Virtual Fatigue Analysis of a Small-sized Military Truck Considering Actual Driving Modes

Copyright

2008 KSAE 1225-6382/2008/094- 17 Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 4, pp.120-127 (2008)

실 주행조건을 고려한 군용 소형트럭의 가상 내구해석

서 권 희^*1)․임 현 빈¹⁾․송 부 근¹⁾․안 창 순²⁾

기아자동차¹⁾․국방기술품질원²⁾

Virtual Fatigue Analysis of a Small-sized Military Truck Considering Actual Driving Modes

Kwonhee Suh^*1)․Hyeonvin Lim¹⁾․Bugeun Song¹⁾․Changsoon Ahn²⁾

1)

Kia Motors Corporation, 700 Naebang-dong, Seo-gu, Gwangju 502-711, Korea

2)

Defense Agency for Technology and Quality, 1290-2 Dosan-dong, Gwangsan-gu, Gwangju 506-020, Korea (Received 30 November 2007 / Accepted 26 February 2008)

Abstract : A military vehicle undergoes normal to extreme driving conditions, which consequently induce the fatigue and fracture of cabin and frame. So, it is important to estimate the fatigue life of two components at an initial design stage. In this paper, Modal Superposition Method(MSM) was applied to evaluate the durability performance of a small-sized military truck. For reliable durability analysis, a Virtual Test Lab(VTL) Model was established by correla- tion with experimental results. These data were extracted from actual driving test, modal test, and SPMD(Suspension Parameter Measuring Device) test. This process shows that Virtual Fatigue Analysis can be a useful approach in the development of military vehicles as well as commercial vehicles.

Key words : Military truck(군용 트럭), Modal superposition method(모드중첩법), Virtual test lab model(가상 시험 모델), Fatigue life(내구 수명), Durability analysis(내구해석)

1.

¹⁾

군용 트럭은 샤시 프레임 위에 독립된 구조를 갖 는 차체 및 적재함을 마운팅시킨 형식으로서 운용 여건상 포장로뿐만 아니라 비포장로, 야지로 등을 주행하게 된다. 이런 다양하고 불규칙한 노면으로 부터의 동하중들은 타이어, 현가장치, 프레임을 거 쳐 차체와 적재함에 전달되기 때문에, 차체와 프레 임은 상대적으로 타 부품 및 중량물의 하중을 견디 기 위해 안전(Safety) 등을 고려하여 충분한 강성 및 강도를 확보하도록 설계되어야 한다.

현재 군용차량의 내구성 평가는 강성 및 강도해 석을 통해 설계된 시작차를 제작하여 국방과학연구

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

소 기동시험장의 내구시험로에서 목표 주행거리를 주행시키는 실차 내구시험 평가에 전적으로 의존하 고 있다. 이 방법은 실제와 가장 유사한 결과를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면에 시작차 제작 및 시험 경 비면에서 높은 비용이 요구됨과 동시에 내구 문제 점들의 조기 대응이 어렵다는 단점이 있다. 따라서 차량의 개발기간 단축과 내구 신뢰성 향상에 대한 요구를 충족시키기 위해 해석적인 접근이 선행되어 야 한다.

전통적인 차량 내구해석 방법은 정적 강도해석으 로부터 얻은 응력 텐서를 이용하여 내구수명을 평 가하는 정적 내구해석이다. 이 방법은 해석시간이 빠른 반면 동적 효과 즉, 중량 부품의 관성 영향, 차 체와 프레임의 유연성(Flexibility) 등을 포함하지 않

실 주행조건을 고려한 군용 소형트럭의 가상 내구해석

아 정확성면에서 떨어지는 단점이 있다. 특히, 다양 한 노면을 통해 들어오는 동하중의 주파수가 차량 의 공진 주파수에 근접하고 차량의 질량분포가 차 량 전체에 균등하게 분포하지 않은 경우에는 동적 인 특성이 강하게 나타나므로 반드시 주행시 동적 특성을 고려해야 한다. 또한, 정적 내구해석 방법은 정성적인 평가 및 기존 시험결과를 토대로 한 상대 적인 평가는 가능하나 실차 내구시험처럼 정량적인 주행거리를 요구하는 내구해석에 적용하기 어렵다.

