충돌성능 차량 내장재 번역(한국어 원본)안전규제 강화에 따라, 주요 자동차 회사들은 충돌성능(crash performance)을 향상시키고 승객과 보행자를 보호하기 위한 자동차 내장 및 외장 부품에 관한 연구를 진행해 왔다. 자동차 내장재 부품(interior part)의 연구를 위해서는 안전성, 미적 효과, 안락함, 소음흡수 등과 같은 다양한 설계요소와 재료들이 고려되어야 한다. 이러한 기능들이 고려되고, 다층구조(multi-layer)의 특성을 나타낼 수 있는 설계가 필요한 대표적인 내장부품으로는 헤드라이너(headliner)가 있다. 헤드라이너는 자동차 자동차 내부판(interior panel)에 배치되는 루프(roof)의 한 부분이며, 주요 구성층은 서브스트레이트층(substrate layer)과 페브릭-폼층(fabric-Foam layer)이다. 서브스트레이트층은 외부충격에 대한 보호를 제공하는 기능을 하고 페브릭-폼층은 적절한 내부착용감(interior fit)과 내부외형(interior appearance)을 제공하는 기능을 한다. Fig. 1은 다층재료로 구성된 일반적 헤드라이너의 구조를 나타내고 있다. 세부적으로 페브릭-폼층은 다시 페브릭(fabric)재료와 폼(foam)재료로 구성이 되고, 서브스트레이트층은 서브스트레이트코어
(substrate core)재료와 스크림(scrim)재료로 구성이 된다. 헤드라이너에는 위와 같은 재료 외에도 구조적 강성과 성능을 향상시킬 수 있는 다양한 재료와 층들이 첨가 될 수 있다. 이런 이유로 헤드라이너의 기계적 성질을 파악하는 것은 탑승자 보호성능평가에 대한 유한요소해석(finite element analysis)에서 매우 중요하다. 특히, FMVSS 201U와 같은 머리상해평가방법을 적용한 수치해석에서 유한요소모델링(finite element modeling) 및 재료모델링방법(material modeling method)은 해석결과를 결정하는 주요 요인이 된다. 하지만 헤드라이너의 재료모델링방법에 대한 연구는 아직까지 매우 제한적이다. 일부 문헌에서의 헤드라이너 유한요소모델링 및 재료모델링은 금속판(metal sheet)에 사용되는 전형적인 방법을 따르고 있으며, 다층구조인 헤드라이너에 대한 특성을 고려하지 않고 균일 등방성 재료 특성을 갖는 것으로 가정하고 있다.1)-5)
헤드라이너의 각 층은 접합되어 있고, 재료가 이질적이기 때문에 충돌해석의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 다층구조에 대한 새로운 수치적 접근방법과 재료모델링방법이 필요시 된다. 본 연구의 목적은 헤드라이너의 재료특성을 분석하고, 충돌 시 탑승자 머리충격을 고려한 다층구조물의 유한요소 모델링방법과 수치해석기법을 제안하는 것이다. 이를 위해서 헤드라이너의 각 층에 대한 몇 가지 재료시험들이 수행되었으며, 헤드라이너의 이방성 및 비선형 응력 변형거동과 연화특성을 고려하기 위해 LS-DYNA 상용 소프트웨어의 재료 모델 중 DAMAGE-16)을 대표적 단일재료모델로 선정하였다. 그리고 기존재료모델들과의 비교분석을 통하여 재료모델에 따른 재료모델링방법 및 연구프로세스들을 검증하였다.
2. 재료시험
본 연구에 사용된 헤드라이너는 Fig. 2와 같이 페브릭층과 서브스트레이트코어층으로 구성된다. 두 층은 접착제(adhesive bonding)를 사용하여 결합되었으며, 접착제를 사용하였을 시의 전체 헤드라이너두께는 4.5mm이다. 결합되지 않은 페브릭층과 서브스트레이트코어층의 두께는 각각1.5mm, 3.5mm이다. 하지만 압축성을 가지는 서브스트레이트코어소재의 특성 때문에 접합 공정 동안 가해진 압력으로 인하여 두께변경이 발생하게 된다. 이러한 이유로 각 층이 결합된 상태인 전체 헤드라이너에 대해서는 페브릭층의 두께를 1.2mm, 서브스트레이트코어층의 두께를 3.3mm으로 가정하였고, 접착시의 두께변경을 고려하여 시험 및 해석을 수행하였다.
먼저, 각 층의 기계적 특성과 거동을 평가하기 위해 몇 가지 재료실험들이 수행되었다. 단축인장시험, 단축압축시험, 3점 굽힘시험을 헤드라이너의 각 층과 전체 헤드라이너에 대해서 수행하였다.7) 그리고 헤드라이너의 기계적 특성 중 이방성을 나타내기 위해 성형방향인 MD방향(molding direction)과 TD방향(transcerse direction)을 고려하여 각 재료시험을 수행하였다. 서브스트레이트코어층에 대한 단축압축재료시험 경우에는, 두께의 제약으로 인해 적층상태에서 시험을 수행하였다. 이 때의 서브스트레이트층의 적층은 9층으로 설정하였고, 시편크기는 30mm x 30mm x 31.5mm이다. 모든 시험은 INSTRON 5882 UTM(uniaxial tesing machine)을 사용하여 수행되었으며, 3점 굽힘재료시험의 경우에는 각 층은 시험을 수행하지 않고, 전체헤드라이너에 대해서만 시험을 수행하였다. 3점 굽힘시험의 경우에 10mm/min로 시험속도로 재료시험을 수행하였고, 나머지 재료시험은 2mm/min으로 재료시험을 수행하였다. 여기서, Fig. 3은 재료시험별 시편형상을 나타내고 있으며, Fig. 4는 각 재료시험별로 재료시험상태를 나타내고 있다. 단축인장시험에서는 변형율 측정을 위해서 비 접촉 방식인 비디오측정기(video extensometer)를 사용하였으며, 단축인장시편의 게이지길이(gage length)는 12mm로 설정하여 시험을 수행하였다.
