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Ⓒ2011 KSAE 1225-6382/2011/112-07 Transactions of KSAE, Vol. 19, No. 4, pp.47-53 (2011)
연료전지차량 차체프레임 강성 및 내구해석
최 복 록1)․강 성 종*2)
강릉원주대학교 기계자동차공학부1)․대구가톨릭대학교 기계자동차공학부2)
Stiffness and Fatigue Strength Analysis of Fuel Cell Vehicle Body Frame
Boklok Choi1)․Sungjong Kang*2)
1)
Department of Mechanical & Automotive Engineering, Gangneung-Wonju National University, Gangwon 220-711, Korea
2)
Department of Mechanical & Automotive Engineering, Catholic University of Daegu, Gyeongbuk 712-702, Korea (Received 23 July 2010 / Accepted 14 February 2011)
Abstract : Firstly, FEM model for the body frame of a fuel cell vehicle was built up and design optimization results based on different schemes were exhibited. One scheme was to minimize weight while maintaining the normal mode frequencies and the other was to increase the frequencies without weight change. Next, for a rear frame model, shape parameter study on collapse characteristics such as peak resistance load and absorbed energy was carried out. Also, the stiffness of frame mounting brackets was predicted using inertance calculation and the durability of those mounting brackets for vehicle system loads was evaluated. Finally, for a representative mounting model, the influence on durability due to thickness change was analyzed.
Key words : Fuel cell vehicle(연료전지 차량), Thickness optimization(두께 최적화), Rear frame(후방 프레임), Mounting bracket(마운팅 브라켓), Fatigue safety factor(내구안전지수)
1. 서 론
1)
연료전지 차량(FCV: Fuel Cell Vehicle)은 수소연 료탱크 등 제반 시스템 장착으로 언더바디 패키징 과 차량에 작용하는 하중 분포가 변화하므로 진동 정숙성을 확보하고 상부 차체와 하부 구조물을 견 고하게 지지하기 위해서 프레임은 충분한 굽힘 및 비틀림 강성과 내구성을 확보해야 한다. 또한, 상부 차체와 서스펜션 등을 지지하기 위해서 많은 브라 켓들이 용접에 의해 프레임에 연결되어 있어 마운 팅 브라켓부의 내구성 확보가 중요하다. 아울러, 후 방충돌 시 수소 탱크의 안정성을 확보해야하므로, 설계초기단계에서부터 후방충돌 안전성이 높은 프 레임 형상 확보가 중요하다.
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
본 연구에서는 연료전지 시작차 프레임 모델에 대해 고유진동수 확보를 목표로 최적화 설계 방안 을 모색하였으며, 후방프레임 설계를 위한 형상설 계 개념을 파악하고자 모사 모델을 대상으로 형상 설계변수 변화에 따른 붕괴성능 영향을 분석하였 다. 또한, 차체와 샤시가 장착된 각 마운팅 브라켓에 서의 입력점 강성을 평가하였으며, 시스템 하중에 대한 마운팅 브라켓부 내구성을 평가하였다. 마지 막으로 차체 브라켓 형상 모델을 대상으로 모재와 브라켓 형상, 두께 변화에 대한 용접부 내구강도 변 화를 분석하였다.
2. 프레임 강성해석 및 최적화 Fig. 1은 연구대상인 프레임의 개략적인 구조를 나타낸다.
최복록․강성종
Fig. 1 Frame of FCV
차량 주행 시 발생하는 진동하중의 절연을 위해 좌우 각각 4곳에서 고무 부시로 차체에 연결되며, 앞쪽에는 더블 위시본형 서스펜션을 연결하기 위한 각종 브라켓이 부착되어 있고 후방부에는 CTBA형 의 서스펜션이 장착되는 구조이다.1)
소재는 부재(member)에는 SPFH 590, 브라켓에 는 SAPH 440이 각각 적용되었다.
