Evaluation of Crashworthiness and NVH Performances of Side Structure with Finite Element Analysis considering Stamping Effects

Copyright

2008 KSAE 1225-6382/2008/095- 17 Transactions of KSAE, Vol. 16, No. 5, pp.119-127 (2008)

성형효과를 고려한 해석을 통한 차체 측면구조의 충돌 및 진동 성능평가

김 세 호^*1)․김 기 풍²⁾․최 원 호³⁾

대구대학교 자동차․산업․기계공학부¹⁾․한국생산기술연구원 동력부품지원센터²⁾․신영금속(주) 기술연구소³⁾

Evaluation of Crashworthiness and NVH Performances of Side Structure with Finite Element Analysis considering Stamping Effects

Seho Kim^*1)․Keepoong Kim²⁾․Wonho Choi³⁾

1)

School of Automotive, Industrial and Mechaincal Engineering, Daegu University, Gyeongbuk 712-714, Korea

2)

Automotive Components Service Center, Korea Institute of Industrial Technology, Gwangju 500-460, Korea

3)

Technical Research Laboratories, Shin-Young Metal Co., Yeongcheon, Gyeongbuk 770-150, Korea (Received 30 January 2008 / Accepted 7 April 2008)

Abstract : In this paper, the influence of the stamping effect is investigated in the performance analysis of a side structure. The analysis covers the performance evaluation such as the crashworthiness and NVH. Stamping analyses are carried out for the center pillar and the side sill made of high strength steels. Then, numerical simulations are carried out in order to identify the stamping effect on the crashworthiness, the natural frequency and the normal mode. The result shows that the analysis of the side structure considering the forming history leads to a different result from that without considering the forming effect. The variation of the system response fully reveals effects of thinning and hardening of members on the performance prediction of vehicle parts. The analysis results demonstrate that the design of auto-body members should be carried out considering the stamping history for accurate assessment of various performances.

Key words : Crashworthiness(충돌성능), NVH(소음진동), Stamping effect(성형효과)

1.

¹⁾

차량설계 단계에서 개발 비용 및 소요시간을 줄 이기 위한 차량의 주요성능 예측 수단으로 충돌, 진 동소음, 내구 등의 성능해석이 수행되고 있으며, 컴 퓨터와 해석기술의 발전에 따라 해석의 적용범위가 확대되고 있다. 최근의 성능해석은 해석모델의 정 밀함을 요구하고 있는 추세이며, 이에 따라 재료 물 성, 단품 특성, 유한요소 해석기법 등의 정도 확보에 관련된 연구가 차량 제작사 및 학계에서 활발하게 수행되고 있다. 차체를 구성하는 강판의 정적 및 동 적 재료 거동은 대부분 규명되었으며, 비선형 해석

*

Corresponding author, E-mail: [email protected]

등에 적용 중이다. 실제 성형공정을 통하여 야기되 는 재료 물성의 변화를 고려한 충돌 및 구조해석은 일부 수행되었으나 차량설계 단계에서는 적용 검토 에 그치고 있는 실정이다.

자동차 구조용 박판 부재들의 에너지 흡수 특성 및 진동특성은 단면형상 및 두께 등의 기하학적 형 상이나 재료의 강도에 영향을 받으며, 이런 인자들 이 미치는 영향을 평가할 필요가 있다. 자동차용 박 판부재는 초기 잔류응력, 가공경화, 불균일한 두께 의 분포 등과 같은 박판성형 공정에서 발생되는 성 형효과를 포함하고 있다. 성형효과가 포함된 박판 부재의 거동은 성형효과를 포함하지 않은 부재의 거동과 비교하여 다른 특성을 보이게 된다. 합리적

김세호․김기풍․최원호

인 부재의 설계를 위해서는 선행해석 단계에서부터 부재의 생산공정에서 발생하는 기계적 물성변화를 추후 성능해석 시 연계하여 고려하고 그 영향을 파 악하여야 한다.

