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Ⓒ2010 KSAE 1225-6382/2010/1 0 3 - 2 0 Transactions of KSAE, Vol. 18, No. 1, pp.139-144 (2010)
차량용 와이어하네스의 유한요소해석을 이용한 대변형 내구수명 예측
김 병 삼*․강 기 준․박 경 우․노 광 두
호서대학교 자동차공학과
Life Prediction of Automotive Vehicle's W/H System Using Finite Element Analysis
Byeong Sam Kim*․Kijun Kang․Kyoungwoo Park․Kwang Doo Noh
Department of Automotive Engineering, Hoseo University, Chungnam 336-795, Korea (Received 26 June 2009 / Accepted 21 September 2009)
Abstract : In the automotive electronic industry, the development of vehicle’s door wiring harness (W/H) system for new applications is driven continuously for the low-cost and the high strength performance for electronic components.
The problem of the fatigue strength estimation for materials and components containing natural defects, inclusions, or inhomogeneities is of great importance both scientifically and industrially. This article gives some insight into the dimensioning process with special focus on the fatigue analysis of wiring harness (W/H) in vehicle’s door structures.
The results from endurance tests using slim test specimens were compared with the results from FEM for predicted fatigue life. The expectation for the life of components is affected by the microstructural features with complex stress state arising from the combined service loading and residual stresses.
Key words : Wiring harness system( 와이어하네스 시스템), Finite element analysis(유한요소법), Durability analysis (내구해석)
Nomenclature
1)ü : acceleration
ú : velocity, m/s p
: internal energy I
: stiffness matrix M
: mass matrix
1.
서 론자동차 산업의 발전과 더불어 전기 전자 기술은 자동차 산업의 경쟁력에 있어서 그 비중이 점점 커 지고 있다.
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
이러한 시대적 상황에 맞추어 국내 자동차 회 사들은 국제적인 경쟁력을 갖추기 위해 자동차 전장 모듈에 최첨단 전기 전자 기술을 적용하여 운전자와 탑승자의 편의를 위한 기술개발에 많은 연구를 수행하고 있다. 이와 같이 자동차에 전기 전자 기술이 적용되기 위해 반드시 개선 및 연구 되어야 할 것이 와이어하네스(이하 W/H라 함) 부 분이다.
W/H중 도어와 바디 연결부의 W/H는 도어의 개
폐 시 지속적인 굽힘이 발생하는 부분으로서 반복
적인 굽힘으로 피로 한계에 다다를 경우 단선이 일
어나게 되고 그에 연결된 전장품의 고장 발생의 문
제를 일으키게 된다. 한번 출시된 자동차가 이러한
문제로 수리를 한다면 수리비용도 만만치 않지만
김병삼․강기준․박경우․노광두
파손된 부위를 찾는 것도 어렵다. 이는 전장 모듈 전 체의 교체가 이루어져야 한다. 따라서 이러한 전장 모듈로 제작된 부품의 수명과 자동차의 신뢰성 향 상을 위해서는 W/H의 내구 품질 확보가 중요하게 되었다.
따라서 본 연구에서는 도어 개폐가 W/H에 미치 는 영향을 보고 굽힘에 의해서 발생하는 응력에 대 해 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 유한요소해석을 수행, 해석 결과 값을 바탕으로 내 구피로해석 프로그램인 FEMFAT을 이용하여 피로 해석을 수행하고 Slam Test를 하였다. 도어 개폐 시 W/H의 변형을 알아본 후 유한요소해석과 실험 결 과의 비교를 통해 유한요소모델을 검증하고 이것을 바탕으로 W/H의 신뢰성 설계 방향을 제시하였고 이것을 바탕으로 W/H의 신뢰성 설계 방향을 결정 하였다.
2. 3D 유한요소해석
2.1 3D 모델의 정의
Fig. 1의 좌측 모델은 패커드 코리아에서 제공한 차량 앞문의 3D 모델을 보여준다. 여기서 L은 그로 멧으로 감싸고 있는 W/H의 도어와 바디 연결부의 단차를 나타낸다. 우측 상단의 소선 모델은 단차 L 별로 3가지 Case의 소선별 3D 모델을 나타낸다. 그 리고 우측 하단은 연결부 W/H의 절단면을 보여준 다. 우선 해석 모델을 단순화하기 위해 그로멧의 양
Fig. 1 Front Door W/H system
끝을 선의 양 끝단으로 설정하고 그로멧은 다발에 직접적인 마찰 손상을 방지하기 위한 것으로, 내부 선와는 직접적인 영향이 없어 그로멧을 제외하고 해석을 수행하였다.
2.2 유한요소해석 모델
유한요소해석에 쓰인 모델은 Fig. 2와 같다.