차량의 저주파 진동특성(아이들링, 세이크 등)과 조종안정성 확보를 위해 , 현 사양의 동적 강성을 유 지하면서 중량을 감소할 수 있는 설계 개선안을 도 출하기 위해서 고유진동해석을 수행하였다. 먼저, 현 사양(기본 모델, base model)에 대해 해석과 시험 결과를 비교해 모델의 신뢰성을 검증한 다음 중량 감소를 위한 두께 최적화(thickness optimization) 해 석을 수행하였다.1)
2.1 기본모델 검증
모델 검증을 위해서 MSC/NASTRAN을 이용하여 자유 경계조건에 대한 고유진동해석을 수행하였다.
앞･뒤 범퍼를 부착한 상태에서 해석을 수행하여 시 험결과와 비교하였다(Table 1). 1차 모드는 길이방 향의 비틀림 모드이고, 2차와 3차 모드는 각각 종방 향과 횡방향의 굽힘 모드로 나타나며 해석과 시험 결과가 매우 잘 일치하고 있다.
Table 1 Comparison between modal test and analysis results Mode Frequency (Test - Analysis)
Torsion - 0.1 Hz
1st Vertical bending +1.7 Hz Lateral bending - 0.2 Hz
2.2 구조최적화 1
Fig. 2 Design variable numbers for optimization 1
검증된 모델을 대상으로 각 부재의 두께를 설계 인자로 하여(Fig. 2) 고유진동수 변화 없이 중량을 최소화 할 수 있는 설계 방안(구조최적화1 모델)을 모색하였다. 해석 단순화를 위해 결합부 국부 보강 으로 강성 확보가 용이한 비틀림 고유진동수를 제 외한 1차 종굽힘, 횡방향 고유진동수 확보를 조건으 로 최적화 해석을 수행하였다.
∙목표(Objective) : 중량 최소화
∙구속조건(Constraint bound) : 2, 3차 모드의 고유진 동수 현 사양 이상
∙설계변수(Design variable bound) : 두께 1.0~5.0mm 최적화 해석에는 Hyperworks의 Optistuct2)을 사용 하였다.
Table 2는 구조최적화 1 모델의 고유진동수 및 중 량 변화를 나타낸다. 고유진동수 변화가 거의 없었 으며 중량은 기본 모델 대비 4.3 kg 감소되었다.
Table 2 Frequency and weight change of optimized model 1 (compared with base model)
Mode Frequency Weight
Torsion -0.2 Hz
-4.3 kg 1st Vertical bending 0.0 Hz
Lateral bending -0.1 Hz
2.3 구조최적화 2
구조최적화 1 모델에 대해 기본 모델의 중량을 유 지하면서 고유진동수를 향상시킬 수 있는 설계안 (구조최적화 2 모델)을 모색하였다. 구조최적화 1에 서 변형에너지가 크게 발생한 부재 두께를 증가시 켰으며 비틀림 진동수를 증가시키는 방안으로 비틀 림시 변형에너지가 크게 발생한 부재(#6 X/MBR)의 직경을 50mm에서 66mm으로 증가시켰다. 반면, 중
연료전지차량 차체프레임 강성 및 내구해석
Fig. 3 Local thickness and diameter change in optimized model 2
량중가를 최소화하기 위해 변형에너지가 작게 나타 난 #2 차체 마운팅 브라켓의 두께를 2.3mm에서 2.0mm로 감소시켰다(Fig. 3).
해석결과 Table 3에서와 같이 기본 모델의 중량을 유지하면서 비틀림 모드의 고유진동수가 기본 모델 대비 0.4 Hz 정도 높게 산출되었고 1차 굽힘 모드와 횡굽힘 모드도 각각 0.7Hz, 2.7 Hz 상승되었다. 프레 임 길이 방향으로 부재들을 세분화하거나 또는 부 분적인 보강재를 적용한다면 현재 보다 더 좋은 결 과를 기대할 수 있으리라 판단된다.
Table 3 Frequency and weight change of optimized model 2 (compared with base model)
Mode Frequency Weight
Torsion +0.4 Hz
-0.1 kg 1st Vertical bending +0.7 Hz
Lateral bending +2.7 Hz
3. 프레임 후방형상과 붕괴성능 멤버 붕괴특성 향상을 위해 보강재 및 폼 충진재 를 좌굴단면 보강에 적용한 많은 연구가 수행되었 으나3,4) 보강효과(특히 초기좌굴) 대비 중량과 원가 증가를 초래하므로, 차량 안전성 확보와 경량화를 위해서는 설계초기단계에서 각종 시스템 장착을 고 려한 형상 최적화 설계가 선행되어야 한다.
