충격 시험 번역(한국어 원본)3. 상부 다리모형 충격해석
3.1 충격시험 조건
GTR의 상부 다리모형 후드 선단부 시험 조건은 다음과 같다. 후드 선단부는 지면과 40도를 이루면서 차량 종단 센터 라인과 평행한 막대가 본넷(bonnet)과 이루는 접선에 대하여 충격 시험이 실시된다. 자동차의 종류, 형상에 따라 선단부의 위치가 달라지므로, 상해치를 유발할 만하거나 임의의 3지점 이상을 지정하여 수행되며, 충격 지점 간 거리는 150mm 이상 떨어진 지점들에 대하여 시험이 실시된다. 각각의 측정 지점에서 임팩터가 받는 충격 하중이 7.5KN 이하, 프론트 멤버의 3지점(UPR, CTR, LWR)에서 측정되는 굽힘 모멘트가 510NM 이하가 되어야 한다. (Fig. 2)
본 논문에서는 Fig. 5와 같이 5개의 타격지점에 대한 시험을 수행하였다. 이 지점들에서의 시험 조건은 GTR에 명시된 산출 공식에 따라 각 지점 별 상부 다리모형 임팩터의 속도, 각도 및 에너지를 결정하였다. 시험 결과는 CFC180으로 필터링하여 충격하중과 굽힘 모멘트를 산출하였다.8-10)
3.2 충격 해석 및 신뢰성 검증
충격해석의 신뢰성을 검증하기 위해 크럼플 존을 사용하지 않는 기존의 상용 차량의 시험 결과와 충격해석 결과를 비교하였다. 해석 모델은 Fig. 6과 같이 구성하였다. 임팩터의 충격에 따라 변형이 많이 발생하는 가니쉬(garnish), 그릴(grill), 후드 부의 앞부분은 5~7mm로 세밀하게 모델링하였고, 나머지 부분은 10~15mm로 러프하게 모델링하였다. 모든 부품의 체결은 강체(rigid body) 조건을 사용하여 표현하였다. 플라스틱 재질로 구성된 가니쉬, 그릴, 범퍼, 에어 덕트의 경우 탄소성 영역의 데이터를 적용하였고, 특히 후드와 캐리어의 경우 변형률 속도를 고려한 데이터를 적용하였다.
충격 해석을 통해 얻어진 결과는 세 차례의 시험값과 비교하여 신뢰성을 평가하였다. 충격 하중의 경우, Fig. 7과 같이 5개 지점 모두 시험 결과의 평균값과 해석 결과값이 유사함을 확인할 수 있었다. 그러나 굽힘 모멘트의 경우 Fig. 8과 같이 측정 지점 및 위치에 따라 시험 평균값 대비 최대 25%의 오차를 확인 할 수 있었다. 그러나 해석 결과의 신뢰도가 떨어지는 지점들의 경우 시험 결과값의 산포가 크게 나타났으며, 해석 결과가 시험 결과의 오차 범위에 속해 있기 때문에 해석을 통해 예측된 굽힘 모멘트는 신뢰할 만한 수준으로 판단할 수 있었다.
4. 크럼플 존의 상세 설계
본 연구의 크럼플 존은 프론트 엔드 모듈의 상단부 프레임과 후드 사이에 장착하게 된다. 따라서, 내열성 및 내유성이 우수한 플라스틱을 사용해야 한다. 또한, 가격경쟁력 확보를 위해서 PP 소재를 선택하여 설계하였다.
4.1 Case study를 통한 설계 변수 연구
크럼플 존의 기본적인 구조 설계를 위해, Table 1 과 같이 립의 간격 및 각도에 따른 9개의 case를 선정한 후, A 지점에 대한 충격 해석을 수행하였다. 이때, 생산성을 고려하여 립의 두께는 2mm고 고정하였고, 립 패턴에 따른 영향성만 확인하였다. 해석을 위해 사용한 체결 지점은 장착되는 프레임의 형상과 조립성을 고려한 6개 지점을 고정하여 사용하였다. 해석 시, 재료의 파단효과를 고려하기 위해 데미지 요소를 사용하여 모델링 하였고, 사용된 시험데이터는 450mm/min의 변형 속도에서 측정된 인장시험 결과를 사용하였다.
GTR의 시험 조건을 사용 한 해석 결과, case 2와 같이 설계된 크럼플 존이 충격 하중 및 굽힘 모멘트를 가장 효과적으로 감소 시킬 수 있다는 것을 확인 할 수 있었다. 특히, 굽힘 모멘트의 경우 최대 67%의 감소효과를 기대할 수 있을 것으로 예측되었다. 하지만, 충격 하중의 경우 크럼플 존을 사용하지 않는 모델의 결과 값에 비해 크게 발생하는 것이 확인 되었다. 이는 크럼플 존의 공간 및 체결 위치가 적절하지 못함에 의해 발생되었다고 판단되었다.
4.2 크럼플 존의 상세 설계
case study 결과를 바탕으로 크럼플 존의 크기를 Fig. 9와 같이 확대하고 체결 위치를 변경하였다. 변경된 크럼플 존 모델(modification crumple zone model)의 충격시험 및 해석 결과는 Fig. 10, 11과 같다. 충격 하중 값의 경우, 해석 결과와 시작(prototype) 모델을 사용한 충격 시험 결과의 평균 값과 비교하였을 때 약 90% 이상 유사한 결과를 예측할 수 있었다. 굽힘 모멘트의 경우 시험 결과의 산포를 고려하여 오차 범위 내에 해석 결과가 포함되는지 확인하였다. 그 결과, 기존 양산 차종의 오차 범위(35.0~194.3Nm)와 유사하였다.
