해석배경
미세 충돌로 인해 범퍼가 손상되는 경우, 차량 디자인에 따라 범퍼 실 수리비용이 많게는 몇 백만원이 들기도 합니다. 따라서 효과적인 범퍼를 생산하고 보험비용을 줄이기 위하여 본 저속 충돌 테스트를 수행합니다.
관련이미지
아래 표에서 2타입의 차량의 수리비용을 살펴보면 K5의 경우 전후방 범퍼 수리비용이 약2 백만 원 (1800 $)인 반면 New SM5의 경우에는 같은 조건에서 360 만 원 (3200 달러)이 필요합니다. 자동차 보험료는 먼저 저속 충돌테스트 결과를 바탕으로 예상 수리비용을 산정하고 그 다음 추정 수리에 따라 최종 계약 보험료가 결정됩니다.
따라서 아래 보험 회사는 New SM5차량보유자에게 추가 보험료를 청구하는 것이 더 합리적이며 자동차 제조업체는 범퍼 손상정도와 수리 부위를 최소화하도록 범퍼를 최적 설계함으로써 경제적이고 경쟁력있는 차량을 더 많이 판매 할 수 있을 것입니다.
※ RCAR(Research Council for Automobile Repaires) – 차량 수리비 개선을 위한 보험사들의 국제 기구
차량등급별 범퍼 수리비용 테이블
※ Index : 2011년 1월 기준으로 동급 차량에서 가장 낮은 수리비용
해석목적
RCAR 기준에서 저속 충돌 시 손상성 및 수리비 부분에서 높은 평가 등급을 받는 차량 설계안을 찾기 위함
공통 해석조건
RCAR 테스트 과정
저속 충돌 테스트에서는 1) 차량이 견딜 수있는 외부 충격 수준을 나타내는 손상성과 2) 손상된 차량의 복구 가능성을 나타내는 수리성, 이 두가지를 측정합니다.
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• 전방 저속 충돌 테스트
- 각도 10˚의 전방 충돌
- 충돌 속도 : 15 ~ 16km/h
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• 후방 저속 충돌 테스트
- 10˚의 각도로 기울어 진 벽면의 후방 충돌
- 충돌 속도 : 15 ~ 16km/h, M
- 움직이는 벽 무게 : 1,400 kg
RCAR 충돌 테스트 조건
RCAR 설계 가이드
RCAR은 제공하는 범퍼 손상도를 낮추기 위한 설계 가이드를 제공합니다. 그 중 전면 충돌 테스트에서는 두 가지 설계 가이드가 있습니다. 첫 번째, 후면 범퍼에서 구성 부품 사이에 적절한 거리를 유지하는 것입니다. 예를 들어, 아래 이미지에서 냉각 시스템이 범퍼 임팩트 빔에 너무 가깝게 설계되면 충돌 발생 시, 더 큰 손상을 일으킬 수 있습니다. 두 번째, 적절한 충돌 에너지 흡수하는 크러쉬 캔을 설계함으로써 중요한 측면 부재의 손상을 최소화 하는 것입니다.
전면 충격 흡수 시스템
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• 범퍼 임팩트 빔 : 차량 후면의 구성부품을 보호하는 역할
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• 크러쉬 캔 : 임팩트 범퍼의 양 끝에 위치하며 충돌 에너지를 흡수하여 측면 부재의 손상을 최소화하기 위한 시스템
해석모델 및 해석조건
전면 범퍼
범퍼 시스템의 빠른 개발을 위하여 아래 이미지와 같이 간단하게 모델을 구성하였습니다. FE모델은 임팩트 범퍼, 크러쉬 캔, 사이드 멤버 및 전면 충돌를 위한 고정벽으로 구성되었으며, 비드에는 폭 14mm 및 깊이 3mm의 크러쉬 캔이 있습니다.
전면 범퍼 임팩트 빔 어셈블리의 FE 모델
단순화 된 모델이지만 전체 차량 중량을 고려해야 하므로 질량 중심점에 1,119kg을 적용하고 테스트 중 차량 속도는 15~16km/h으로 그리고 총 운동 에너지는 11.1kJ로 설정합니다. 여기서 임팩트 범퍼는800MPa 그리고 크러쉬캔은 240MPa의 항복응력을 가진 비선형 재료로 구성됩니다.
비선형 재료 속성표
후면 범퍼
전면 충격 흡수 시스템
이번에는 차량 후면 구조를 살펴보겠습니다. 위 단순화된 모델은 187,512 개의 노드와 185,351개의 요소를 포함하며 생략 된 부분에는 강성 요소가 사용되었습니다. 그리고 차량의 총 질량이 무게 중심에 적용되었습니다. 시스템의 구성요소에는 아래 4가지 비선형 재료 모델이 되었으며, 강도가 높은 부품의 경우 210Mpa에서 800Mpa로 응력이 증가합니다.
비선형 재료 속성표
해석결과
전면 범퍼
본 테스트는 NFX Structure에서 비선형동해석(외연적동해석)으로 수행되었습니다. 테스트는 크러쉬캔 두께 1.8mm와 2.0mm일 때, 두 가지 조건에서 진행되었으며 그 결과, 아래 좌측 이미지와 같이 저속 충돌시 크러쉬캔 두께 1.8mm일때에 2.0mm일때 보다 변형이 더 큼을 확인 할 수 있습니다.
전면 범퍼 및 크러쉬 캔의 변형 모드 @ 100msec
크러쉬캔의 변형모드 (수평단면) @ 100msec
범퍼 및 크러쉬 캔의 변형
아래 하중-변위 곡선그래프를 보면 크러쉬캔 두께가 두꺼울수록 총 변위가 감소하지만 하중은 증가하는 것을 볼 수 있습니다 (1.8t일 때의 변위가 2.0t일 때 보다 8mm 더 큼). 따라서 저속 충돌 시, 범퍼 최적설계를 위해서는 냉각 시스템과 범퍼 임팩트 빔 사이 간격이 가까울 때에는 크러쉬 캔의 두께를 증가시켜 전체 변위를 줄여야합니다. 혹은 측면 부재가 손상 될 수 있는 경우에는 크러쉬 캔의 두께를 감소시켜 측면 부재에 전달되는 충격 하중을 줄여야합니다. 참고로 충돌 시, 손실 된 에너지가 6.0kJ 인 경우 범퍼 임팩트 빔은 총 충돌 에너지 (11.1kJ)의 54 %를 흡수했습니다.
크러쉬 캔 두께별 하중-변위 곡선
후면 범퍼
아래 해석은 midas NFX 비선형 외연적동해석으로 수행되었습니다. 아래에서 측면 및 하부의 구저 변위 분포를 확인 할 수 있으며저면 도와 측면에서 변위 분포를 관찰 할 수 있습니다. 후면범퍼의 크러쉬 캔이 비드와 함께 점차적으로 붕괴됨을 볼 수 있습니다.
후면 구조 변위 분포
(좌) Side View - (우) Bottom View
Effective Plastic Strain 결과를 통해서 손상성 및 개선 필요부위 확인할 수 있습니다. 아래 두 이미지에서 적색 부분은 Effective Plastic strain기준을 초과하는 곳, 즉 손상이 발생하는 곳 입니다. 따라서 이 차량에서는 가장 먼저 후면 측면 멤버와와 로커 파를 개선해야 함을 알 수 있습니다.
후면 구조 응력 분포
(좌) Bottom View - (우) Rear View