시편 별 재료시험 수행에 따른 결과로 Fig. 5와 같은 데이터를 확보하였다. 단축인장시험에서 페브릭층과 서브스트레이트층, 전체 헤드라이너층이 MD방향이 TD방향보다 하중이 높게 나타남을 확인하였다. 그리고 전체 헤드라이너층에 대한 3점 굽힘시험에서도 MD방향이 TD방향보다 하중이 높게 나타남을 확인할 수 있었다. 재료시험에서 얻은 페브릭층과 서브스트레이트코어층, 전체 헤드라이너층에 대한 하중-변위 선도로부터 성형방향에 따라 하중의 크기가 상이함을 확인할 수 있었다. Fig. 6은 단축인장재료시험과 3점식 굽힘재료시험에 대한 전체헤드라이너의 변형양상을 나타내고 있다. |
충돌성능 차량 내장재 번역(영어 번역본)As safety regulations increased, major automakers have conducted many researches to improve crash performances of their vehicles, as well as researches for vehicles’ interior and exterior parts to protect passengers. For the research of interior parts, various design elements and materials such as safety, aesthetic effects, comforts, and noise absorption must be considered. A typical interior part, in which such functionalities are accounted for and characteristics of multi-layered structure, is a headliner. Headliner is a part of the roof which is placed in the interior panel of a vehicle, and consists of a substrate layer and a fabric-foam layer. The substrate layer provides protection against external impacts and the fabric-foam layer provides appropriate interior fits and appearances. Fig. 1 shows the structure of a typical headliner which consists of multi-layered materials. In details, the fabric-foam layer consists of fabrics and foams, and the substrate layer consists of substrate core materials and scrim materials.
Various materials or layers may be added, in addition to the above materials, in the headliner, in order to increase the structural rigidity and performance. For this reason, understanding the mechanical properties of headliners is extremely important in the finite element analysis for evaluating passenger protection performance. Especially, a finite element modeling and a material modeling method play definitive roles which determines the analysis results in a numerical analysis in which a head injury assessment method like the FMVSS 201U is applied. However, researches on the material modeling methods for headliners are very limited at this moment. Finite element modeling appeared in some literatures follow typical methods used for metal sheets and assumes to have characteristics of homogeneous and isotropic materials, without taking the characteristics of multi-layered structures into account.1)-5)
Each layers of headliners are bonded together and the materials are anistropic. Therefore, a new numerical approach and material modeling method for multi-layered structures are necessary in order to increase reliabilities of crash analysis. The objectives of this study are to analyze the material characteristics of headliners and to suggest a finite element modeling and a numerical analysis method for multi-layered structures which accounts for impacts to passenger’s head during crash. For this, several material tests have been conducted on each layers of headliners and DAMAGE-16), a material model from LS-DYNA commercial software, has been selected as a typical homogenous material model in order to consider the anisotropy, non-linear stress behaviors and softening properties of headliners. Additionally, the material modeling methods and the research processes in accordance with material models were validated through comparative analysis with previous material models.
2. Material Tests
As shown in Fig. 2, the headliners used in this study consist of fabric layers and substrate core layers. These two layers are bonded together by using adhesives and the total thicknesses of the headliners, with adhesives, are 4.5 mm. The thicknesses of unbonded fabric layers and substrate core layers are 1.5mm and 3.5mm, respectively. However, the substrate core materials are compressible and the thicknesses are varied due to the pressure applied during the bonding processes. For this reason, the thicknesses of each layers when bonded are assumed to be 1.22mm for the fabric layers and 3.3mm for the substrate core layers. All tests and analysis were conducted by taking the thickness variance into account.
First, several material tests were conducted in order to evaluate the mechanical properties and behaviors of each layer. Uniaxial tension tests, uniaxial compression tests, and 3-point bending tests were performed for each layers of headliners and the entire headliner7). Then, each material test was performed in a molding direction and a transverse direction in order to reflect the anisotropy, one of the mechanical properties, of the headliner. For the uniaxial compression test of the substrate core layer, the test was performed by stacking them together because of limitations on the thickness. Each stack consisted of nine substrate layers and the sample dimensions were 30mm x 30mm x 31.5mm. All tests were performed by using INSTRON 5882 UTM(uniaxial testing machine). As for the 3-point bending test, the test was not conducted on each layer, but conducted for the entire headliner. A test speed of 10mm/min was applied for 3-point bending test and 2mm/min was applied for other material tests. Here, Fig. 3 shows the appearances of test samples for each material tests and Fig. 4 shows the material tests conditions for each material tests. In uniaxial tension tests, a video extensometer, a non-contact method, was used for measuring the deformation rate and the gage length of the test sample used was 12mm.
The data shown in Fig. 5 was collected from each tests conducted. It was confirmed from the uniaxial tension tests that the loads were higher in molding directions than in transverse directions, in all three layers – the fabric layer, the substrate layer, and the entire headliner layer. Additionally, it was also confirmed from the 3-point bending test of the entire headliner layer that the load was higher in the molding direction than in the transverse direction. We also confirmed from the load-displacement graphs for the fabric layers, the substrate layers, and the entire headliner layers, that the magnitudes of the loads vary in accordance with the molding directions. Fig. 6 shows deformations of the entire headliners after the uniaxial tension tests and 3-point bending tests. |
