차음성 예측 논문 번역(한국어 원본)자동차용 도어 웨더스트립(door weatherstrip)은 차량의 소음 전달 및 이물질 침입을 차단하고 진동 전달을 방지하기 위해 사용된다. 최근, 차량 성능 평가 조건에서 감성적인 측면이 강조됨에 따라 도어 웨더스트립의 차음성능을 향상시키려는 노력이 증가하고 있다.1),2)
현재 준중형급 이상의 차량에서는 차음성능을 개선하기 위해 대부분 이중 시일링(sealing) 방식을 채택하고 있다. 도어 프레임에 장착되어 있는 도어 시일은 눌림량이 약 6mm 이상으로 충분한 압력분포를 갖기 때문에 도어 열림 현상에 의한 영향성이 적다. 하지만, 바디 프레임에 장착되어 있는 바디바디시일은 눌림량이 약 3mm 정도로 그 이상의 도어 열림량이 발생하면 시일이 개방되어 차음성능을 저하시킬 수 있다.
도어 열림 현상이란 고속 주행 시 차량의 외부 유동에 의해 압력이 저하되어 도어 프레임이 안쪽에서 바깥쪽으로 벌어지는 현상을 의미하며, A필라의 각도가 큰 영향을 준다. 즉, A필라의 각도가 클수록 외부 유동 변화가 커져 도어 프레임의 벌어짐을 유발시킨다.3)
본 논문은 도어 열림 현상을 고려한 도어 웨더스트립의 해석적 차음성능 예측 방안에 대하여 기술하였다. 고속 주행 시 차량의 내부와 외부의 압력차로 인해 발생하는 도어 웨더스트립의 변형을 예측하기 위하여 유체-고체 연성(Fluid-Structure Interaction, FSI) 해석 기법을 사용하였으며, 도어 웨더스트립의 개방에 따른 차음성능을 평가하기 위해 통계적 에너지 해석법(Statistical Energy Analysis, SEA)을 적용하였다. 또한, 웨더스트립의 주 재료인 EPDM 고무의 노화(aging) 및 영구변형(permanent deformation) 현상을 고려하여 FSI 해석을 수행하였고, 이러한 특성들이 차음성능 변화에 미치는 영향에 대하여 평가하였다.
2. FSI 해석기법을 고려한 고속주행시의
웨더스트립 변형 예측
고속주행시에 발생하는 웨더스트립의 변형을 예측하기 위해 FSI 해석기법4)을 적용하였으며, 상용프로그램인 ADINA®로 해석을 진행하였다. 해석모델은 웨더스트립을 포함하는 도어의 단면을 선정하였으며, Fig. 1에 나타내었다. 단면 A-A’은 A필라와 루프부가 만나는 부분으로서 도어 열림 현상이 가장 많이 발생하는 부분이다.
2.1 유한요소모델링
윈도우 장착 해석 및 닫힘 해석을 수행한 후 웨더스트립의 변형양상으로부터 공기의 유동을 예측하기 위해 차체 프레임과 시일, 유체영역으로 나누어 2차원 단면을 모델링 하였다. 바디 프레임과 시일 등의 차체 구성품은 1mm 기준의 3절점 요소와 4절점 요소를 사용하였으며, 유체(공기)영역은 1mm의 3절점 요소로 모델링 하였다.
시일의 재료모델은 단축인장시험으로부터 확보된 응력-변형률 선도를 적용하였으며, 초탄성 모델을 고려하여 그 거동을 표현하고자 하였다. 에너지 방정식은 Ogden 3차4)-6)를 사용하였으며, 응력-변형률 선도는 Fig. 2와 같다. 유체영역은 공기로서 밀도(density) 1.983e-08 kg/mm3, 점도(viscosity) 1.205e-12 N․s/mm2을 적용하였다.
