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Ⓒ2015 KSAE / 136-12 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149
DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2015.23.3.336Transactions of KSAE, Vol. 23, No. 3, pp.336-343 (2015)
최적화 기법을 이용한 한국형 소형전술차량의 경량설계
서 권 희*․송 부 근
기아자동차 특수개발팀
Light-weight Design of a Korean Light Tactical Vehicle Using Optimization Technique
Kwonhee Suh*․Bugeun Song
Military Vehicle Development Team, Kia Motors Corporation, 277 Hwaun-ro, Seo-gu, Gwangju 502-711, Korea (Received 18 November 2014 / Revised 9 January 2015 / Accepted 14 January 2015)
Abstract : One of various main jobs in the design of a new tactical vehicle is to develop the lightest chassis parts satisfying the required durability target. In this study, the analytic methods to reduce the size and weight of a lower control arm and chassis frame of a Korean light tactical vehicle are presented. Topology optimization by ATOM (Abaqus Topology Optimization Module) is applied to find the optimal design of the suspension arm with volume and displacement constraints satisfied. In case of chassis frame, the light-weight optimization process associated with design sensitivity method is developed using Isight and ABAQUS. By these analytic methods we can provide design engineers with guides to where and how much the design changes should be made.
Key words : Lower control arm(로어암), Topology optimization(위상 최적화), Chassis frame(샤시 프레임), Design sensitivity(설계 민감도), Torsional stiffness(비틀림 강성)
1. 서 론1)
기존 구형 군용차량을 대체하고 선진 전술차량의 개발특성을 반영하기 위해 생존성과 기동성을 향상 시키고 군 요구 탑재장비의 운용성을 확대한 한국 형 소형전술차량 개발사업이 활발하게 진행되고 있 다.1) 신규 소형전술차량은 민수차량과 달리 다양한 군의 요구사항들을 충족시켜 개발되는데, 이 중 차 량 총중량 제한은 최우선적으로 만족되어야 하는 항목이다. 특히 장축형 소형전술차량의 총중량은 7 톤으로 제한되고 있으므로, 초기 설계단계에서 차 량 전 부분에 걸친 경량설계 방안을 수립하여 여유 중량을 확보하는 게 요구되고 있다.
따라서 본 논문에서는 효율적인 중량 저감을 위
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
한 최적화 프로세스의 구축 및 이 프로세스를 적용 한 소형전술차량 샤시부품들의 중량 저감효과에 대 해 기술하였다. 먼저 현가 로어암의 경우 비선형 최 적화 모듈인 ATOM의 위상 최적화 기법을 이용해 서 형상, 체적, 변위 제한조건을 설정하였고 중량 최 소화라는 목적함수에 대한 최적설계를 통해 로어암 의 중량 절감안을 도출하였다.2-5) 다음으로 샤시 프 레임의 경량화를 위해 다목적 최적화 프로그램인 Isight를 이용해서 프레임의 구성 부재별 중량효과 를 고려한 비틀림 강성 민감도 해석을 통해 비틀림 강성에 둔감한 중량 부재들을 선정하였다.6,7) 그리 고 선정된 부재들의 두께 상하한을 설계변수로, 비 틀림 강성 하한값을 제한조건으로, 전체중량의 최 소화를 목적함수로 설정한 후 최적설계를 수행하여 프레임의 중량 절감안을 도출하였다. 마지막으로
최적화 기법을 이용한 한국형 소형전술차량의 경량설계
경량화 최적 프로세스의 유용성과 로어암과 샤시 프레임 중량 절감안의 설계 적용 가능성을 검토하 기 위해 최적화 전후 사양에 대한 내구해석을 수행 하였다.
2. 로어암 경량설계
소형전술차량은 기동성 향상을 위해 전후륜 현가 장치에 Fig. 1과 같은 더블위시본 독립현가장치를 적용하고 있다. 전후륜 현가장치의 설계 데이터를 기반으로 반차 모델(Half-car model)을 구성한 후 현 가 정하중 해석을 수행한 결과, 더블위시본 타입 특 성상 기어드허브(Geared hub)를 통한 로어암(Lower control arm) 전달하중의 크기가 어퍼암(Upper con- trol arm)의 것에 비해 크고, 로어암에 작용하는 힘 성분 중 횡력의 크기가 상당히 큼을 알 수 있었다.
Fig. 1 Front and rear suspension assemblies
현가 정하중 해석으로부터 추출된 전후륜 로어암 의 하드포인트별 정적 전달하중을 기초로 하여 현 사양(재질: SCM440, 항복강도 834MPa)에 대해 관 성 제거(Inertia Relief) 기법에 의한 강도해석을 수행 한 결과, Fig. 2와 Table 1에 나타낸 바와 같이 항복안 전율은 각각 2.0과 2.2로 나타나 충분한 안전율을 갖 는 것으로 나타났다. 따라서 목표 강도 및 내구성능 을 만족시키면서 로어암의 중량을 효과적으로 줄이 기 위해 단조형 구조물의 경량설계에 적합한 위상 최적화 기법을 적용하였다.
