CopyrightⒸ2013 KSAE / 123-18 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2013.21.3.148 Transactions of KSAE, Vol. 21, No. 3, pp.148-156 (2013)
한국형 소형전술 시제차량의 내구성능 평가
서 권 희*1)․유 명 광1)․임 민 택2)․정 찬 만3)
기아자동차 특수개발팀1)․기아자동차 특수차량연구실2)․국방기술품질원 창원1팀3)
Durability Analysis on the Prototype of a Korean Light Tactical Vehicle
Kwonhee Suh*1)․Myeongkwang Yu1)․Mintaek Lim2)․Chanman Jeong2)
1)Millitary Vehicle Development Team, Kia Motors Corporation, 700 Naebang-dong, Seo-gu, Gwangju 502-711, Korea
2)Millitary Vehicle R&D Center, Kia Motors Corporation, 700 Naebang-dong, Seo-gu, Gwangju 502-711, Korea
3)1st Changwon Team, Defense Agency for Technology and Quality, 9 Changwon-daero, 1137 beon-gil, Seongsan-gu, Changwon-si, Gyeongnam 642-160, Korea
(Received 28 September 2012 / Revised 23 October 2012 / Accepted 29 October 2012)
Abstract : Since the demand for new military vehicle to fulfill the necessary conditions such as multi-purpose, high- mobility, and survivability has raised continuously from the army, the prototype of a Korean light tactical vehicle was developed to meet these requirements using our own technology. In particular, the new tactical vehicle was equipped with a double wishbone independent suspension to improve ride and handling and maximize off-road driving performance. In this paper, a comprehensive virtual durability process to evaluate the service life of the prototype is presented. A reliability of the trimmed body model based on CATIA data was verified by comparison result between mode analysis and modal test. The dynamic model was constructed using ADAMS/Car, and then the weight distribution and lateral slope driving performance of it were compared with the results of static weight and lateral slope tests. The validity of the VTL(Virtual Test Lab) was checked with test results from the 3-inch spaced impact road. The durability performances of trimmed body and suspension components were evaluated through MSM(Modal Superposition Method) fatigue analysis. It is shown that the virtual durability process could be a helpful tool to find out the weak areas and improve their structures in developing new military vehicle.
Key words : Tactical vehicle(전술차량), Independent suspension(독립 현가장치), Durability analysis(내구해석), Virtual test lab(가상 시험 모델), Modal superposition method(모드중첩법)
1. 서 론1)
현재 군용 차량은 크게 ¼톤과 1¼톤급 소형차량, 2½톤과 5톤급 중형차량, 그리고 10톤급 대형차량으 로 구성되어 있는데, 2000년부터 엔진출력 향상, EMI/EMC 적용기준 상향 조정, 광폭 단륜 타이어 적 용 등 업체 자체 개발로 성능 개량하여 전력화 운용 중에 있다.1) 2003년 이라크 전쟁 이후 세계 각국 전 술차량들의 개발 방향은 기동성 향상 뿐만 아니라
*Corresponding author, E-mail: [email protected]
생존성 확보쪽으로 급변하고 있으므로, 한국군의 경우에도 급변하는 미래 전장 환경에 대비하기 위 해 생존성과 기동성을 구비하고 군 요구 탑재장비 를 운용할 수 있는 군 전술차량의 개발이 필수적으 로 요구되고 있다.
이런 추세에 발맞춰 기아자동차에서는 다목적성, 고기동성, 그리고 생존성을 기본 컨셉으로 하여 한 국군을 대표하는 독립현가 방식 소형전술 시제차량 을 독자 개발하였다. 소형전술 시제차량의 경우 기 본적인 군 요구 성능들을 근거로 개발되는 신규 차
한국형 소형전술 시제차량의 내구성능 평가
량이기 때문에, 초기 레이아웃 단계부터 군 요구 성 능을 만족시키는 설계안을 도출하고 검증하는 프로 세스가 필수적으로 요구되었다. 특히 여러 군 요구 성능 중 내구 성능은 시제차량 제작 전 반드시 확보 되어야 하는 항목이므로, 설계안의 목표 수명 만족 여부를 검증하는 게 매우 중요하였다.