도어 열림 현상을 고려하기 위해 Fig. 3과 같이 윈도우 장착 과정과 도어 닫힘 과정으로 나누어 해석을 진행하였다. 바디 프레임과 바디시일을 고정시킨 상태에서 step 1에서는 윈도우의 장착해석을 수행하고, step 2에서는 윈도우, 글래스런, 도어 시일을 이동하여 도어가 닫히는 것을 모사하였다. 마지막으로 step 3에서는 도어의 열림 현상을 고려하기 위해 도어의 닫힘 시 이동한 모델들을 Y축으로 0.5mm에서 3mm까지 0.5mm 간격으로 이동하여 해석을 진행하였다. 고속주행에 따른 외부 유동은 유동 방향의 축과 해석 모델 단면의 축이 다르므로 유체의 속도 대신 압력값을 적용하여 해석을 수행하였다. Fig. 4와 같이 문헌상의 데이터를 이용하여 외부에서 발생되는 압력 저하량만큼 차량 내부에 적용하였으며 고속 주행(180km/h)시에 도어 루프부에서 발생하는 압력 변화량은 약 -1000Pa이다.3)
2.2 해석결과
도어 열림을 0.5mm 간격으로 바깥쪽으로 이동시킨 결과 2.5mm까지는 도어 시일과 바디시일 모두 접촉을 유지하였으나, 도어 열림 조건 3mm에서 바디시일이 유체의 이동에 의해 Fig. 5와 같이 프레임과 분리되는 것을 확인하였다. 또한, Fig. 6과 같이 바디 프레임과 바디 시일 사이의 열린 공간으로 유동이 차량 내부에서 외부로 빠져나가는 것을확인할 수 있었다. Fig. 7은 해석 시간동안 바디시일에 대한 바디 프레임의 반력을 측정한 결과로서, 도어 열림 조건 3mm에서의 반력이 0.571N으로 접촉을 유지하다가 내부 공간에 압력을 적용하면 반력이 제거되는 결과가 나타났다. |
차음성 예측 논문 번역(영어 번역본)Car door weatherstrips (Door weatherstrip) are used to block vehicle noise transmission and foreign matter intrusion, as well as to prevent vibration transmission. Recently, as the emotional perspective in vehicle performance evaluation has been emphasized, efforts to enhance sound insulation performance of door weatherstrips have increased.1) 2)
The double sealing method is currently used to improve sound insulation in vehicles that are semi-medium size or larger. The door seal, which is installed on the door frame, has sufficient pressure distribution with a deflection of approximately over 6mm, so the impact it receives from door opening is small. However, the body seal, which is installed on the body frame, has a deflection of approximately 3mm, so if the amount of door opening occurs more than that, the seal opens, reducing sound insulation performance.
Door opening refers to the phenomenon in which the door frame widens from inside out when pressure drops due to the vehicle’s external flow at high speed, and is greatly influenced by the angle of the A filler. That is, the larger the A filler’s angle, the bigger the change in external flow, which causes the door frame to widen.
This paper describes an analytical prediction method for the sound insulation performance of the door weatherstrip by considering door opening. Fluid-Structure Interaction (FSI) analysis was used to predict the deformation of a door weatherstrip, which occurs due to the pressure difference between the inside and outside of a vehicle at high speed. Statistical Energy Analysis (SEA) was applied to evaluate the sound insulation performance when the weatherstrip is opened. Also, FSI analysis was conducted by considering the aging and permanent deformation of EPDM rubber, which is the main material of the weatherstrip, and the influence that these characteristics have on sound insulation performance were evaluated.
2. Weatherstrip Deformation Prediction at High Speed using FSI Analysis
FSI analysis4) was applied to predict weatherstrip deformation, which occurs when driving at high speed, and the analysis was conducted using ADINA®, a commercial program. The cross section of a door, including the weatherstrip, was selected as the analysis model, as shown in Fig. 1. As the part where the A filler and loop area meets, the cross section A- A’ is where door opening most frequently occurs.
2.1 Finite Element Modeling
After conducting window installation and closing analysis, a two-dimensional cross section was modeled to predict the air flow when weatherstrip deformation occurs by dividing the vehicle into the car frame and seal and the fluid area. Car components like the body frame and seal used 1mm 3-node elements and 4-node elements, whereas the fluid (air) area was modeled using 1mm 3-node elements.
The materials model of the seal applied the stress-strain curve obtained from the uniaxial tension test, and its behavior was expressed by considering the superelasticity model. Ogden 3차4)-6) was used as the energy equation, and the stress-strain curve is as shown in Fig. 2. Being air, a density of 1.983e-08 kg/mm3, and viscosity of 1.205e-12 N․s/mm2 was applied to the fluid area.
To considering door opening, the analysis was divided into the window installing procedure and door closing procedure, as shown in Fig. 3. Fixating the body frame and body seal, the installation analysis of the window was conducted in step 1, while door closing was simulated by moving window, glass run, and door seal in step 2. Finally in step 3, to consider door opening, an analysis was conducted by moving models, which were moved when closing the door, on the Y axis from 0.5mm to 3mm at a 0.5mm interval. Because the axis of flow direction and the axis of the analysis model cross section were different, the pressurevalue, instead of the fluid speed, was applied to analyze external flow following high speed driving. Using the data in the references, pressure was applied to the inside of the car as much as the amount reduced from the outside, and the amount of pressure change that occurs at the door loop area when driving at a high speed (180km/h) is approximately -1000Pa, as shown in Fig. 4.3)
2.2 Analysis Results
When moving the door outwards at a 0.5mm interval, the door seal and body seal both maintained contact up to 2.5mm, but at the door opening condition 3mm, the body seal was separated from the frame due to fluid flow, as shown in Fig. 5. Also, the fluid inside escaped through the open space between the body frame and body seal, as shown in Fig. 6. Fig. 7 shows the result of measuring the reaction force of the body frame on the body seal during the analysis time. At the door opening condition 3mm, contact was maintained with the reaction force at 0.571N, but when pressure was applied in the interior space, the reaction force was eliminated. |
