70

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Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

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Technology Corporation 2003

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automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

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finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

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Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

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71

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2005

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시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

35

Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)

Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

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54

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Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

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55

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상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

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Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

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61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

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Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

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67

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

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[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

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crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

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[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

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Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

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2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

36

Fig 23 Absorbed energy of each section thickness

Fig 24 Difference of displacement of each section thickness

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

37

4 Pre-Processing

BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary

Condition 여 는 지 과 담고 다

41 CAD Modeling

BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5

Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface

들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8

만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업

과 보여주고 다 에 단 께가 지

참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다

재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model

생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체

습 다

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

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for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

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CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

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M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

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71

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ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

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[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

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6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

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72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

38

Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5

Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

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516 2000

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연 rdquo 강원 원 사 2001

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강도 강연 집 pp 128-137 1999

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suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

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1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

39

Fig 27 Front isometric view of geometric model

Fig 28 Rear isometric view of geometric model

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

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52

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Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

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54

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Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

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55

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상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

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Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

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61

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Fig 55 Displacements of each node

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62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

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Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

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67

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68

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는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

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연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

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[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

40

Fig 29 Top view of geometric model

Fig 30 Side view of geometric model

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

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보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

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68

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수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

41

Fig 31 Rear view of geometric model

Fig 32 Front view of geometric model

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

42

42 FE Modeling

생 각각 Solver 그 에 ANSYS

WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32

다 는 2D Surface Mesh

는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral

dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다

Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다

Part Name Materials Number of

Elements Thickness Mass

Front

Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg

Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg

Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg

Thick

Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg

Max

thickness

profile

Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg

Glass Laminated

glass 3053 5mm 267kg

Table 6 Mechanical properties of each part

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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344-349 2000

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1999

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늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

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격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

43

Fig 33 Finite element model in LS-DYNA

Fig 34 Finite element model in ANSYS 110

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

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61

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Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

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께 2 늘 같 건 진 다

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거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

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EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

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68

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본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

44

43 Boundary Conditions

각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여

트 내 에 고 트 트 사 에도

Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들

간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다

Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는

Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master

Slave 계 다

Fig 35 Front body to wall contact

각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에

Spot Weld 각 Node들간 도 다

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

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Wbxy

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][6

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--= (21)

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차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

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값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

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간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

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50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

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다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

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61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

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어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

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Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

45

차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material

여 든 도 시 다 차체 도 체

경계 건 각 에 다

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

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본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

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진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

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량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

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ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

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간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

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950721 1995

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finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

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crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

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SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

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Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

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[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

46

5 강

본격 돌 에 차체 강 수

다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들

여 고 후 변 상 포 여 차체

본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다

51 강

재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단

2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다

)2(6

2xbaaIE

Wbxy

aal

-+= (20)

][6

)( 2222

mkgfly

xblWbxIE aal times

--= (21)

진 진 단 께 가진 철 차체 ASF

차체 비 루어 다 가지 진 었는

ASF 차체 철 차체 강 실 차

량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실

차량 스 결 는 에 도

변 고 차량 에 4000N

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

보여주고 는 수 는 차체 계

강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다

Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

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났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

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54

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Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

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55

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Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

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61

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62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

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Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

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67

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68

9 결

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는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

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[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

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Designrdquo SAE 951080 1995

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[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

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[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

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SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

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[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

47

여 시 다 결과 8MPa 도

B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상

볼 수 었 차체 변 가 차체 간

에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다

Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지

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Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

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= tan (22)

][

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l

TGJ

LR

qqqtimes

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비틀림 강 시 차체 강

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비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

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진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

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동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

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Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

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도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

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드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

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상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

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950721 1995

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[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

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70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

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crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

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[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

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[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

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[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

48

Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)

Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

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도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

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어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

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보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

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ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

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[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

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950721 1995

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CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

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Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

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Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

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crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

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Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

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2005

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시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

49

52 비틀림 강

차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱

값 다 과 같 식 타낼 수 다

ZLR dd

qq+

= tan (22)

][

2 radmkgfZlTlT

l

TGJ

LR

qqqtimes

+===

ddqq (23)

비틀림 강 시 차체 강

수 과 동 사 다 다만 경계 건에

간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스

도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N

Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽

에 타났 집 Back Complete 에

타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변

값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체

비 강 가지고 다는 단 수 었다

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

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61

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Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

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Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

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Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

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는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

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97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

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냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

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2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

50

Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body

Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

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수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

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등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

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다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

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돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

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어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

51

Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)

6 진동

차량 엔진 진동에 차체 여

Modal 수 다 차량 진동 승객 감

고 차체 에도 미 다 차량 엔진에

가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주

수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주

수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체

주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체

등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주

수 에는 여러 가지가 다 보강재 사

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

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루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

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들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

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에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

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차체 각

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체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

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돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

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보 재 다고 단 수 었다 상 진

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67

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보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

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루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

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상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

52

강 개 단 께 변 재질 변 에 도

변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들

여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다

진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos

루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타

났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공

시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고

단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다

Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에

여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

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어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

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게 감 50에 는 값 보여주는 는

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

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EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

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루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

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도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

53

Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)

7 돌

돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에

타 다 차 실험 는 특 상 고비

는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP

EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는

돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다

돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직

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여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실

동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

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돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

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들 체 상 에 직 미 는 곳( 시

보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

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동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

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5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

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차체 각

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다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

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61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

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돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

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값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

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에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

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차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

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CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

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Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

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Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

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SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

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Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

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rdquo AKTC07 2007

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통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

54

보는 체 주 에 상 산 어 동차

등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에

돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간

차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44

에는 보들 가 것 보여주고

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보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar

