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자동차 내구강도 성능 개발

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-08-24 12:55:58

본문

차량 개발에서의 CAE 내구


기능상 고장이 없는 자동차를 의미하던 과거와 달리 차량내구성(Durability)은 외부 하중이나 환경인자에 견디는 성능 즉, 기능적 의미뿐 아니라 소음, 부식, 변색의 열화 내구성능을 포함하는 광의의 의미로 통칭되고 있다.


고객의 자동차 재 구매를 결정하는 매우 중요한 인자가 되는 내구성은 자동차 회사가 지속 성장하는데 있어 근간이 되는 성능이다. 이에 JD파워사에서는 내구성능을 차량의 상품성을 평가하는데 가장 우선하여 평가하고 그 결과를 IQS(Initial Quality Study) 및 VDS(Vehicle Dependability Study)로 발표하고 있다.


차량의 균열(Crack)발생 등 내구 문제는 발생 초기 차량주행에 미치는 영향이 미미하지만 차량의 지속 운행에 의해 균열이 전파 될 경우 차량에 심각한 기능상 오류의 원인으로 작용하게 된다. 이와 같은 이유로 내구성능은 승객의 안전과 직결되기 때문에 차량 개발 단계에서 중요 성능으로 관리된다. 하지만 내구성능을 확인하기 위해서는 오랜 시간 다양한 도로를 주행해야 하므로 상당한 시간과 비용을 필요로 하게 된다. 연구소 내 시험로는 차량이 실제 사용되는 조건에서 다양하게 겪게 되는 환경을 반영하여 구성되며, 차량개발시 차종별 사용 조건 및 주행속도를 포함하는 내구 개발 목표를 설정한 후 시험을 진행하고 있다. 하지만, 연구소 내 시험로를 이용한 시험 역시 적지 않은 시간이 소요된다.


이와 같은 이유로 CAE를 통해 시험 차량의 내구 성능 품질을 사전에 확보하고 해석을 활용하여 설계 완성도를 향상시키며 내구 시험의 횟수와 기간을 줄이려는 노력을 지속하고 있다.


CAE 부문에서는 차량 개발 과정 중 강성과 강도 개념을 포괄하는 구조적 강건성을 확보하는 방법으로 내구성능을 개발하며, 설계 방향을 제시하고 자동차 개발 기간 단축과 우수한 내구성능의 고품질 자동차를 개발하는데 핵심 역할을 수행하고 있다. 본 고에서는 차량 및 파워트레인 관점 내구성능을 위한 주요 CAE 활용 사례 및 향후 발전 방향에 대해 소개하고자 한다.


내구 성능 CAE 소개


● 강성(Rigidity)


강성이란 재료에 외부에서 변형을 가할 때 그 재료가 주어진 변형에 저항하는 정도를 수치화한 것이다. 즉 강성은 재료의 휨, 뒤틀림과 같은 변화량이 어느 정도인가를 표현할 때 주로 나타낸다. 대표적 강성 해석인 차체 강성은 차량의 내구, 충돌, NVH, R&H 등 주요 성능에 영향을 주는 차체의 기본 상품성 성능으로 다양한 조건의 정적 하중에 대한 차체의 탄성 변형 정도를 해석하게 된다. 추가로 차체 주행 강성해석을 통하여 코너링 주행시 차량의 주행 조건에서 바디의 R&H 성능 기여도를 분석하며 차체의 탄성 변형 정도를 검토한다. 차량 주행 시 휠 센터의 속도를 변화시켜가며 차체 변형 에너지를 측정하고 차체 변형 에너지의 시점과 추세를 분석하여 에너지 집중 부위를 보강하는 방법으로 차량의 강성을 개선한다.

 

또한 샤시시스템의 대표적인 강성 특성은 컴플라이언스 특성으로 차량의 R&H성능을 결정하는 중요 요소로써 SPMD(Suspension Parameter Measurement Device) 시험과의 해석 상관성을 확보함으로써 샤시 각 부품의 강성 영향도를 해석으로 분석하고 있다. 특히 서스펜션의 각 부품을 유연체 해석 모델로 이용하고 튜닝부품의 비선형 특성을 반영한 시스템 및 차량단위의 해석모델로 비선형 정적해석을 실시하여 강건한 컴플라이언스 특성을 갖는 차량 개발에 기여하고 있다.