수소탱크의 안전성을 고려한 후방프레임(rear frame) 설계를 위한 기초연구로 후방프레임 모사 모 델(Fig. 4(a))에 대해 붕괴성능에 대한 형상설계 변수 의 영향을 분석하였다. 각 형상 변수 변화에 대해 붕 괴해석을 수행하였으며, 그 결과로부터 최적화 설 계안을 도출하여 붕괴성능 향상 정도를 예측하였다.5)
3.1 해석모델 구성
프레임 형상 설계변수 6가지(θ1, θ2, H1, H2, R1, R2) 각각에 대해, 최대저항력(Pmax)과 붕괴변위 300mm까지의 평균저항력(Pmean)에 대한 영향을 분석하였다(Fig. 4(a)). 프레임의 두께는 2.3mm, 재 질은 SPFH 590 (YS= 474.1 MPa, TS= 586.8 MPa)을 적용하였으며, 해석에는 LS-DYNA를 이용하였다.
좌우 프레임 간 횡방향 구속을 재현하기 위해 범 퍼를 강체판(rigid plate)으로 대체하였으며 중앙부 에 대칭조건을 부여하였다. 모델 한쪽을 완전고정 시킨 후 강체판에 변위하중(최대 300mm)을 가하면 서 저항력을 산출하였다(Fig. 4(b)).
(a) Basic frame shape (LH)
(b) Analysis model
Fig. 4 Parametric study model for rear frame crushing performance
3.2 해석결과 및 분석
Pmax의 경우 θ2와 R2의 영향이 크게 나타났으 며, θ2가 감소할수록 그리고 R2가 증가할수록 Pmax 가 증가 하였다. 한편, H1, H2가 감소할수록 굴곡부 작용 굽힘모멘트의 감소로 인해 Pmax가 증가하였 다, Pmean의 경우 임계치수(θ2=22°, H1=45mm H2= 205mm) 이상에서 θ2, H1, H2 증가에 따라 Pmean이 감소하였으며, θ1 증가에 따라 Pmean이 다소 증가 하였다. R1 변화에 대해는 Pmax, Pmean 모두 큰 변 화를 보이지 않았다(Fig. 5).
Boklok Choi․Sungjong Kang
Fig. 5 Parameter study results
Pmax, Pmean 각 성능의 극대화를 위한 형상을 모 색한 후, Pmean와 Pmax 모두를 최대한 향상시킬 수 있는 형상 설계안을 고찰하였다. 해석결과(Fig. 6) Pmax의 극대화 설계안의 경우 기본형상 대비 Pmax
Fig. 6 Design for maximizing crushing performance
28.8%, Pmean 4.8%의 증가를 나타냈으며, 일반적으 로 단순한 보강재 추가에 의해서 Pmax가 획기적으 로 향상되기 어려운 점을 고려할 때3,4) Pmax를 극대 화를 위해서는 설계초기단계 프레임 형상 최적화가 매우 중요함을 알 수 있다.
Pmax, Pmean의 동시 극대화를 모색한 설계안은 각각 Pmax 18.6%, Pmean 9.2%가 향상되었다.
4. 마운팅 브라켓부 강성 및 내구해석 차체 및 노면으로부터의 진동 가진력이 마운팅 브라켓(mounting bracket)을 통해 프레임에 전달되 므로 프레임에 부착된 브라켓들은 충분한 강성과 내구성 확보가 요구된다. 앞서 구성된 프레임 유한 요소 모델을 이용 마운팅 브라켓부 강성과 내구성 을 평가하였다.
4.1 강성해석
각 브라켓을 대상으로 1,000Hz까지의 주파수 영 역에서 전후, 좌우 및 상하 각 방향으로 단위 가진력 (1N)을 작용한 후, 동일 위치에서의 가속도 응답을 얻음으로써 입력점의 마운팅 브라켓 국부강성을 평 가하였다.