동적 특성을 고려한 내구해석 기법으로는 시간 영역에서의 하중이력을 입력하여 과도 응답해석을 수행하는 동적 내구해석 기법과 하중이력을 FFT(Fast Fourier Transformation) 처리하고 주파수 영역의 PSD(Power Spectral Density) 함수로 변환하 여 내구수명을 평가하는 진동 내구해석 기법이 있 다. 동적 내구해석 기법은 해석의 정확성은 우수하 나 유한요소 모델의 대형화로 인해 모든 시간 스텝 과 요소에서의 응력 분포가 요구되므로 해석시간과 방대한 데이터 량으로 인해 사용에 제약이 있다. 그 리고, 실차 내구시험시 차체와 프레임 등의 국부적 인 부분은 소성영역의 응력 이력을 갖게 되는데, 진 동 내구해석 기법은 이를 반영한 변형률-수명 내구 접근이 어렵다는 단점이 있다.¹⁾

본 연구에서 사용한 내구해석 기법은 고유 진동 해석을 통해 얻은 모드별 응력과 과도 응답해석으 로부터 얻은 모드별 기여도(Modal Participation Factor, 이하 MPF)를 조합하는 모드중첩법(Modal Superposition Method, 이하 MSM)으로서, 중간 과정 에서 파생되는 응력 이력을 기록하지 않아 필요한 데이터 량을 대폭 줄일 수 있고, 동시에 실차 내구시 험시 노면으로부터 차체와 프레임에 전가되는 동적 효과를 고려할 수 있다.

따라서, 본 논문에서는 MSM을 이용한 군용 소형 트럭의 내구 성능 평가 방법을 제시하였다. 우선 국 방과학연구소 기동시험장에서의 노면 하중이력 계 측시험을 실시하여 동하중 이력의 주파수 특성을 분석하였다. 또한, 실차 모달시험 결과와 고유 진동 해석결과를 비교하여 신뢰성 있는 트림 차체(Tri- mmed body) 유한요소모델을 구축하였고, SPMD (Suspension Parameter Measuring Device) 시험결과

와 현가장치 해석모델의 기구정역학 특성을 비교하 여 신뢰할 만한 유연체 동역학 해석모델을 구축한 후 VTL(Virtual Test Lab) 모델을 구성하였다. 그리 고, 동하중 이력해석을 통해 주요 마운팅부 동하중 이력을 계산한 후, MSM 내구해석을 수행하여 내구 수명을 예측하였다. 마지막으로 정적 내구해석 결 과와 MSM 내구해석 결과를 종전 내구 문제점 결과 와 상호 비교하여 MSM 내구해석 기법의 타당성을 검증하였다.

2.

2.1 VTL 모델 구축

2.1.1

유한요소모델은 여러 불확실한 변수들로 인해 항 상 실차와는 오차를 나타나게 되며 이로 인해 해석 결과의 정도가 낮아지게 된다. 따라서, 유한요소모 델을 검증하고 개선하는 절차는 필수적이라고 할 수 있다.

군용 소형트럭의 B.I.W 유한요소모델에 주요 트 림 중량(Trim mass)와 전면 유리창 접착 강성을 고 려한 트림 차체 모델링을 수행하였고, 모드시험과 고유 진동 해석의 상관관계 분석을 통해 Fig. 1에 나 타낸 것과 같이 신뢰성 있는 해석모델을 구성하였 다. 해석모델에 고려된 주요 트림 중량은 밴바디, 엔 진+TM, 시트, 윈치 등이며, 총 요소 수는 235,614개 이다.