 

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파워트레인 부문에서는 주로 커넥팅로드와 메인 베어링캡 등과 같이 베어링이 장착되는 부분과 연소실을 구성하는 실린더 보어 등의 강성 확인 해석을 실시한다. 베어링 장착 부위의 강성은 베어링 내구와 마모, 윤활 성능에 큰 영향을 미치므로 변형량 예측을 통해 오일 간극의 적합성을 평가하고 실린더 보어 변형은 배기 가스 유출, 오일 소모량 증가, 피스톤 마찰력 증대 등의 악영향을 끼칠 수 있으므로 강성 해석을 통해 변형량을 예측하고 이의 억제를 위한 설계 방안을 마련하게 된다. <그림 3>에 커넥팅로드의 소단부 강성 해석 결과의 한 예를 나타내었다.


● 강도(Strength)


재료에 하중이 작용하는 경우 재료가 파괴되기까지의 변형저항을 그 재료의 강도라고 한다. 강성과 간단히 비교하면 강성은 재료의 변화량 정도, 강도는 재료의 단단한 정도라고 할 수 있다.


차량이 급 제동 상황이나 충돌상황과 같은 의도하지 않은 다양한 상황에 닥쳤을 때 충격으로부터 승객을 보호할 수 있도록 정립되어 있는 안전 법규와 당사에서 추가로 수립되어 있는 안전 관련 개발 목표를 만족하는 강건한 구조를 갖는 설계가 이루어 지도록 CAE기술을 활용하고 있으며 CAE를 통해 개발 목표의 만족이 예상될 경우에 시험을 통해 최종 확인 후 고객에게 차량이 인도될 수 있게 하고 있다. 또한 차량 주행 중 다양한 노면 상황에서 예기치 않은 충격으로 발생할 수 있는 샤시 부품의 변형 및 파단은 조향력 상실로 인한 사고 발생의 원인이 될 수 있으므로 미연에 방지할 수 있도록 서스펜션 부품들의 강도를 CAE를 통해 조기 확보하고 있다.

 

다물체 시스템을 기반한 샤시시스템의 부품별 유연체(Flexible-body)모델을 구성하여 비선형 정적해석을 실시함으로써 시스템 단위의 샤시 거동을 재현하고 성능 취약부품를 판별함으로써 시험 차량 제작 이전에 강건한 설계가 되도록 관련 해석이 수행된다. <그림 4>에 유연체 모델을 이용한 샤시시스템 강도해석 결과를 나타내었다.


● 내구(Durability)


차량의 강성, 강도 성능에 기초하여 구조적으로 강건한 바디가 설계되면 CAE기술을 통하여 내구 성능을 최종 확인 할 수 있다. 단품 단위부터 실차 단위까지 CAE기술을 통하여 다양한 조건에서 검토가 이루어지고 있으며 양산 후 차량 내구 관련 문제가 발생하지 않도록 사전 예방하는 역할을 수행한다.


연구소 내 시험로는 목표 주행거리를 대변할 수 있도록 가혹도를 반영한 개발차량의 신호 계측이 이루어 지고 있으며, 계측된 신호는 노면 및 차량특성이 반영된 신호로써 차량 고유 특성이 된다. 이를 내구해석에서 활용하기 위해서는 개발차량의 제원을 반영한 차량동역학 해석 모델에 계측 신호를 가진하여 현가시스템을 통해 차체로 입력되는 전달하중을 산출함으로써 <그림 5>와 같은 볼트 체결 등 다양한 비선형 요소가 고려된 풀카(Full Car)수준의 트림바디(Trimmed Body) 해석 모델과 동적 특성을 갖는 스테빌라이저바, CTBA와 같은 샤시시스템 부품에 대한 손상을 분석하여 내구성능 개선방향을 제시한다. 도어(Door) 및 테일게이트(Tail Gate)와 같은 무빙류에 대해서는 사용자의 정상 사용조건 및 과도 사용조건에서 내구 성능 및 연관 부품과의 간섭에 의한 이음 발생, 생산 공정 중 발생할 수 있는 품질문제를 CAE기술을 활용하여 선 검증하고 있다. <그림 6>에 도어 개폐내구 해석 모델 및 테일게이트 이음 구조 해석 해석결과를 나타내었다.