현재 군용 차량의 내구 성능을 검증하기 위한 방 법으로 실차 내구도 평가와 전산 내구해석이 병행 되고 있다. 군용 차량의 내구도 평가는 시험차를 제 작하여 국방과학연구소 기동시험장의 내구 시험로 에서 주행 모드별 목표 거리를 주행시킨 후 비파괴 검사를 통해 차량의 균열 유무를 확인하는 방식이 다. 군용 차량의 전산 내구해석에서는 노면 하중 이 력, 차량 구조물의 고유 진동 특성, 그리고 부품별 피로 물성을 고려한 MSM 내구해석 기법을 주로 이 용하는데, 내구해석을 통해 초기 레이아웃 단계에 서 주요 차량 구조물의 내구 취약부 및 수명을 예측 하여 상세 설계에 반영하고 있다. 군용 차량의 경우 표준 차량 개발이 성공하면 다수의 계열 차량들이 개발되기 때문에, 신뢰성 있는 표준 차량의 해석 모 델 및 내구해석 프로세스를 정립하면 계열 차량들 의 내구해석 및 실차 내구도 평가에 소요되는 시간 과 경비를 획기적으로 절감시킬 수 있으므로 점점 더 활용 빈도가 높아지고 있다.2,3)
본 논문에서는 군 요구 성능에 적합하도록 신규 개발된 소형전술 시제차량의 가상 시험 모델을 구축 한 후 전달 하중 해석을 통해 트림 차체(Trimmed body)의 내구 성능을 평가하는 방법을 제시하였다.
먼저 시제차량을 이용하여 국방과학연구소 기동시 험장에서 내구도 평가 기준에 따라 포장로, 비포장 로, 야지로 주행 계측 시험을 실시하였고, 계측된 가 속도 이력 데이터에 대한 신호 처리를 통해 가상 시 험 모델 입력용 하중 이력 데이터를 추출하였다. 다 음으로 시제차량의 트림 차체에 대한 모달 시험과 고유 진동 해석을 수행하였는데, 모달 시험 결과와 고유 진동 해석 결과의 비교 검증을 통해 신뢰성 있 는 유한 요소 해석 모델을 구축하였다. 또한, 트림 차 체의 유연성을 고려한 동역학 모델의 직진 및 횡경 사로 주행 해석을 수행한 후, 실 중량 분포 및 횡경사 시험 결과와의 비교를 통해 동역학 모델의 신뢰성을
검증하였다. 유효한 결과를 보인 유연체 동역학 모 델에 4-post 가상 시험기 템플릿을 추가시켜 가상 시 험 모델을 구성하였으며, 내구 주행 모드별 노면 하 중 이력들을 기초로 한 가상 주행 해석을 통해 현가 장치 마운팅에서의 동하중 이력들을 추출하였다.
마지막으로 추출된 동하중 이력과 재료의 피로 물성 을 기초로 트림 차체와 현가 부품의 내구해석을 수 행하여 시제차량의 내구 성능을 사전 분석하였다.
2. 소형전술 시제차량 소개
작전지역이 확대된 미래 전장 환경하에서 다목적 성, 고기동성, 생존성 확보를 목표로 개발된 소형전 술 시제차량은 Fig. 1과 같은 기본 스타일링을 바탕 으로 동일 샤시 플랫폼으로부터 다양한 계열 차량 의 전개가 가능하고, 극대화된 야지 및 험로 주행 능 력을 발휘하며, 자체 방호 능력도 확보하고 있다.