현재까지의 연구로는 주로 프런트 사이드 멤버 등의 주요 에너지 흡수부재 등의 강체벽 단순 충돌 해석에서의 성형효과를 분석하는 연구^1,2) 및 실차 단위에서 정면 충돌이나 옵셋 충돌 시의 주요부재 성형효과를 고려한 연구^3-6)가 대부분으로 차체의 변 형모드, 차체 변형량, 흡수 에너지, 가속도 펄스의 신뢰도 분석이 주로 수행되었다. 정면충돌 시에 프 런트 사이드 멤버, 리어 로우어, 펜더 에이프런 등의 주요 에너지 흡수 부재는 축하중에 의한 축방향 붕 괴가 일어나는 반면, 측면충돌 시의 센터 필러나 사 이드 실 등의 부재는 이동대차의 타격에 의해 굽힘 변형이 국부적으로 발생하는 상이한 변형모드를 가 지게 된다. 또한, 측면부재의 진동특성은 차량의 동 강성 및 정강성에 미치는 영향이 매우 크므로 부재 성형에 의한 재료의 특성변화가 명확하게 규명되어 야 한다.

본 논문에서는 차체 측면구조를 구성하는 주요부 재에 대한 성형효과를 고려하고 이를 측면구조의 충돌해석 및 고유진동수 해석에 반영한 연계해석을 실시하였다. 효율적인 성능해석을 위하여 측면구조 의 일부분만을 사용하고, 실차 조건과 유사한 단순 모델을 구성하여 해석을 실시하였다. 해석결과를 통하여 부재의 변형특성, 에너지 흡수성능 변화, 고 유진동수 변화를 고찰하여 추후 실차 성능해석에 반영하여야 할 변수를 선정하였다.

Fig. 1 3-dimensional CAD data of the center-pillar assembly model

2.

본 논문의 해석대상은 Fig. 1에 도시한 차체 측면 구조로 그중 가장 중요한 하중지지 및 에너지 흡수 부재인 센터 필러 부재 1개 및 사이드 실 부재 2개를 대상으로 성형해석을 수행하였다. 성형해석에 고려 한 부재의 형상을 Fig. 2에 도시하였다.

(a) Center pillar

(b) Side sill front

(c) Side sill rear

Fig. 2 Important members of the side structure assembly

2.1

2.1.1

센터필러의 성형공정은 4단계에 이르는 다단계 공정이나 본 논문에서는 제품의 변형이 주로 발생 하는 1단계 드로우 공정(OP10)의 성형해석을 수행 하였다. Fig. 3에 해석에 사용된 금형의 형상을 도시 하였다. 블랭크의 강판 재질은 45kg급의 고장력 강 판인 SPRC440E로 어퍼부와 로우어부의 두께는 각 각 1.4 mm와 0.8 mm인 재단용접강판이다. 응력-변 형률 곡선은

^  

일반적으로 양산되는 제품의 금형은 설계자의 설계 안을 바탕으로 하여 제작되지만 불량을 제거하기 위하여 금형형상의 변경, 비드의 추가 및 제거 등의 트라이 아웃(try-out) 과정을 거치게 된다. 따라서, 초

성형효과를 고려한 해석을 통한 차체 측면구조의 충돌 및 진동 성능평가

(a) CAD data

(b) Real tool

(c) Modified CAD data with the line bead

Fig. 3 Comparison of the draw-bead shape of the tool bet- ween the CAD data and the real die

기의 금형 데이터와 양산 금형의 데이터를 비교하 면 다른 부분이 상당수 발견되게 되어, 초기 금형 데 이터로 해석을 수행하면 실제 양산되는 제품의 조 건과 크게 다르게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위 하여 실제 양산 금형의 형상을 조사하여 드로우 비 드가 상이한 부분을 모델링에 반영하였다.

Fig. 3(a)에 도시한 CAD 데이터에서는 드로우 비 드가 하단에 1개만 존재하지만, 실제 금형의 형상인 Fig. 3(b)에서는 비드 B, C가 길이 방향으로 추가된 것을 알 수 있으며, 초기에 원형비드를 사용하였다 가 추후 트라이아웃 과정에서 비드면을 연삭하여 높이를 낮춘 것을 확인하였다. 실측을 통하여 Fig.

3(c)와 같이 비드선의 형상을 추가하였으며, 추후 해 석에 반영하였다.