B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다

Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety

71 High Speed Frontal Crash

고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과

미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우

동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다

에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

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61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

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어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

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값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

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차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

55

는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다

Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms

도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌

상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58

에 타냈다

Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

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차체 각

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다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

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어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

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에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

56

Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)

Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

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61

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Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

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보다 체 고 실 고 다 들어 동차

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어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

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EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

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상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

57

Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)

Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

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어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

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동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

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차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

58

Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)

Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

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다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

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61

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Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

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어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

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보 재 다고 단 수 었다 상 진

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

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EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

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가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

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많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

59

Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)

Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

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차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

60

Fig 54 Deformed shape at dashboard

Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳

운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보

드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사

거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는

5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm

지 다

다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾

차체 각

시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타

다 리창 에 가 도는 300g 도 지만

체 100g 내 수 었다 에 는

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

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보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

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어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

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보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

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도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

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상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

61

변경 통 여 가 도 낮 가 다

Fig 55 Displacements of each node

Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

진 에 차량 체 링 각 에

다 심 연 통 직

차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보

여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

슴 등)에 격량 통 여 상 통

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

62

Fig 57 Differences of acceleration at each node

Fig 58 Energy conversion for collision

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간

거 4 도 어든 것 볼 수 다

Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

어 보 가 여 체 진

어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실

값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비

게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

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도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

63

격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단

께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile

께 2 늘 같 건 진 다

다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에

돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계

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Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

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강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

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지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

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돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

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67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

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수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

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56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

64

Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)

Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

스 스 차체 계 고 량 30 상 는

것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

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게 감 50에 는 값 보여주는 는

보 재 다고 단 수 었다 상 진

에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

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동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

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마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

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도 평가에 여 연 가 다

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

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가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

65

Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

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것 다

강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어

내었다

지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는

보다 체 고 실 고 다 들어 동차

돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타

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어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는

어 움 었다 간에 -변 곡 고 여

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게 감 50에 는 값 보여주는 는

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67

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EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

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루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬

진 동차 가진 Full Model 고

고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상

많 시간 고 드웨어 능 또 시

수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연

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다 심 연 통 직

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

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수 것 다

마지막 승객 에 상 차체 내

에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

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[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

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97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

66

8 결과 고찰

본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여

루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강

과 진동 그리고 돌 수 다 는 같

재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄

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강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것

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67

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

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[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

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344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

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[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

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[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

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97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

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가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

67

과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다

보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재

EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌

동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb

루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수

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진 동차 가진 Full Model 고

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많 시간 고 드웨어 능 또 시

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여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb

돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬

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마지막 승객 에 상 차체 내

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68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

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평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

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56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

68

9 결

본 에 는 루미늄 스 스 차체에

동 수 다 에 는 차체 강

과 비틀림 강 수 여 차체 역 에

평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특

수 었다

차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수

많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드

드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주

수 30Hz 엔진 가진에 공진

상 승객 감 등 결 다

재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬

수 다 계 승객 같 운동량에

격량 수 도 계 는 것 었다 건

56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과

164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비

돌시간 단 승객에게 직 상 수

는 트 승객 공간 거 없는 상태 다

승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

69

10 참고 헌

[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho

ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo

SAE 980553 1998

[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions

for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995

[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety

Companion 2007

[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products

ALLOY 6061

[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE

950721 1995

[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of

CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness

Designrdquo SAE 951080 1995

[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing

Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology

Institute pp 298-305 2001

[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann

Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in

Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994

[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

70

A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class

Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000

[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-

Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000

FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000

[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software

Technology Corporation 2003

[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E

M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response

automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998

[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by

finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004

[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E

M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile

crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001

[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-

SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001

[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full

Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000

[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy

Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum

Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

71

[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski

ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465

2005

[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al

Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993

[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에

rdquo AKTC07 2007

[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체

통 계 연 rdquo 민 공 사 2005

[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량

시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-

516 2000

[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에

연 rdquo 강원 원 사 2001

[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공

강도 강연 집 pp 128-137 1999

[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999

[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA

6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술

집 pp 448~453 2002

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

72

[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개

(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000

[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체

suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp

344-349 2000

[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체

계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119

1999

[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미

늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공

계 술 032266 2000

[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동

격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술

97380301 1997

[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP

2006 신차 도평가rdquo 2007

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

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주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

없는 습 보여드리 최 다 겠습니다

마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌

73

감사

어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막

미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다

많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다

저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수

님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락

냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본

아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적

주 수님 었 창 든 것 께 상 복

종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산

가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)

강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고

는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민

아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주

미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또

님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많

가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님

카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴

수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다

2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞

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마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가

사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다

2007 년 마 막 날

  • 1 서론
    • 11 연구배경 및 목적
    • 12 국내외 기술동향
    • 13 연구 내용 및 범위
    • 14 관련 근거
      • 141 USNCAP
      • 142 EURONCAP
      • 143 한국 건설교통부
          • 2 연구 이론
          • 3 사전 연구
            • 31 단면 형상 별 충격 거동 비교
            • 32 단면 두께 별 충격 거동 비교
              • 4 Pre-process
                • 41 CAD Modeling
                • 42 FE Modeling
                • 43 Boundary Condition
                  • 5 정적 강성 해석
                    • 51 굽힘 강성 해석
                    • 52 비틀림 강성 해석
                      • 6 진동 해석
                      • 7 충돌 해석
                        • 71 고속 전방 충돌 해석
                          • 8 결과 및 고찰
                          • 9 결론
                          • 10 참고문헌