소형전술 시제차량에는 Table 1에 나타낸 바와 같 이 군 요구 성능과 유로5 배출가스 기준을 충족시키 는 225마력 클린 디젤 엔진과 8속 전자식 자동변속 기가 장착되어 있으며, 기동성 향상을 위해 더블 위 시본 독립 현가장치, 랙-피니언 조향장치, 고강성 현 가 부품 및 프레임, 그리고 타이어 공기압 조절장치
Fig. 1 Prototype of Korean light tactical vehicle Table 1 Specifications of prototype
Gross vehicle weight 5,000kg
Engine Diesel (EURO-5), 225PS/50kg.m Transmission Automatic (8-speed)
Transfer case 4×4
Maximum speed 130km/h
Suspension Double wishbone type Steering Power steering (Rack-pinion type) Protection Body/Glass (AK ball projectile)
Tire Run-flat, CTIS equipped
Kwonhee Suh․Myeongkwang Yu․Mintaek Lim․Chanman Jeong
(CTIS)이 개발되어 장착되어 있다. 또한 생존성 확 보를 위해 방탄 능력을 갖추고 있으며, 피탄시 주행 가능한 런플랫 전술타이어 역시 장착되어 있다.
3. 가상 시험 모델 구축 3.1 유한 요소 모델
트림 차체의 고유 진동 특성은 내구 수명에 영향 을 미치는 주요 인자이기 때문에, 차량 설계 데이터 에 근거한 유한 요소 모델의 고유 진동 결과와 모달 시험 결과간 상관성 분석을 통해 신뢰성이 검증된 트림 차체 해석 모델을 구성해야 한다.
소형전술 시제차량의 트림 차체에 대해 범용 유 한 요소 모델링 프로그램인 HyperMesh를 이용하여 총 560,957개의 요소 수를 갖는 유한 요소 모델을 Fig. 2와 같이 구성한 후, 범용 구조해석 프로그램인 MSC/NASTRAN에서 지원하는 고유 진동 해석을 통 해 모드 특성들을 추출하였다.
구성된 유한 요소 모델의 신뢰성 검토를 위해 트 림 차체의 모달 시험을 실시한 후, 대표적인 2가지 모드에서의 시험 결과와 해석 결과를 상대 비교하
Fig. 2 Finite element model of trimmed body
Table 2 Deviation between modal test and analysis results
Analysis Test
Frame/Body front-end bending mode (Deviation: 0.8%)
Global torsion/Frame side-rail bending mode (Deviation: 5.3%)
였다. Table 2에 나타난 바와 같이 시험-해석간 고유 진동수 차이는 최대 5% 정도이며, 모드 형상은 잘 일치한 것으로 나타났다.
3.2 동역학 모델
소형전술 시제차량에는 군용 차량 최초로 동특성 개선을 위해 Fig. 3과 같이 더블위시본 독립 현가장 치 및 랙-피니언 조향장치가 장착되어 있다. 전륜 현 가장치는 상부암(Upper control arm), 하부암(Lower control arm), 기어드 허브(Geared hub), 코일스프링, 쇽업소버, 범프 스톱으로 구성되어 있고, 후륜 현가 장치는 횡방향 운동 제어용 래디어스 로드(Radius rod)를 제외하면 전륜 현가장치와 동일한 부품들로 구성되어 있다. 이와 같은 조향 및 현가장치의 주요 부품 모델링 및 구성 부품간 연결은 차량동역학 해 석 전용 프로그램인 ADAMS/Car에서 지원하는 파 트, 조인트 및 힘 요소들을 이용하였다.
동하중 이력 추출용 가상 시험 모델 구성에 앞서 전체 차량의 중량 배분 및 주행 성능을 검토하기 위 해 조향 및 현가장치 모델에 트림 차체의 유연체, 타 이어, 파워트레인, 제동장치 서브시스템을 추가하 여 Fig. 4에 나타나 있는 것과 같은 유연체 동역학 모 델을 구성하였다.