Fig. 4에 해석에 사용된 금형 및 블랭크의 유한요 소 모델의 형상을 도시하였다. 해석은 쉘요소를 사

Fig. 4 Finite element model for the stamping analysis of the center-pillar panel

Fig. 5 Modeling method of the welding region of the TWB blank

용하였다. 용접선 주위로 변형이 크게 발생하지 않 으므로 Fig. 5와 같이 두께의 변화를 부과하여 용접 선을 모델링하였다. 드로우 비드는 비드선의 형상 과 상당 비드력을 근사하여 부과하였다. 블랭크 홀 딩력은 100 kN을 부과하였으며, 무윤활 조건을 가 정하여 쿨롱 마찰계수를 0.15로 부과하였다.

2.1.2

사이드 실 부재의 성형공정은 4단계에 이르는 다 단계 공정이나 본 논문에서는 제품의 형상이 대부 분 완성되는 1,2단계(OP10, OP20)의 성형해석만을 수행하였다. 성형해석에 사용된 조건은 센터필러부 재와 거의 동일하다. 사용된 재질은 두께가 1.2mm 인 SPFC1180으로 항복강도와 인장강도가 매우 높 은 고장력강이므로 스프링백량이 매우 크고 형상동 결성이 불량할 것으로 예측되었다. 블랭크의 응력- 변형률 곡선은

^  

Seho Kim․Keepoong Kim․Wonho Choi

(a) Stage 1

(b) Stage 2

Fig. 6 Finite element models for the stamping analysis of the side sill front

표현된다. 성형방식은 단동 프레스에 의한 충격성 형(Crash-forming) 으로 드로우 비드는 존재하지 않 았다. Fig. 6에 1단계 및 2단계 성형공정의 금형 및 블랭크의 유한요소 모델을 도시하였다. 1단계 공정 에서는 적응요소 재분할(adaptive remeshing)을 블랭 크에 적용하여 금형형상을 따라 잘 변형하도록 하 였으며, 2단계 공정에서는 1단계 공정의 요소형상 을 그대로 활용하여 해석을 수행하였다.

2.2

2.2.1

2.1절의 해석조건을 바탕으로 하여 센터필러 부 재의 성형해석을 수행하였다. Fig. 7에 해석에서 구 한 변형형상을 실제 제품과 비교하였으며, 전체적 으로 잘 일치하고 있는 것을 알 수 있다. 성형해석 결과의 정확성을 검증하기 위하여 두께분포를 비교 하였다. 두께를 측정한 단면의 위치는 Fig. 8에 도시 하였으며, 실제제품의 단면부위에 눈금을 부착하고 마이크로미터로 두께를 측정하였다. Fig. 9에 시험 과 해석에서 얻어진 두께 감소율 분포를 비교하였 으며, 그림에서 알 수 있듯이 매우 잘 일치하고 있 다. Fig. 10(a)의 두께감소율 분포에서 알 수 있듯이

(a) Analysis

(b) Experiment

Fig. 7 Comparison of deformed shapes of the blank between the analysis and the experiment

Fig. 8 Cross sections for the measurement of the thickness 부재 측벽부의 두께가 최고 25%까지 감소하고 있으 며, 이는 성형공정에 의한 물성치의 변화가 매우 크 다는 것을 의미한다. Fig. 10(b)에는 유효변형률의 분포를 도시하였으며 측벽부에서 최고 0.3 이상 발 생하고 있다. 이를 응력으로 환산하면 632 MPa의 항 복강도를 가지게 되며, 초기 항복응력과 비교하여 2 배 이상의 강도 증가를 보이는 것을 의미한다.

2.2.2

Fig. 11에 성형중 블랭크의 형상을 도시하였다.

그림에서 알 수 있듯이 성형해석은 무리 없이 잘 진 행되었다. Fig. 12에는 2단계 공정 후의 두께감소율 분포를 도시하였으며, 최대 두께감소가 3%로 나타 났으며, 이는 펀치 어깨부의 작은 영역에서 발생하 였다. 실제 변형이 일어났다기보다는 접촉처리 시 의 오차로 보여지므로 실제 두께 감소는 이보다 작 으리라 판단된다. 두께변화가 매우 작고 성형에 사 용된 재료의 가공경화지수가 매우 작은 것을 감안 하면 가공경화효과가 거의 없을 것으로 판단되며,

Evaluation of Crashworthiness and NVH Performances of Side Structure with Finite Element Analysis considering Stamping Effects

(a) Section A-A'

(b) Section B-B'

(c) Section C-C'

Fig. 9 Comparison of the thickness reduction ratio at the cross sections between the analysis and the experiment 추후 성능해석 시 성형효과를 고려하지 않아도 무 방할 것으로 파악되었다.