트림 차체 유한요소모델에 대한 고유 진동 해석

Fig. 1 Finite element model of a trimmed body

Kwonhee Suh․Hyeonvin Lim․Bugeun Song․Changsoon Ahn

Table 1 Correlation between modal test and analysis results

결과와 모드시험 결과의 비교는 Table 1과 같으며, 오차 범위 ±3% 이내에서 잘 일치함을 보였다.

2.1.2

군용 소형트럭의 전후륜 현가장치는 판 스프링식 차축 현가장치로서, ADAMS/Car를 이용하여 Fig. 2 와 같이 모델링하였다. 조향장치는 스티어링 상부 와 하부 칼럼, 기어박스, 피트만 암, 드래그 링크, 그 리고 조향 댐퍼로 구성되어 있으며, 기어비는 22.6:1 이다. 전후륜 현가장치는 차축, 판 스프링, 쇽업소버 로 구성되어 있는데, 차축은 빔 요소를 이용하여 탄 성을 구현하였고, 판 스프링은 3절 링크 방법을 이 용하여 모델링하였다.²⁾

전후륜 현가장치 모델의 신뢰성을 검토하기 위해 실차 현가장치의 각종 기구정역학 특성들을 추출해 주는 SPMD 시험을 수행하여 해석결과와 비교하였 다. SPMD 시험은 전후 축중 분포 및 최대 휠 수직변

Fig. 2 Front and rear suspension assemblies

Fig. 3 Comparison of front wheel rate between test and analysis

Fig. 4 Comparison of rear wheel rate between test and analysis

위를 고려하여 수직 운동, 롤 운동, 코너링, 제동, 조 향시와 같은 5가지 조건에서 수행되었다. 전후륜 현 가장치의 해석 및 시험결과 중 내구 성능에 가장 영 향을 미치는 휠 레이트 특성에 대해 각각 Fig. 3과 Fig. 4에 나타내었다. 전후륜 현가장치 모델이 실차 현가장치 특성을 전반적으로 잘 표현하고 있음을 알 수 있다.

2.1.3

유연체 동역학 모델을 구성하기 위해서는 해석 대상 전체를 강체로 가정하는 다물체 동역학 모델 을 구성해야 하고, 구성된 동역학 모델을 이용하여 각종 주행 시뮬레이션을 수행해서 동특성들을 분석 해야 한다.

우선 ADAMS/Car를 이용하여 전후륜 현가장치, 판 스프링, 차체, 조향장치, 타이어, 파워트레인, 제 동장치 서브시스템(Subsystem)들을 각각 모델링한 후 어셈블리해서 군용 소형트럭의 강체 동역학 모 델을 구성하였다.

강체 모델링된 차체를 유연체로 변환하기 위해 검증된 트림 차체 유한요소모델의 고유 진동 모드

Virtual Fatigue Analysis of a Small-sized Military Truck Considering Actual Driving Modes

정보를 ADAMS/Car에서 사용 가능한 고유 진동 모 드 정보로 변환시켜주는 MNF(Modal Neutral File)를 추출하였다. 그 후 트림 차체 MNF을 이용하여 유연 차체 서브시스템을 구성하고 타 서브시스템들과 어 셈블리하여 유연체 동역학 모델을 구성하였다.

2.1.4 VTL 모델

VTL 모델은 유연체 동역학 모델에 노면 하중을 입력하여 동하중 이력을 추출하기 위한 목적으로 구성하였다. 이를 위해 기존 유연체 동역학 모델에 서 파워트레인과 제동장치 서브시스템을 제거하고 ADAMS/Car Ride를 이용하여 4축 테스트리그(4- Post Testrig)를 추가하여 Fig. 5에 나타낸 것과 같은 VTL 해석모델을 구축하였다.

Fig. 5 VTL model of a small-sized military truck

3.