Fig. 2 FE model wire twist model complete
소선 수가 19가닥인 선를 모델링 한 것으로 소선 은 3차원 고체 요소인 C3D6과 C3D8R 타입으로 구 성하고, 소선을 감싸고 있는 피복은 2차원 셀요소인 S4R 타입으로 구성하였다. 요소의 수는 소선이 7가 닥인 경우 약 80,000이며, 19가닥인 경우 약 200,000 정도로 구성되었다. 변형 동안, 피복을 고려하지 않 아 발생하는 가닥의 이탈 억지위해 실제 피복(PVC) 두께의 1/2(0.15mm)를 갖는 구리합급(Copper-alloy) 셀요소를 사용하여 반영하였다. 주로 해석 대상이 되는 무빙파트에 인접한 그로맷 안에 있는 와이어 들은 별다른 구속 없이 움직임이 자유롭도록 풀려 져 있어, 전체 선들의 묶음인 다발 전체를 대상으로 하기보다는 가장 무빙 조건이 가혹한 위치에 있는 선을 그 해석 대상으로 하였다.
2.3 재료물성
해석모델에 반영된 재료의 물성들은 패커드 코리 아에서 제공한 AVSS 소재로써 Table 1과 같다. 도어 개폐･시 W/H는 소성변형을 일으킨다. 따라서 비선 형 해석을 수행하기 위해 탄소성재료가동 방법을 사용하였다.
2.4 경계조건
H/W 해석 모델의 양 끝단 중 차량 Body의 끝단을
차량용 와이어하네스의 유한요소해석을 이용한 대변형 내구수명 예측
Table 1 Specification of W/H type by standard AVSS series (unit : mm)
Section Cable bundle/diameter Wire diameter Thickness of cable Outside standard Diameter max Resistance
0.3 7/0.26 0.8 0.3 1.4 1.6 50.2
0.5 7/0.32 1.0 0.3 1.6 1.7 32.7
0.85 19/0.24 1.2 0.3 1.8 1.9 21.7
1.25 19/0.29 1.5 0.3 2.1 2.2 14.9
20. 37/0.26 1.8 0.4 2.6 2.7 9.5
Table 2 Difference depth with door position in each case Standard Cable
Bundle/Diameter
Difference depth with door body Case
AVSS
7/0.32
50mm Case 1
100mm Case 2
150mm Case 3
19/0.19
50mm Case 4
100mm Case 5
150mm Case 6
고정시키고 도어 부분의 끝을 도어 개폐 시 힌지 축 을 중심으로 75° 강제 회전 변위를 부과하여 해석을 수행하였다. 힌지 축과 도어 부분의 끝단은 강체로 정의하고 접촉관계는 ABAQUS Explicit Code의 General Contact으로 정의하였다.
Table 2는 W/H의 내부 소선수와 도어와 차체 연 결부의 단차별로 Case를 나눈 것을 보여준다.
2.5 유한요소해석 및 피로해석
피로 해석은 사용프로그램인 FEMFET 프로그램 을 사용하여 해석을 수행하였다. FEMFET 프로그램 은 유한요소해석 결과를 바탕으로 다양한 재료의 S-N 커브 데이터를 제공해준다.
W/H의 유한요소해석을 수행하고 얻은 응력 분포 값을 FAMFET 프로그램에 입력하고 응력 사이클, 재료 물성치 등을 설정하여 피로 해석을 수행하였 다. 도어의 왕복 1회를 사이클 수 1로 계산하여 사이 클 수를 피로 수명으로 정하였다.
3. SLAM TEST
Slam Test는 W/H의 유한요소해석 결과 값의 신뢰 성 확보를 위해 수행하였다. 유한요소해석과 Slam Test를 서로 비교 분석하여 내구수명 예측 데이터베 이스를 구축함으로써 내구성 평가기술을 확보할 수 있다.
(a) 3D model simulation for slam tester
(b) Lift gate setting for W/H simulation
Fig. 3 3D model simulation for slam tester and W/H setting
Fig. 3은 Slam Tester의 3D설계 모델과 실제 제작 모델을 보여준다. 실제 차량의 3D 모델을 기반으로 설계 및 시뮬레이션으로 검증하고 이를 제작하여 W/H의 굽힘이 실제와 흡사하도록 만들었다. 또한 모든 차량에 적용할 수 있도록 3축 이동이 가능하게 제작하였다.
Slam Test는 도어의 개폐를 1분당 10회로 왕복하
여 소선의 저항 값을 측정하는 방법으로 시험을 진
행하였다. 소선의 파손은 소선 내부의 구리선의 개
수, 직경, 마찰, 피복의 탄성력, 온도 등 여러 가지
요인이 있지만 본 연구에서는 환경적인 요인을 배
제하고 W/H의 굽힘에 대한 Slam Test만을 수행하
였다. W/H의 Slam Tester의 제작과 Test는 패커드
코리아에서 수행하여 결과 값을 산출하고 피로 해
석 값과의 비교 분석을 통해 내구성 평가와 검증을
하였다.