Fig. 12, 13은 크럼플 존의 유무에 따른 해석 결과들을 나타낸 그래프이다. 5개의 충격 지점 중 3개 지점인 B, C, D에서 크럼플 존을 사용함으로 충격 하중 및 굽힘 모멘트가 감소하는 결과가 예측되었다. 하지만, 양 끝단부 지점인 A, D는 크럼플 존의 영향으로 부정적인 하중의 경로가 발생하여 충격하중 및 굽힘 모멘트가 오히려 증가할 것으로 예측되었다. 이와 같은 결과를 바탕으로 Fig. 14와 같이 A, D 지점들의 구조물을 제거한 크럼플 존을 최종적으로 설계하였다. 제안된 크럼플 존을 사용할 경우, Fig. 15, Table 2와 같이 모든 지점에서의 충격 하중과 굽힘 모멘트 모두 평균 10% 이상 감소할 것으로 예상된다. |
충격 시험 번역(영어 번역본)3. Upper Legform Impact Analysis
3.1 Impact Test Condition
The condition for the GTR upper legform hood fore-end impact test is as the following. The impact test is executed by the contact between the bonnet and the pole which is parallel to the vehicle’s center line, while the fore-end of the hood at 40 degree to the ground level. Because the location of fore-end is different according to different vehicle type and form, the test is carried out by freely choosing more than 3 points or choosing those points which are known to cause injuries. Also the test is carried out with locations that are more than 150nm away from each of the impact locations. For each of the point, the impact load that the impactor undergoes must be lower than 7.5KN, and the bend moment measured at 3 points of front members (UPR, CTR, LWR) must be under 510NM. (Fig. 2)
In this paper, the test was carried out at each of the 5 impact points as shown in Fig. 5. The test conditions at each of these points were determined according to the formula published in GTR – the speed of upper legform impact, angle and energy at each of the point. As for the test results, the CFC180 was filtered and the impact load and bend moment were calculated.8-10)
3.2 Impact Analysis and Reliability Verification
In order to verify the impact analysis, the existing commercial vehicle test results (that did not use the crumple zone) were compared with that of the impact analysis result. The analysis model was set up as shown in Fig. 6. The garnish, grill and the front of the hood that change in form the most according to the impact of the impactor were modeled in precision (5-7mm), and the rest were roughly modeled in approximation (10-15mm). The parts were then put together using the rigid body condition. As for the plastic made parts such as garnish, grill, bumper and air duct, the plasto-elasticity data was used and in particular, the data that took into consideration the speed strain was used for the hood and the carrier.
The results obtained by the impact analysis underwent evaluation for their reliability by the comparison between the 3 test values. As for the impact load, it was observed that the average test values from 5 different points and the analysis values were similar as can be seen on Fig. 7. However it was also observed that in the case for the bend moment, there was in maximum 25% error according to different points and location of the measurement in comparison to the test average value as shown in Fig. 8. But those points that had largely unreliable analysis values had a very large distribution of test result values and because the analyzed test values were within the error region, it was determined that the bend moment anticipated by the analysis was actually reliable.
4. Detailed Design of Crumple Zone
The crumple zone in this study is installed between the upper frame of the front end module and the hood. Therefore plastic that has excellent thermal resistance and grease proof must be used. Also, PP material was used for design for economical price.
4.1 Study on Design Change through Case study
In order to design the basic structure of the crumple zone, 9 cases according to different space and angle of the rips as shown on Table 1 were selected after which the analysis was carried out for the impact at the A point. For productivity, the thickness of the rip was fixed at 2mm and only the effects according to different rip patterns were observed. The 6 points at which the integration take place for analysis were selected and fixed by considering the form and final assembly of the frames being installed. By considering the materials’ braking points, the modeling was done by using the damage factors, and as for the test data, the tension test result measured at 450nm/min variable speed was used.
The result of the analysis after using the GTR test condition, it was verified that the crumple zone designed as shown in case 2 can most effectively reduce the bend moment. It was anticipated that the bend moment can be reduced up to 67%. However, it was also verified that in the case of impact load, its value was much higher than the model that does not use the crumple zone. It was thought that this was probably due to inappropriate crumple zone space and integration locations.
4.2 Detailed Design of Crumple Zone
Based on the result of the case study, the crumple zone size was enlarged as in Fig. 9 and its integration location was modified. The modification crumple zone model’s impact test and the result of analysis are shown in Fig. 10 and 11. As for the value of the impact load, it could be predicted that more than 90% similar result can be obtained when it is compared with the average value of the impact test result that used the analyzed result and the start prototype model. It was also observed whether the bend moment’s analyzed result is within the error range with test result distribution is taken into consideration. The result showed that it it’s similar to the existing error range of mass manufactured vehicle types (35.0~194.3Nm).
Fig. 12, 13 shows the graph of the analysis with presence and absence of crumple zone. It was predicted that by using the crumple zone, the impact load and bend moment were reducing at 3 points (B, C, D) from the 5 impact points. However, as for each of the extremities (A, D), it was predicted that the impact load and bend moment would increase due to negative effects of the crumple zone. Based on such results, the final crumple zone with the structures at A and D removed as in Fig. 14 was designed. If the proposed crumple zone is used, it is expected that the impact load and bend moment would all reduce by more than 10% in all of the points as shown in Fig. 15. |