3.1

동하중 이력해석을 위해서는 휠 중심으로부터 의 노면 하중이력을 입력해야 하는데, 이는 실차 노면 하중 계측시험을 통해서만 얻을 수 있다. 내 구해석 대상차량인 신형 소형트럭의 노면 하중 계 측시험은 Table 2와 같은 시험조건을 기준으로 하 여 국방과학연구소 기동시험장에서 수행되었다.

노면 하중 이동경로에 있는 주요 현가장치 마운팅 부 및 차체 플로어 17개소에서는 가속도를, 주요 차체 및 밴바디 마운팅 브라켓 10개소에서는 변형 률을 계측하였다.

Table 2 Road load test modes

도로 주행거리 (Km) 차속 (KPH) 주행방향

포장로 3040 (38%) 50/70 시계/반시계

비포장로 2400 (30%) 25/35 시계

야지 2560 (32%) 15/20 반시계

Fig. 6 Displacement history at left front wheel center(cross- country)

VTL 모델에 적용하기 위한 노면 하중이력은 4축 변위 이력이므로 ADAMS 후처리기의 필터링과 적 분 기능을 이용하여 4축 가속도 이력으로부터 계산 하였으며, Fig. 6에 야지 조건에서의 전방 좌측 변위 이력을 나타나내었다.

그 후 도로 조건별 가진 주파수를 파악하기 위해 정속 구간에 있는 변위 데이터를 기준으로 FFT 변 환하였는데, 10Hz 미만의 주파수를 갖고 있음을 알 수 있었으며, 노면별 FFT 변환 결과를 Fig. 7에 나타 내었다.

3.2

구해진 노면 변위 이력을 이용해 동하중 이력 해 석을 수행하기에는 엄청난 해석시간과 데이터 량이 소요되므로, 실차 내구시험 거리의 약 0.1%에 해당 하는 반복 패턴 구간 데이터를 추출하여 VTL 모델 에 입력하였다. 그리고, 동하중 이력 해석을 수행하 여 해석 결과와 시험결과를 상호 비교하였으며, Fig. 8 에 나타나 있는 바와 같이 VTL 모델의 신뢰성을 입 증할 수 있었다.

또한, 동하중 이력 해석을 통해 각종 현가장치 마 운팅부에 대한 하중 이력들을 추출하였으며, 그 중 한 예를 아래 Fig. 9에 나타내었다. 동하중 이력을 살 펴보면 스파이크(Spike) 값이 나타나는 것을 볼 수

서권희․임현빈․송부근․안창순

(a)

(b)

(c)

Fig. 7 FFT results on displacement histories at left front wheel center with road conditions

(a)

(b)

Fig. 8 Vertical displacement histories at left front and rear shock absorbers(cross-country)

있는데, 이는 ADAMS/Car Ride 해석 적분기에서 발 생한 누적 오차로서 내구해석시에는 필터링해서 사 용하였다.

(a)

(b)

Fig. 9 Load histories at right front and rear leaf spring eye mountings(cross-country)

4.

일반적으로 선형 구조해석을 수행하기 위해서는 영률(Young's modulus)과 포와송 비(Poisson's ratio) 만이 필요하나, 내구수명을 예측하기 위해서는 재 질의 피로물성(Fatigue property)이 필요하다. 본 논 문에서 채택하고 있는 변형률-수명 방법을 적용한 내구해석을 수행하기 위해서는 재질의 ε-N 곡선 또 는 피로연성지수(Fatigue ductility exponent, c) 등의 피로특성 값이 요구된다.³⁾

군용 소형트럭의 내구해석시 적용한 주요 금속재 질 중 SPHC에 대한 변형률-수명 곡선은 아래 Fig. 10 에 나타내었다.

Fig. 10 Strain-life curve of SPHC

실 주행조건을 고려한 군용 소형트럭의 가상 내구해석

5.

5.1

정적 내구해석은 Fig. 11에 나타난 바와 같은 절 차를 통해 수행되었다. 구조물에 1～2mm의 균열 이 발생하는 시점까지의 내구수명 예측을 위해 변 형률-수명 방법(Strain-life method)을 사용하였으 며, 이때 선형 탄성 구조해석 결과로부터 소성 영 역을 고려한 결과로의 교정을 위해 Neuber's rule을 선택하였다.