3.

제2장에서 기술한 성형해석의 결과를 이용하여 차체 측면구조의 측면충돌해석 및 고유진동수 해석 을 수행하고 성형효과의 영향을 파악하였다. 성능 해석에서 고려한 대상은 Fig. 1에 도시한 센터필러

(a) Thickness reduction ratio(%)

(b) Effective plastic strain

Fig. 10 Distribution of the thickness reduction ratio and the effective plastic strain after the stamping analysis

(a) Stage 1

(b) Stage 2

Fig. 11 Deformed shapes of the blank during the stamping analysis of side sill front

Fig. 12 Distribution of the thickness reduction ratio(%) after the stage 2 of the side sill front

김세호․김기풍․최원호

및 사이드 실 등 12개 부재로 구성되어 있다. 일반적 으로 성형효과를 고려할 경우 고려할 수 있는 기계 적 성질은 두께 분포, 유효 변형률 분포, 잔류 응력 분포 등이 있는데, 본 논문에서는 신뢰성이 확보되 지 않은 잔류응력의 영향은 무시하고, 유효 변형률 과 두께분포를 고려하여 성능해석을 수행하였다.

해석은 성형해석과 동일하게 LS-DYNA3D를 이용 하여 수행하였다.

3.1

3.1.1

본 논문에서는 측면충돌 상품성 시험으로 널리 사용되고 있는 US-SINCAP⁸⁾(US-Side Impact New Car Assessment Program)에 근거하여 충돌해석을 실 시하였다. 이 충돌시험법은 Fig. 13에 도시한 바와 같 이 27°의 경사를 가진 이동대차(MDB: Moving De- formable Barrier)가 정지차량의 측면을 38.5 mph(62 km/h)의 속도로 충돌하는 시험방법이다.

측면충돌에서는 대부분의 충돌에너지를 센터필 러가 흡수하고 나머지 부분은 변형이 거의 없이 강 체 운동을 하게 되므로 Bae 등⁹⁾이 제안한 방법을 이 용하여 센터필러 부분을 중심으로 한 단순모델을 구성하고 효율적인 해석을 수행하도록 하였다. 전 체 차체에서 해석에 고려된 부분과의 지지조건을 모사하기 위하여 비탄성 불연속 스프링 요소를 이 용하였다. 대차모델은 충돌에 관여하지 않는 부분 을 질량요소로 대체하고, 범퍼부의 폭을 줄였다.

Fig. 14에 단순 측면구조 모델 및 대차 모델의 형상 을 도시하였다. 이동대차와 측면구조와의 충돌은

Fig. 13 Test configuration of the US-SINCAP test

Fig. 14 Finite element model of a simplified side structure assembly with inelastic spring elements and a simp- lified moving deformable barrier

해석의 편이를 위하여 27도의 경사각을 부여하는 대신 직각충돌 방향의 속도 성분만을 고려하여 이 동대차의 초기속도 조건을 차폭 방향으로 15.33 m/s 를 부과하여 구현하였다.

성형효과의 영향을 비교하기 위하여 성형효과를 고려하지 않은 경우, 두께 변화만을 고려한 경우, 유 효 소성변형률 만을 고려한 경우, 두께와 유효 소성 변형률 모두를 고려한 경우 4가지 경우에 대하여 해 석을 수행하고 변형모드, 에너지 흡수량, 이동대차 의 접촉 반력을 비교하였다.