Fig. 3 Front and rear suspension assemblies
Fig. 4 Flexible body dynamic model of prototype
Durability Analysis on the Prototype of a Korean Light Tactical Vehicle
Table 3 Axle weight distribution of prototype
Axle weights(kgf) Analysis Test Deviation(%) Axle locations Front 2194 2240 -2.1
Rear 2808 2763 1.6
Gross vehicle weight(kgf) 5002 5003 0.0
Fig. 5 Simulation and test for lateral slope driving
Fig. 6 Body roll vs. lateral slope
먼저 직진 주행 해석을 통해 전후방 축중 분포를 계산한 후 실차 중량 계측 결과와 비교하여 Table 3 에 나타내었다. 축중 및 차량 총 중량 측면에서 해석 과 시험의 차이가 2% 이하인 것으로 볼 때 유연체 동역학 모델의 차량 자세 및 하중 전달이 잘 구현된 것으로 판단된다.
다음으로 군 요구 성능 중 하나인 횡경사 등판 능 력을 파악하기 위해 Fig. 5에 보이는 바와 같이 횡경 사로 주행 해석 및 시험을 수행하였다. 해석 결과 Fig. 6에서와 같이 40% 이상 71% 수준까지 횡경사 등판 주행이 가능한 것으로 나타났으며, 시험에서 도 40% 횡경사 등판이 가능함을 알 수 있었다.
3.3 가상 시험 모델
내구해석용 동하중 이력을 추출하기 위해서는 검 증된 유연체 동역학 모델과 가상 시험기 템플릿을 조합한 가상 시험 모델의 구성이 필요하다. 소형전
Fig. 7 Dialog box of the Kia multi-post testrig
술 시제차량은 4륜 독립현가 차량이므로, 기존 개발 된 군용 대형트럭의 6륜에서 10륜까지 노면 하중 가 진이 가능한 가상 시험기를 Fig. 7에 나타낸 것과 같 이 4륜부터 10륜까지 변위와 하중 가진이 가능한 가 상 시험기로 업데이트하였다.
이와 같이 업데이트된 가상 시험기 템플릿과 유 연체 동역학 모델을 조합하여 Fig. 8에 나타낸 것과 같은 소형전술 시제차량의 가상 시험 모델을 구축 하였다.
Fig. 8 VTL model of prototype
서권희․유명광․임민택․정찬만
Fig. 9 Vertical acceleration history at cabin floor center
가상 시험 모델의 유효성 검토를 위해 3인치 간격 충격로 전달 하중 해석 및 주행 시험을 실시하였다.
여러 위치 중 캐빈 플로어 센터에서의 수직 가속도 이력을 비교해 본 결과, Fig. 9에서와 같이 해석 파형 이 시험 파형을 잘 추종하므로 내구 모드별 전달 하 중 해석에 유효한 모델임을 알 수 있다.
4. 전달 하중 해석 4.1 노면 하중 조건
본 연구 대상 차량인 소형전술 시제차량의 노면 하중 계측 시험은 Table 4와 같은 주행 모드를 기준 으로 국방과학연구소 기동시험장에서 수행되었다.
Table 4 Road load test modes
Roads Distance(km) Speed(KPH) Direction
Paved road 1.0 100 CCW
Unpaved road 1.8 35 CW
Cross-country 3.0 25 CCW
주행 모드별로 계측된 휠 4개소에서의 가속도 이 력은 신호 처리 과정을 통해 Fig. 8에 나타낸 바와 같 이 상하 변위 이력, 전후 및 좌우 하중 이력의 형태 로 산출한 후 전달 하중 해석의 입력 조건으로 사용 하였다.4)
4.2 하중 이력 산출
주행 모드별로 산출된 노면 하중 이력을 기초로 한 전달 하중 해석을 통해 각종 현가장치 마운팅에
서의 동하중들을 계산하였으며, 그 중 비포장로 모 드시 후륜 현가장치의 우측 코일 스프링 상부, 우측 상부암 마운팅 후방, 우측 하부암 마운팅 후방에 전 달된 동하중 이력들을 Fig. 10에 나타내었다.