주행시 차량은 구속조건이 존재하지 않으면서 노 면 하중을 받는 상태이므로, 선형 탄성 구조해석시 차량 구조물의 질량 관성(Mass inertia)을 계산하여 경계조건으로 이용하는 관성 제거 해석(Inertia relief analysis) 방법을 적용하였다. 관성 제거 해석의 경계 조건으로는 트림 차체와 샤시가 연결되는 12개소 마운팅 위치에 x, y, z방향의 단위하중을 부가하여 총 36가지 조건을 고려하였으며, 해석 결과 위치 및 방향에 알맞은 응력 텐서(Tensor)를 계산하였다. 또 한, 동하중 이력해석을 통해 관성 제거 해석조건과 동일한 위치에서 36가지 하중이력을 계산한 후, 각 경우의 응력 텐서와 하중 이력을 결합하여 36가지 하중이력이 동시에 작용하는 응력 이력의 합을 산 출하여 내구수명을 구하게 된다.

Fig. 11 Static durability analysis procedure

5.2 MSM 내구해석

MSM 내구해석 프로세스의 적용과정은 Fig. 12에 나타낸 바와 같다. 먼저, 각 노면 하중이력의 주파수 특성을 분석하여 최대 작용 주파수의 약 3～4배 범

Fig. 12 MSM durability analysis process

위의 한계 주파수 범위를 설정하며,⁴⁾ 해석결과의 신 뢰도 향상을 위해 잔차 벡터 모드(Residual vector mode)를 고려하는 고유 진동 해석을 수행한다. 이와 관련하여 각 모드에 따른 모드별 모달 응력(Modal stress)을 산출한다.

이후 각 노면별 프레임 마운팅부 동하중 이력을 입력으로 하는 모달 과도 응답(Modal transient response)해석을 수행하여 각 모드별 모달 변위 이력 즉, MPF를 얻는다.

이상의 동적 구조해석이 완료된 후, 모달 응력과 모달 변위를 동 시간대로 중첩하여 하나의 반응 응 력 이력으로 산출하게 되는데, 이 과정은 다음 식으 로 표현 가능하다.^5,6)



  







_



where k : static load condition ID _ : load applied to analysis model _



일단 반응 응력 이력이 계산되면 사이클 카운팅 (Cycle counting)을 이용하여 내구 수명을 구하고 응력 이력은 남기지 않는다. 이는 계산 시간 및 엄 청난 양의 유한요소 해석결과를 감소시키기 위함 이다.

Kwonhee Suh․Hyeonvin Lim․Bugeun Song․Changsoon Ahn

5.3

주행 도로별 MSM 내구해석을 수행하여 가혹도 분석 결과는 Table 3에 나타낸 바와 같이 포장로<야 지<비포장로 순으로 나타났다. 이는 야지의 노면 상 태가 비포장로에 비해 가혹한 환경이지만 비포장로 주행 속도가 야지에 비해 상대적으로 75% 더 고속 이어서 차량에 가해지는 누적 충격량이 더 큰 것에 기인한다. 이를 통해 군용 소형트럭의 내구 가혹도 에 있어 노면상태 및 주행속도가 중요한 인자임을 알 수 있다.

포장로, 비포장로, 야지 주행조건을 모두 포함한 차체 및 프레임 내구해석 결과를 종합하여 각각 Table 4와 Table 5에 나타내었다. 위치는 MSM 내구 해석시 추출되는 내구 취약부 순으로 정리하였으 며, 정적 내구해석 결과는 해당 MSM 내구 취약부에 서의 내구수명이다. 전반적으로 MSM 내구해석이 정적 내구해석에 비해 구형차 파손 이력 및 다수의 내구 취약부를 파악하는 데 있어 유용한 방법임을 알 수 있다.