3.1.2

본 연구의 대상물인 측면구조물은 실차 조건의 진동시험에서 수행하는 에어라이더 지지상태의 Free-Free 경계조건을 부과할 수 없으므로 단순모델 을 제작하여 모드해석을 수행하고 성형이력의 고려 에 따른 진동모드 및 고유주파수의 변화를 비교하 여 그 효과를 분석하였다. 차량의 진동에는 여러 가 지 모드가 있으나 본 해석의 대상은 단순모델만으 로 국한되어 있으므로 Fig. 15와 같이 차폭방향 가장 안쪽 절점들을 y 방향으로 병진과 회전 자유도를 구

Fig. 15 Finite element model of a simplified side structure assembly with the simplified boundary condition for the NVH analysis

성형효과를 고려한 해석을 통한 차체 측면구조의 충돌 및 진동 성능평가

속하고 차폭방향으로의 대칭조건을 구현하였다. 실 차에서는 단순모델의 타부재 결합부위가 고정되어 있지 않고 강성을 가지게 되나 단순모델의 해석에 서는 성형효과의 영향만을 파악하기 위하여 단순경 계조건을 부과하였다. 해석은 LS-DYNA3D의 내연 적 기법을 이용하였다. 이상의 조건으로부터 진동 모드와 고유치를 추출하였다.

3.2

3.2.1

3.1절에 설명한 해석조건을 바탕으로 연계 측면 충돌해석을 수행하였다. Fig. 16에 충돌 시의 구조물 과 대차의 변형형상을 보였으며, 주로 센터필러 부 를 중심으로 대차와의 변형이 발생하고 있는 것을 확인할 수 있었다. 성형이력 고려의 영향을 알아보 기 위하여 변형 후 센터필러 부위의 절점에서 차폭 방향 침투량의 차이를 비교하였다. Table 1에서 각 부위의 경향을 보여주고 있으며, Fig. 17에는 센터필 러 중심부의 단면에서의 폭방향 변형형상을 도

(a) 10 msec (b) 20 msec

(c) 30 msec (d) 40 msec

Fig. 16 Deformed shapes of the side structure assembly during the side impact analysis

Table 1 Difference of the intrusion amount of the center pillar into the cabin room at 30msec

Location w/o stamping effect (mm)

w/ stamping effect (mm)

Difference (mm) Pelvis (z=400mm) 332.87 324.93 -7.94 Rib (z=700mm) 230.80 221.74 -9.06

Head (z=1000mm) 76.53 82.69 +6.34

(a) Cross section

(b) Deformed shapes

Fig. 17 Comparison of deformed shapes at the cross section at 30 msec

시하고 있다. 그래프에서 도시한 골반부, 가슴부, 머 리부는 충돌시험에서 더미를 운전석에 착좌시켰을 때 플로어에서 높이방향(z)으로 각각 400mm, 700 mm, 1000mm로 설정하여 절점을 추출하고 해당절 점에서 y방향으로의 변위를 비교하였다.

센터필러의 상부에서는 성형효과를 고려한 경우 가 그렇지 않은 경우보다 침투량이 컸으며, 하부에 서는 반대의 결과를 보여주고 있다. 센터필러의 경 우 측벽부분의 두께가 성형중에 많이 감소하게 되 며 해당 부위의 소성변형률도 증가하게 된다. 이러 한 상반된 효과가 복합되어 부재의 강도를 결정하

Seho Kim․Keepoong Kim․Wonho Choi

게 되는데, 상부에서는 충돌 중 대차와의 접촉이 일 어나지 않고 작은 변형량이 발생하는 굽힘변형만을 하게 되어 두께의 효과가 지배적이 된다. 따라서, 두 께의 감소가 강도약화로 이어져 성형이력을 고려한 경우가 변형이 더 크게 된다. 하부에서는 대차와의 충돌을 통한 많은 양의 소성변형을 하게 되어 두께 감소 효과보다 유효소성변형률 증가에 따른 강도증 가 효과가 커져서 성형이력을 고려한 경우가 그렇 지 않은 경우보다 변형이 작아지게 된다.

Fig. 18에는 이동대차와 차체와의 접촉력으로 계 산되어지는 충돌력을 비교하였으며, Table 2와 Table 3에는 충돌력과 측면부재의 에너지 흡수량을 비교하였다. 이동대차의 하중은 SAE600 필터로 필 터링하여 도시하였다. 두께만을 고려한 경우가 하 중이 가장 낮게 나왔으며, 이는 성형에 의하여 두께 가 감소한 효과와 두께 불균일에 의한 결함으로의 작용이 원인이라고 판단된다. 초기 충돌력은 성형 효과를 고려하지 않은 경우가 가장 크게 나왔으며, 이는 측면충돌의 경우 축방향 붕괴가 아닌 굽힘에 의한 부재변형이 지배적이므로 초기 변형 시 변형 률에 의한 항복강도 증가 효과보다는 두께감소에