5. 내구해석 5.1 내구해석 절차
소형전술 시제차량의 내구해석은 트림 차체와 현 가장치 부품을 대상으로 하며, Fig. 11과 같은 MSM 내구해석 기법을 적용하였다. MSM 기법은 먼저 대 상 모델에 작용하는 하중 이력의 주파수 특성을 분 석하고 작용 하중 범위에 대한 고유 진동 해석을 수 행하여 각 모드의 모달 응력(Modal stress)을 산출한 다. 그리고 모달 과도 응답(Modal transient response) 해석을 통해 산출된 모드별 모달 변위 이력(Modal participation factor)을 이용하여 모달 응력 분포와 동 시간대로 중첩하면 하나의 반응 응력 이력을 산출 할 수 있는데, 이 과정은 다음과 같은 식 (1)로 표현 가능하다.
(1)여기서 k는 정하중 조건 번호, 는 해석 모델에 가해진 단위 하중, 는 에 의한 응력, 는 대응 하중 이력을 나타낸다.
일단 어떤 요소의 응력 이력이 계산되면 사이클 카운팅(Cycle counting)을 통해 내구 수명을 구하고 응력 이력은 남기지 않는다.5,6)
한국형 소형전술 시제차량의 내구성능 평가
(a) Coil spring - upper mount
(b) Upper control arm - rear mount
(c) Lower control arm - rear mount Fig. 10 Dynamic load histories at right rear suspension mountings (unpaved road)
Kwonhee Suh․Myeongkwang Yu․Mintaek Lim․Chanman Jeong
Fig. 11 MSM durability analysis process
5.2 피로 물성 데이터
소형전술 시제차량의 모재부 내구해석에 적용된 금속 재질들 중 차체용 SPHC(인장강도 353MPa)와 현가 부품용 FB780(인장강도 799MPa)의 변형률-수 명 곡선은 각각 Figs. 12~13에 나타내었다.
또한, 소형전술 시제차량의 용접부 내구해석을 위한 용접 재질은 MSC/FATIGUE에서 지원되는 Seam_steel_flex와 Seam_steel_stiff를 적용하였으며, 응력-수명 곡선은 Fig. 14와 같다.
5.3 내구해석 결과 분석
소형전술 시제차량의 실차 내구도 평가는 포장로 9,600km(100KPH), 비포장로 9,600km(35KPH), 야지 로 12,800km(25KPH)를 포함한 총 32,000km 주행 시 험으로서, 내구 주행 완료 후 차량 구조물에 대한 구 조물 검사를 통해 균열이 없어야 내구 성능을 만족 하는 것으로 판정된다. 따라서, 실차 내구도 평가 모 드를 기초로 트림 차체 및 현가장치 부품(상부암, 하 부암, 기어드 허브)의 MSM 내구해석을 수행한 후, 각 부품별 최소 내구 수명 결과들을 정리하여 Table 5 에 나타내었다. 트림 차체와 현가 부품들의 내구 수 명은 최소 34,702km 이상으로 나타나 내구도 목표 거리를 초과하므로 목표 내구 성능을 만족하는 것 으로 판단할 수 있으며, 각 부품의 내구 취약부는 Figs. 15~19에 나타내었다.