Fig. 7은 주파수(x-축, Hz)에 따른 3방향의 가속도 (y-축, mm/sec2) 응답특성을 500kgf/mm, 1000 kgf/mm 선도와 함께 나타낸 것이다. 그 결과, #1 차체 마운 팅 브라켓(일부 주파수 범위에서 강성부족)을 제외 한 전체 브라켓의 국부강성이 전 주파수 범위에서
Stiffness and Fatigue Strength Analysis of Fuel Cell Vehicle Body Frame
Table 4 System load (RH)
Position 1.0 GVW 1.0 GVW Longitudinal 0.5 GVW Lateral 0.2 GVW Vertical 1.8 GVW Verticaln
Front Patch 5403 N - -2702 N 1081 N 9726 N
WHL CTR - 5403 N - - -
Rear Patch 5752 N - -2876 N 1150 N 10353 N
WHL CTR - 5752 N - - -
System loads Static load 1.0 Fz±1.0Fx 1.0Fz±0.5Fy 1.0 Fz±0.8Fz
Fig. 7 Point inertance of mounting brackets
500 kgf/mm 이상으로 산출되어 설계목표를 만족하 였다. 또한, 리어 서스펜션 로워 암 마운팅 브라켓의 고유진동수가 347Hz로 설계 목표주파수(500Hz 이 상)를 만족시키지 못하여 강성보완이 요구되나 그 외 모든 마운팅 브라켓의 고유진동수(Fig. 7의 ◯ 표 시부)는 설계목표를 충분히 만족하고 있다.
4.2 내구해석
연구대상 연료전지차량의 동역학 모델을 이용 시스 템 하중으로 불리는 전후(longitudinal), 좌우(lateral), 그리고 상하(bumping, vertical) 반복하중에 대해 마 운팅 브라켓부의 내구성을 예측하였다. Table 4는 각 방향 시스템 하중 크기를 나타낸 것이다.
Fig. 8은 시스템 하중으로부터 계산된 프레임의 내구안전지수(fatigue safety factor) 분포와 중요부에
(a) Longitudinal force
(b) Lateral force
(c) Bumping force
Fig. 8 Estimated fatigue safety factor서의 크기를 나타낸다. 내구안전지수는 그림에서 나타낸 바와 같이 수정된 Goodman 선도를 적용하 였다.
전후 하중 작용시는 로워암 지지 크로스멤버의 연결부와 트레일링 암 마운팅 브라켓 부근이 상대 적으로 취약하게 나타나고 있다. 그리고, 횡 하중에
최복록․강성종
대해서는 전후 하중과 마찬가지로 로워암 지지 크 로스멤버의 브라켓 용접부, 그리고 상하하중의 경 우는 스트러트 마운팅 브라켓과 #3, #4 차체 마운팅 브라켓 주변에서 상대적으로 내구성이 취약함을 알 수 있다. 그러나 모든 시스템 하중에 대해서 내구안 전지수가 1.2 이상으로 나타나 일반적 내구기준을 충분히 만족하고 있다고 판단된다.
5. 마운팅 브라켓부 구조와 내구성 브라켓의 형상 및 두께 변화에 따른 마운팅 브라 켓 용접부에서의 내구성을 고찰하기 위해 #1, #3, #4 차체 마운팅 브라켓 구조를 대표하는 형상의 해석 모델을 구성하였다(Fig. 9). 브라켓 주위의 국부적인 해석을 위해서 사이드 멤버의 전후부는 고정하였으 며, 중앙부에 상하방향으로 2kN의 하중을 작용하였 다. 구조해석에는 MSC/NASTRAN, 용접부 수명예 측에는 nCode사의 DesignLife 프로그램을 각각 사 용하였다.6,7)
Fig. 10은 응력과 내구성을 검토하기 위해서 구성 한 용접부 상세모델을 나타낸 것이다. 용접부를 중 심으로 목(throat)부와 끝단부(toe) 모두 사각형 요소
Fig. 9 Finite element model of mounting bracket
Fig. 10 Modeling of bracket welding lines
로 구성하였다.
해석모델은 초기형상과 브라켓의 두께 감소(모 델 1), 사이드멤버의 두께 감소(모델 2) 및 증가(모델 3), 그리고 브라켓의 하부 삭제(모델 4) 각각을 대상 으로 해석함으로써 브라켓 용접부 주위 두께 변화 와 형상 변화에 따른 영향을 검토하였다.