Fig. 18 Comparison of impact forces between the side struc- ture assembly and the MDB

Table 2 Maximum peak load for impact analysis of the side structure assembly

Peak load (kN) Without stamping effect 27.91 With thickness distribution 25.47 With strain distribution 26.50 With all forming effects 25.99

Table 3 Difference of energy absorbed in the side structure assembly

Time w/o stamping effect (J)

w/ stamping

effect (J) Difference(%)

10 msec 1513.20 1577.64 4.26

20 msec 4180.14 4231.92 1.24

30 msec 6284.99 6625.40 5.42

40 msec 7911.19 8294.88 4.85

의한 붕괴하중 감소 효과가 더 큼을 의미한다. 에너 지 흡수량은 성형효과를 고려하지 않은 경우보다 고려한 경우가 컸으며, 이는 충돌에 의한 변형이 진 행됨에 따라 성형에 의한 변형경화의 효과가 에너 지 흡수율을 높였음을 설명하고 있다.

이상의 결과로부터 성형효과를 고려할 경우 측면 부재의 변형모드가 높이에 따라 크게 변화하며, 초 기 충돌하중은 감소하고 에너지 흡수량은 커지는 것으로 나타났다.

3.2.2

3.1절의 해석조건을 바탕으로 진동해석을 수행 하였으며, Fig. 19에 2개의 진동모드를 도시하였다.

Table 4에 성형이력을 고려한 경우와 그렇지 않은 경우에 대한 고유 진동수를 비교하였으며, 모두 1%

미만으로 감소한 것을 확인할 수 있다. 성형에 의한 부재 질량의 변화가 크지 않으며, 강성의 경우 일부 분의 두께감소로 인하여 약간 감소하나 형상의 변 화효과보다 작아 고유 진동수의 큰 차이가 발생하

(a) First mode

(b) Second mode

Fig. 19 Normal modes extracted from the analysis

Evaluation of Crashworthiness and NVH Performances of Side Structure with Finite Element Analysis considering Stamping Effects

Table 4 Comparison of the natural frequency of the side structure assembly with respect to the stamping effect

Mode w/o stamping effect (Hz)

w/ stamping

effect (Hz) Error(%)

1st 77.9 77.5 -0.51

2nd 122.3 122.0 -0.25

3rd 159.7 159.5 -0.13

4th 177.7 177.1 -0.34

지 않은 것으로 분석된다. 따라서, 대변형이 발생하 지 않는 진동해석에서는 반드시 성형효과를 고려해 야 할 필요는 없을 것으로 판단된다.

4.

본 논문에서는 차량의 성능해석 정확도 향상을 위하여 부재의 생산 시 박판성형 공정에 의하여 부 과되는 성형효과를 고려하여 측면구조 충돌해석 및 진동해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻 었다.

1) 측면구조를 구성하는 주요부재인 센터필러와 사이드 실의 성형해석을 수행하였으며, 센터필 러의 경우 측벽의 최대 두께감소가 25%이었으 며, 유효소성변형률이 0.3으로 성형이력 고려가 성능해석에 큰 영향을 줄 것으로 평가되었다.

2) 측면구조의 충돌해석을 위하여 스프링 요소를 이용한 단순모델 및 이동대차 단순모델을 구성 하였으며, 성형효과를 고려한 경우와 그렇지 않 은 경우의 결과를 비교하였다. 정면충돌의 경우 와는 달리 두께감소와 가공경화의 상반된 효과 가 복합된 결과를 보였으며, 특히 센터필러 상부 는 성형효과를 고려한 경우가 변형이 더 컸으며, 하부는 반대의 결과를 보였다.

3) 측면구조의 진동해석을 수행하였으며, 진동모 드 및 고유 진동수를 비교한 결과 성형이력을 고 려한 경우와 그렇지 않은 경우에 거의 유사한 결 과를 얻었다.

4) 충돌 등과 같은 큰 소성변형을 수반하는 차량해 석의 경우에는 부재의 성형에 따른 두께감소 및 가공경화에 의한 강도증가의 효과를 고려하는 것 이 차량 설계 단계에서 필수적임을 확인하였다.

References

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