2.1 위상 최적화 기법
일반적으로 개념설계 단계에서 강성 및 중량 요 구사항을 충족시키기 위해 위상 최적화 기법을 적 용해오고 있다. 위상 최적화 기법은 주어진 설계공
(a) Front lower control arm (safety factor: 2.0)
(b) Rear lower control arm (safety factor: 2.2)
Fig. 2 Stress distributions of current front and rear lower control arms
Table 1 Analytic model informations and stress analysis results for current lower control arms
Check items Front Rear
Weight (kgf) 25.0 32.5
Stress (MPa) 420.8 386.2
Safety factor 2.0 2.2
간 내에서 하중 및 제한조건에 최적화된 재료 분포 결과를 도출시켜 주므로, 현가장치 주물품의 기본 형상 결정 및 불필요한 영역 제거시 유용하다. 지금 까지 위상 최적화 기법은 선형 구조설계에 적용되어 왔으나, 기하 및 재료 비선형 구조에 대한 사례는 찾 아보기 힘든 상태이다. 따라서 본 연구에서는 비선 형 구조해석에서도 적용 가능한 위상 최적화 기법을 정립하기 위해 비선형 구조해석 프로그램인 ABAQUS 와 최적화 기능이 탑재된 ATOM 모듈을 이용하였으 며, ATOM의 전체적인 해석절차는 Fig. 3과 같다.
비선형 위상 최적화 프로그램인 ATOM의 경우 초기 재료 분포를 고려하여 설계 공간내에서 요소 들의 상대 밀도비를 계산한 후 큰 상대 밀도를 갖는
Kwonhee Suh․Bugeun Song
Table 2 Stress analysis conditions for lower control arm
Conditions Mounting locations Constraints Loads (N)
X Y Z X Y Z
Braking
Front bush ● ● ● 0 0 0
Rear bush ● ● 5668 9407 0
Ball joint ● -2244 0 0
S/ABS. lower -11 -4491 -12623
Bumping
Front bush ● ● ● 0 0 0
Rear bush ● ● -807 0 0
Ball joint ● -2255 45279 0
S/ABS. lower 1584 975 -89417
Cornering
Front bush ● ● ● 0 0 0
Rear bush ● ● -1547 0 0
Ball joint ● -3424 98187 0
S/ABS. lower 2654 5190 -73539
Fig. 3 Nonlinear topology optimization process
요소들은 남겨두고 상대 밀도가 충분히 작은 요소 들은 빈 공간으로 가정하여 최적안을 추출하게 된다.
2.2 로어암 중량 최적설계
앞서 전후륜 로어암의 강도해석 결과 모두 충분 한 항복 안전율을 확보한 것으로 판단되었지만, 본 연구에서는 경량설계 자유도가 높은 후륜 로어암을 대상으로 중량 최적설계를 진행하였다.
일반적으로 샤시 단조품의 강도해석을 위해 관성 제거 기법이 활용되고 있으나, ATOM 모듈의 위상 최적화 기법에서는 관성 제거 기법을 적용할 수 없 으므로 시행착오 방법을 통해 Table 2와 같은 등가 의 정적 해석조건을 도출하였다. 또한 로어암의 경 우 기본적으로 제동, 범핑, 코너링 조건에서 모두 항 복 안전율을 확보해야 하는데, 해석조건별로 취약 부가 다르게 나타나므로 산출된 최적 모델의 신뢰 성이 부족할 수 있다. 이에 따라 본 연구에서는 최적 설계 수행을 위한 경계조건 입력시 Table 2와 같은
제동, 범핑, 코너링시 해석조건을 모두 고려하였다.
다음으로 후륜 로어암의 중량 저감을 위한 위상 최 적화 정식화를 수행하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
Minimize Weight Subject to V
f≤ 0.9Viδf
=δ
iFrozen area; Ball joint, Frame mountings
Member Size=Min. 20
(1)여기서 Vi와 Vf는 최적화 전후 체적을, δi와 δf 는 최적화 전후 변위를 의미한다.
최적설계 수행 결과, Fig. 4와 Fig. 5에 나타낸 바 와 같이 체적은 70% 수준을 유지하면서 변형에너지 와 변위가 동시에 감소함을 알 수 있다.
최적화 후 후륜 로어암의 중량은 23.4kg으로 초기 안 대비 28.0% 정도 경량화되었으며, 최적화 전후 형상은 Fig. 6에 나타내었다.