Byeong Sam Kim․Kijun Kang․Kyoungwoo Park․Kwang Doo Noh
Fig. 4 FE Analysis with stress distribution and maximum deflection with before and after Case2 (ABAQUS Explicit)
Fig. 5 FE Analysis with stress distribution and maximum deflection with before and after Case5 (ABAQUS Explicit)
Fig. 6 Von-Mises Stresses in wire cable (7 No of Cable, Case 1)
4.
해석 및 시험 결과Fig. 4와 Fig. 5는 같은 단차를 가지고 소선수가 다 른 Case 2 와 Case 5의 해석 결과 값을 보여준다. 이
것은 단차가 같을 때 소선수가 적은 것보다 많은 것 이 최대응력 값이 더 작게 나온다는 것을 알 수 있다.
Fig. 6과 Fig. 7은 소선수가 같고 단차가 다른 Case
Life Prediction of Automotive Vehicle's W/H System Using Finite Element Analysis
Fig. 7 Von-Mises Stresses in wire cable (7 No of Cable, Case 3)
1과 Case 3의 해석 결과 값을 보여준다. 이것은 단차 가 작을수록 W/H의 굽힘이 더 많아져 소선에 더 많 은 응력이 발생하는 것을 알 수 있다. Table 3은 Case 별 최대 응력과 내구수명을 보여준다. 소선수가 7가 닥인 W/H는 소선수가 19가닥인 W/H보다 전체적으 로 높은 응력 값을 보여준다. 그리고 단차가 50mm, 100mm,일 때 보다 150mm일 때는 응력 값이 현저하 게 낮아지는 것을 볼 수 있다. 내구수명해석도 소선 수가 많을 때 무한수명이 나오는 것을 볼 수 있다.
Table 4는 단차가 같고 소선수가 다른 Case 1과 Case 4의 내구수명해석 결과와 Slam Test 결과를 보여준 다. 이러한 결과는 본 문제의 비선형성을 감안하면 수용할 수 있는 결과이며, 실제 설계 개선에도 활용 할 수 있다고 판단된다. Table 4에서의 해석과 실험 결과의 차이는 무빙조건, 그로멧내부의 접촉 영향 등 와이어의 이탈 방지를 위한 테이프의 영향이 구 속 조건에 영향을 미치며 피로해석에 미치는 물성 치에 따라 많은 차이를 보인다. 또한 Table 4에서 보 면 직경이 적고 가닥수가 많을수록 수명이 증가될
Table 3 Results of maximum stresses and endurance life cycles for the different cases
Max. Stress(N/mm2) Endureance Cycle
Case1 7.26 487,000
Case2 6.87 518,000
Case3 3.04 600,000
Case4 3.78 무한수명
Case5 3.62 무한수명
Case6 1.60 무한수명
Table 4 Compare with Slam Test results and endurance Evaluation No of cable/
Diameter Standard FE analysis
result Test result Endurance
life cycle (Depth 50mm)
7 0.32mm 100,000 487,000 353,054 19
0.16mm 100,000 무한
수명
무한 수명
수 있음을 볼 수 있다.
5.
결 론차량용 도어의 반복적인 굽힘을 받는 W/H의 해 석 모델을 정의하고 유한요소해석을 수행하였고 이 것을 바탕으로 내구피로해석과 Slam test를 수행하 였다. 그 결과 유한요소해석 결과 W/H의 유한요소 모델링 기법의 타당성을 확인하였고 해석 결과를 실제 시험결과와 비교하여 W/H 파손에 영향을 주 는 굽힘 응력과 수명을 구하였다.
해석 모델링은 HyperMesh를 이용하여 수행하고, 유한요소해석은 ABAQUS를 이용하여 수행하였다.
유한요소해석 결과를 가지고 FEMFAT을 이용하여
피로수명을 구하고 Slam test와의 비교 및 분석을 통
해 해석기법의 타당성을 확인하였다. 본 연구를 통
하여 다음과 같은 유용한 결과를 얻을 수 있었다. 자
동차의 도어 W/H의 3D 형상 모델링 방법론을 정립
하고, 굴곡응력해석을 위한 대상 구조물의 간략화
하여 해석 결과와 시험 결과 비교를 통한 정확도 및
신뢰도 확보하고, 설계, 제작 및 시험을 통한 신뢰성
김병삼․강기준․박경우․노광두
있는 Slam Tester 구현하여 이와 같은 결과들을 바탕 으로 와이어하네스의 내구 인증 조건을 만족할 수 있는 결과를 도출하였다.
본 유한요소 방식을 다양한 W/H 해석에 활용하 면 기존 시행착오를 줄이고 연구 및 개발에 소요되 는 비용과 시간을 줄일 수 있을 것으로 여겨진다.
후 기
이 논문은 2009년도 호서대학교 이 논문은 2008 년도 호서대학교의 재원으로 학술연구비[과제번 호: 2009-0035] 지원을 받아 수행된 연구이며 이에 감사드립니다.
References
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