Table 5는 응력과 변형량의 크기를 비교한 것이 다. 모든 모델에 대해 용접부 끝단에서 최대응력이 발생하며(Fig. 11) 브라켓 두께 변화보다 사이드 멤 버의 두께 변화에 보다 민감하게 변함을 알 수 있다.
한편, 브라켓 강성은 모델4에서와 같이 브라켓 자체 의 형상과 더욱 밀접한 관계를 갖는다.
다음으로 Table 6은 일정진폭 하중 하에서의 용접 부에서의 손상과 균열발생 수명과의 관계를 나타낸 것이다. 일정진폭 하중이므로 손상과 수명은 역수 의 관계를 가질 것이며 용접부 구조에 따른 S-N 선 도를 이용해서 계산하였다.
응력집중이 용접부 끝단의 사이드멤버에서 발생 하고 있으므로 내구성도 동일한 위치에서 제일 취 약하게 나타난다. 한편, 기본모델(base model)의 수 명을 단위 크기로 해서 비교한 결과, 용접부 내구수 명은 사이드멤버의 두께 변화에 따라 크게 변할 뿐
Table 5 Stress and displacement
Fig. 11 Stress distribution
Table 6 Damage and fatigue life of bracket models
연료전지차량 차체프레임 강성 및 내구해석
만 아니라 브라켓 자체의 구조가 약화됨에 따라 응 력이 크게 감소하여 내구수명이 대폭 감소됨을 알 수 있다.
6. 결 론
연료전지 차량 차체프레임에 대해 구조해석을 수 행하였다.
1) 고유진동수를 유지하면서 중량 감소를 위한 최적 화 해석을 수행한 결과, 4.2kg의 중량감소 방안을 산출하였으며, 중량증가 없이 고유진동수를 최 대 7.3% 향상시킬 수 있는 개선안을 도출하였다.
2) 후방프레임 모사모델에 대한 붕괴성능 해석을 통해 붕괴특성 극대화를 위해서는 설계초기단 계 후방 프레임 형상의 최적화가 매우 중요함을 확인할 수 있었다.
3) 마운팅 브라켓부들의 강성과 내구성을 검토한 결과, 대부분 설계목표를 모두 만족하고 있으며 브라켓의 구조에 따른 용접부 내구성을 분석한 결과, 최대응력과 파손 취약부는 용접 선단에서 발생하며 사이드멤버의 두께 변화에 매우 민감 하게 나타났다.
후 기
본 연구는 산업자원부 시행 성장동력기술개발사 업의 “승용연료전지 차량설계 및 시스템 및 인터그 레이션 개발”(주관: 현대자동차) 연구 지원에 의해 수행되었습니다.
References
1) S. J. Kang and B. L. Choi, “Body Structure Optimization of Fuel Cell Vehicle: The 2nd,”
Proceedings of Automotive Technology Work- shop, KATECH, 2008.
2) Optistruct User's Manual, Ver.8.0, Altair Engi- neering Inc. 2006.
3) T. H. Lee and S. G. Shin, “Analysis of Buc- kling Characteristics for Hat Section Member Using Structural Foam and Plastic Reinforce- ment,” Transactions of KSAE, Vol.16, No.2, pp.114-119, 2008.
4) I. S. Lee and S. J. Kang, “Bending Collapse Characteristics of Hat Section Beam Filled with Structural Foam,” Transactions of KSAE, Vol.
14, No.2, pp.92-99, 2006.
5) M. Takagi, K. Kawamura, T. Kamei, S. Ando and M. Watanabe, “Reinforcement Effect of Thin Walled Curved Beam,” Proceedings of JSAE Autumn Conference, pp.145-148, 1992.
6) DesignLife Theory Guide Ver.5.1, nCode International Ltd., 2008.
7) D. W. Kim, S. M. Yang, H. W. Kim and D. S.
Bae, “Design Sensitivity Analysis of Welded Strut Joints on Vehicle Chassis Frame,” The Korean Welding and Joint Society, Vol.16, No.3, pp.141-147, 1998.