마지막으로 후륜 로어암 최적화 전후사양의 내구 해석을 수행하였으며 그 결과는 Fig. 7과 같다. 최적 화 전후사양의 내구지수는 각각 2.74와 3.03인데, 최 적설계를 통해 중량 저감 뿐만 아니라 내구성능 역 시 향상됨을 알 수 있다. 이는 주로 확공부 증대 및 전방에서 봤을 때 꺽임각 축소에 기인한 것으로 판 단되며, 쇽업소버 장착성까지 유리하게 만든 사양 이므로 이 최적설계안을 최종 설계안으로 적용하였다.
Light-weight Design of a Korean Light Tactical Vehicle Using Optimization Technique
Fig. 4 Strain energy optimization histories
Fig. 5 Displacement optimization histories
(a) Before (b) After
Fig. 6 Rear lower control arm shape before/after optimization
(a) Before (durability coefficient: 2.74)
(b) After (durability coefficient: 3.03)
Fig. 7 Fatigue lives of rear lower control arm before/after optimization
3. 샤시 프레임 경량설계
소형전술차량의 샤시 프레임은 휠 베이스 기준으 로 단축형(3300mm)과 장축형(4000mm) 2가지 유형 으로 나뉘는데, 본 연구에서는 Fig. 8과 같은 캐빈과 후방 탑재물을 지지하는 장축형 프레임을 대상으로 경량설계를 진행하였다. 장축형 프레임의 경우 캐 빈 마운팅 6개소, 후방 탑재물 마운팅 8개소, 총 14 개소에서 지지하고 있으며, 설계된 프레임 중량이 차량 총중량의 8% 정도를 차지하므로 최적화 기법 을 이용하여 강성, 강도 및 내구성능을 만족시키면 서 경량화시키는 방안을 마련할 필요가 있다.
Fig. 8 Chassis frame model
서권희․송부근
Table 3 Road load test modes
Roads Distance
(km)
Speed
(KPH) Direction
Paved road 1.0 70 CCW
Unpaved road 1.8 30 CW
Cross-country 3.0 20 CCW
Fig. 9 Road load acquisition test
샤시 프레임의 내구해석을 위해서는 현가 마운팅 부 전달하중 이력 추출을 위한 전달하중 해석을 수 행해야 한다. 전달하중 해석의 입력인 휠 노면하중 성분들은 국방과학연구소 기동시험장에서 수행되 는 실차 내구도 평가 기준에 근거하여 Table 3과 같 은 주행 모드에 따른 노면하중 계측시험으로부터 취득하였으며, 실제 계측시험 중 야지로 계측시험 장면은 Fig. 9에 나타내었다.
다음으로 휠 노면하중 이력을 기반으로 전달하중 해석을 수행하여 각종 현가장치 마운팅부에서의 전 달하중 이력을 추출한 결과, 현가 로어암, 어퍼암, 그리고 스프링을 거쳐 샤시 프레임에 전달되는 횡 력과 수직력에 의해 샤시 프레임의 사이드레일과 크로스멤버에서 비틀림이 국부적으로 크게 발생될 것으로 예측되었다. 다음으로 추출된 전달하중 이 력들을 입력조건으로 샤시 프레임의 내구해석을 수 행한 결과 내구지수 1.48 이상으로 목표 내구지수 1.0 이상을 만족시켰으며, 내구 취약부 3개소는 Fig. 10 에 나타내었다.
3.1 진화 알고리즘
진화 알고리즘(Evolutionary Algorithm; EA)은 자 연계 염색체 진화과정을 모방해서 선택(Selection), 재결합(Recombination), 돌연변이(Mutation) 단계를
(a) Brace (durability coefficient: 1.48)
(b) Rear kickdown weld (durability coefficient: 2.38)
(c) End X/MBR weld (durability coefficient: 2.28)
Fig. 10 Fatigue life at weak areas of current chassis frame통해 전역 최적해를 탐색하는 방법이며, 진화 알고 리즘의 수행과정은 Fig. 11과 같다. 선택 단계에서는 기 구성된 모집단(Population) 중에서 목적함수 값이 우수한 해를 선택하며, 선택된 해는 부모가 되어 새 로운 세대의 해를 만든다. 교배 단계는 선택한 부
최적화 기법을 이용한 한국형 소형전술차량의 경량설계
Fig. 11 Evolutionary algorithm flow
모를 이용하여 새로운 자손을 만들며, 이때 목적함 수 값이 우수한 부모의 성질을 닮은 자손이 생성되 고 반복적인 수행을 통해 최적해에 접근하게 된다.
돌연변이 단계는 생성된 자손 중에서 임의로 선택 하여 돌연변이를 일으키는 과정으로 설계변수의 전 영역에서 해를 탐색한다.