Fig. 12 Strain-life curve of SPHC
Fig. 13 Strain-life curve of FB780
Fig. 14 Stress-life curve of welding zone
캐빈과 프레임의 내구 취약부는 Figs. 15~16에 나 타나 있듯이 생존성 확보를 위해 적용한 방탄 차체 (DOMEX 재질)와 방탄 유리의 고강성 영향으로 인 해 상대적으로 강성이 작은 비방탄 차체의 전방 구
Durability Analysis on the Prototype of a Korean Light Tactical Vehicle
조물 용접부와 각종 현가장치 마운팅 주변에 집중 되는 경향을 보였다. 이는 트림 차체의 모드 해석시
Table 5 Fatigue lives of trimmed body and suspension com- ponents
Components Life(km) Critical areas
Cabin Parent 40,733 Instrument panel member bracket to A-pillar Weld 34,702 Front floor & structure matching Frame Parent 39,788 Front lower control arm
mounting bracket Upper
control arm
Parent 3,091,190
As shown in Fig. 17 Weld 397,088
Lower control arm
Parent 76,878
As shown in Fig. 18 Weld 37,903
Geared
hub Parent 39,894 As shown in Fig. 19
(a) Parent
(b) Weld Fig. 15 Damage distributions of cabin
Fig. 16 Damage distributions of frame
주요 모드인 캐빈 및 프레임의 전방 굽힘과 비틀림, 그리고 전체 차량 비틀림 모드에서의 변형 에너지 가 다른 모드들의 것에 비해 상대적으로 크기 때문 인 것으로 판단된다.
상부암의 경우 상부 볼 조인트를 통과한 전달 하 중의 주 방향이 횡방향과 수직방향이어서 내구 취 약부는 Fig. 17과 같이 볼 조인트에서 마운팅 방향으 로 단면이 급격히 증가하는 위치로 나타났지만, 충 분한 내구 수명을 가질 것으로 판단된다. 하부암의 내구 취약부는 Fig. 18에 보이는 바와 같이 전후방 프레임 마운팅 판넬간 용접 연결부와 마운팅 부쉬 근방의 단면 축소부인데, 상부암에서와 마찬가지로 하부 볼 조인트를 통해 전달되는 하중의 주 방향이 횡방향과 수직 방향인 것에 기인한다. 마지막으로 기어드 허브의 내구 취약부는 Fig. 19에 보이듯이 상 부 볼 조인트 암과 허브 본체간 용접 연결부인데, 해
Fig. 17 Damage distributions of upper control arm (left:
parent, right: weld)
Fig. 18 Damage distributions of lower control arm (left:
parent, right: weld)
Fig. 19 Damage distributions of geared hub
서권희․유명광․임민택․정찬만
당 용접 연결부의 곡률 반경이 2mm 정도로 작아 수 직 방향 하중에 취약한 구조이므로 상부 볼 조인트 암 용접 연결부의 곡률 반경을 증대하는 설계 변경 을 진행하면 기어드 허브의 내구 성능이 더욱 향상 될 것으로 판단된다.
6. 결 론
한국형 소형전술 시제차량의 실차 내구도 평가에 앞서 내구 성능을 사전 평가하기 위해 트림 차체의 진동 특성을 고려한 MSM 내구해석을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 노면 하중 이력 계측, 다륜 차량용 가상 시험기 업 데이트, 가상 시험 모델 구성, 전달 하중 해석, 그 리고 동적 내구해석 수행을 통해 소형전술 시제 차량의 전산 내구 평가 프로세스를 구축하였다.
2) 소형전술 시제차량의 내구해석 결과, 캐빈과 프 레임의 내구 수명은 각각 34,702km와 39,788km 이고, 현가 부품 중 최소 내구 수명은 37,903km로 내구도 평가 목표 거리인 32,000km보다 높게 나 타나 본 시제차량이 내구 안전성을 충분히 갖고 있음을 알 수 있었다. 본 해석 결과는 향후 시제 차량의 가속 내구 시험 후 구조물 검사를 통해 검 증될 예정이다.
3) 본 연구를 통해 소형전술 시제차량에 대한 전산 내구 평가 프로세스를 구축하였으므로, 향후 방 위사업청에 납품할 기본형과 장축형 4차종에 대 해서도 동일한 프로세스를 적용하면 소형전술 차량 체계 개발사업의 기간 및 비용을 대폭 절감 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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