또한, 해당 위치에서의 구형차 파손 이력 대비 해 석 내구수명이 더 길게 나온 이유는 신형차 개발시 구형차 내구 문제를 고려하여 내구 취약부에 대한 구조 및 재질 설계변경들을 수행된 결과가 반영되 어 있기 때문이다.

한편, 차체의 파손 이력중 위치 7에서의 내구해석

Table 3 Fatigue lifes of a full vehicle with road conditions

도로 주행방향 주행속도(KPH) 내구수명(Km)

포장로 시계 70 2.31E+5

반시계 70 2.42E+5

비포장로 시계 35 7.67E+3

야지 반시계 20 3.21E+4

Table 4 Fatigue life of a body

위치 MSM 내구(Km) 정적 내구(Km) 구형차 이력(Km)

1 5.45E+4 - -

2 7.27E+4 5.34E+7 -

3 1.48E+5 - -

4 1.63E+5 2.72E+7 -

5 1.75E+5 - -

6 1.85E+5 - -

7 2.35E+5 - 1.47E+3

Table 5 Fatigue life of a frame

위치 MSM 내구(Km) 정적 내구(Km) 구형차 이력(Km)

1 7.67E+6 2.09E+7 -

2 9.00E+6 2.45E+4 -

3 9.83E+6 -

4 9.90E+6 2.83E+6 -

5 1.63E+7 7.15E+7 -

6 2.11E+7 4.71E+5 -

7 2.35E+7 1.51E+5 2.27E+4

Fig. 13 Fatigue analysis result of A-pillar to front body

Fig. 14 Fatigue analysis result of engine mount bracket

결과는 Fig. 13에, 프레임의 파손 이력중 위치 7에서 의 내구해석 결과는 Fig. 14에 나타내었다. 상대적으 로 강성이 크고 고유 주파수가 높은 프레임의 경우 정적 내구해석 결과가 MSM 내구해석 결과보다 짧 은 내구수명을 추출하였다.

한편, 상대적으로 강성이 작아 고유 주파수가 낮 은 차체의 경우 입력 하중 이력의 주파수 대역과 상 관성을 갖고 있으므로 MSM 내구해석은 파손 이력 부위를 정확히 밝혀냈을 뿐만 아니라 전반적으로 정적 내구해석 결과 대비 짧은 내구수명을 보여주 고 있다. 이를 통해 차체 내구해석시 MSM 내구해석 방법을 이용하면 보다 정확한 내구수명을 추출할 수 있음을 알 수 있다.

Virtual Fatigue Analysis of a Small-sized Military Truck Considering Actual Driving Modes

6.

군용 소형트럭의 내구수명을 예측하기 위해 MSM 내구해석 및 정적 내구해석 2가지 방법을 적 용하여 과거 파손 이력과 해석결과를 비교하는 과 정에서 다음과 같은 결론을 얻었다.

1) 군용 소형트럭의 노면 하중이력 계측, VTL 해석 모델 구축 및 동하중 이력해석, 그리고 MSM 내 구해석 기법을 통해 내구수명 예측 프로세스를 정립하였다.

2) 노면 하중 입력점으로부터 멀어지고 동적 진동 특성을 고려해야 하는 차체의 내구수명 예측시 MSM 내구해석 기법을 이용하는게 정적 내구해 석 방법보다 실차 내구시험 결과에 근접한 결과 를 나타내었다.

3) 향후 다양한 노면 하중이력 계측 및 주파수 분석 을 통한 해석 주파수 범위 설정, 유효한 해석 모델 링 기법, 금속재료의 내구물성 D/B 구축을 통해 MSM 내구해석의 신뢰도를 향상시킬 예정이다.

References

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5) MSC. Fatigue 2005 QuickStart Guide, MSC Software Corporation, 2004.

6) MSC. Fatigue 2005 User's Guide, MSC Software Corporation, 2004.