진화 알고리즘은 전역 최적해 탐색, 함수 형태와 상관없이 적용 가능, 효과적인 이산형 변수 처리 등 의 장점이 있는 반면, 함수계산을 많이 하므로 해석 모델에 따라 최적설계시 장시간이 소요되는 단점도 있다. 따라서 본 연구에서는 전역 최적해 탐색이 가 능하며 이산형 변수를 효과적으로 처리할 수 있는 진화 알고리즘을 사용하여 샤시 프레임의 중량을 최소화하는 최적설계를 수행하였다.
3.2 샤시 프레임 중량 최적설계
샤시 프레임의 내구해석 결과 목표 내구성능을 만족시키므로, 목표 비틀림 강성내에서 내구지수 1.0 이상을 만족시키는 최적설계안을 도출하기 위 해 OLHC(Optimal Latin HyperCube) 민감도 해석 및 진화 알고리즘에 의한 최적설계를 수행하였다. 이 를 위해 Fig. 12에 나타낸 바와 같이 다목적 최적화 프로그램인 Isight를 이용하여 비틀림 강성에 기반 한 민감도 해석을 통해 주요 설계변수를 설정한 후 비틀림 강성과 두께 변화와 같은 제한조건에 따른 최소 중량안을 도출시키는 최적설계 절차를 구성하 였다.
본 연구에서 샤시 프레임의 중량 최적화 문제는 아래와 같이 정식화하였다.
Fig. 12 Analytic process for weight reduction of chassis frame
Find X
i(i=1,2,...,52) Minimize Weight
Subject to K
t≤11.45*104kg
f･m2/rad
X
iL≤ Xi≤ XiU (2)여기서 Xi는 샤시 프레임을 구성하는 주요 52개 부재의 판넬 두께, Kt는 샤시 프레임의 비틀림 강성,
X
iL과 XiU는 52개 부재의 판넬 두께의 하한값과 상한 값을 의미한다.최종적으로 최적화 해석을 통해 샤시 프레임의 목표 비틀림 강성을 만족시키는 각 부재들의 판넬 두께를 Table 4와 같이 결정하였으며, 이로부터 현 사양(556kg) 대비 4.1% 감소된 최적설계안(533kg) 을 도출하였다.
마지막으로 샤시 프레임 최적설계안에 대한 내구 해석을 수행하여 목표 내구성능 만족여부를 고찰하 였다. 내구해석 결과, 최적설계안의 내구지수는 Fig. 13 에 보이는 바와 같이 현 사양의 것보다 낮은 1.12이 상이나 목표 내구지수 이상이므로 중량 최소화라는 최적설계 목표를 달성하였다.
4. 결 론
소형전술차량의 초기설계 단계에서 샤시부품들 의 내구성을 유지하면서 중량을 저감할 수 있는 최 적설계 프로세스를 정립하는 과정을 통해 다음과
Kwonhee Suh․Bugeun Song
Table 4 Thickness change at main parts of chassis frame before/after optimization
같은 결론을 얻었다.
1) 후륜 로어암과 샤시 프레임의 중량을 최소화하 도록 설계변수와 설계 요구사항을 포함한 제한 조건들을 정의하고 최적설계 문제를 정식화하 였으며, 최적설계 수행을 위해 비선형 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS, 최적화 모듈인 ATOM, 그리고 다중 최적화 프로그램인 Isight를 연계하 는 프로세스를 구축하였다.
2) 후륜 로어암의 위상 최적화 결과, 변형에너지와 변위를 동시에 감소시키면서 체적을 감소시키
(a) Brace (durability coefficient: 1.12)
(b) Rear kickdown weld (durability coefficient: 1.61)
(c) End X/MBR weld (durability coefficient: 1.59)
Fig. 13 Fatigue life at weak areas of chassis frame afteroptimization
는 최적 설계안을 도출하였으며, 최적설계안은 목표 내구지수를 만족시킴과 동시에 28.0%의 중
Light-weight Design of a Korean Light Tactical Vehicle Using Optimization Technique
량 저감효과도 나타내어 최종 설계안으로 적용 할 수 있었다.
3) 샤시 프레임의 최적설계 결과, 52개 부재의 두께 변화를 반영한 경량 최적설계안을 도출하였으 며, 현 사양 대비 4.1% 중량 저감효과가 있을 것 으로 판단되었다.
4) 본 연구의 중량 최적화 기법을 적용하면 초기 설 계단계 및 시작차 제작 이전 샤시부품들의 경량 설계안을 효과적으로 제시할 수 있을 뿐만 아니 라 개발기간 단축 및 시제품 개발비용 절감도 동 시에 달성할 수 있으리라 판단된다.
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