과거에는 강판으로 제작된 부품의 모재 및 용접부의 크랙(Crack) 원인을 분석하는 방법으로 구조 개선안을 도출하였으나, 근래에는 부시 및 범프스토퍼와 같은 고무부품의 내구성 예측이 가능하며 Energy Release Rate와 Crack Growth의 관계로 정의되는 Thomas Model을 기반한 파괴역학적 접근 방법이 접목되어 진행되고 있다. 이런 함수모델들은 현재 상용소프트웨어 내 탑재되어 있으며 Script 자동화를 통해 재질 시편 데이터의 calibration 작업을 수행하여 부시류 내구수명 예측에 신뢰성을 향상 시킬 수 있다. <그림 7>에 부시류 해석 사례를 나타내었다.

 

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파워트레인에서의 엔진 피스톤, 실린더 헤드, 배기 매니폴드 등은 연소 가스에 노출되거나 연소 후, 고온의 배기 가스가 지나가는 통로로서 열적인 하중 뿐만 아니라 고온에서의 크립(Creep) 변형과 산화 작용 등의 영향을 복합적으로 받고 있어 내구성이 매우 취약하다. 이러한 환경하의 내구성을 해석적으로 평가하기 위해 열충격(Thermal Shock) 시험을 상사화한 열피로(Thermo-Mechanical Fatigue) 내구 해석을 수행한다.


열충격 내구 시험을 상사화하기 위해 열피로 수명 예측해석을 수행하고 있으며, 이를 위해 온도 의존성의 비선형재질 모델 적용과 비선형 열응력 해석을 실시하며, 계산된 응력과 소성 변형률 이력(Hysteresis) 곡선을 활용하여 구조물의 열피로 수명을 예측하고 있다. <그림 8>에 엔진 개발시배기 매니폴드의 파손 사례와 해석적 재현 사례를 나타내었다.


● 최적화(Optimization)


친 환경 고 연비 차량 개발을 위한 차량의 원가 및 중량저감화 노력 또한 차량 개발자가 소홀히 할 수 없는 요소로써 원가 및 중량을 절감하고 내구 성능을 극대화하여 최적의 구조를 제안하는 최적화 기술은 차량 개발 과정 중 CAE기술이 가장 활발하게 적용되고 있다. <그림 9>에 차량 개발단계별 최적화 프로세스를 나타내었다. 패키지단계 로드패스 최적화가 실시되고 품평단계에서는 용접점/접착제 위치 최적화 및 차체 단면 최적화가 이루어진다. 마지막 상세 설계 단계에서는 부품단위 최적화가 이루어지게 된다.

 

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최근에는 다분야통합 최적화(MDO : Multi-Disciplinary Optimization) 기술을 이용하여 내구성능 이외 설계 요구성능을 만족시키면서 부품 중량을 최소화시키는 최적화 기법이 적용 중에 있다. MDO기법의 장점은 각 성능별로 사용하는 해석모델과 상용소프트웨어의 변환 없이 그대로 사용할 수 있으며 성능별 반응표면법(Response Surface Method)함수나 직접 내재된 최적화 솔버를 사용하여, 선형 및 비선형 성능에 대한 최적 결과를 빠르게 도출 할 수 있어 최근 당사를 비롯한 선진 메이커를 중심으로 차량개발에 적극 활용되고 있다.


내구강도 분야 CAE 발전 방향


차량 및 파워트레인 개발시 내구 성능 개발에 활용되는 CAE의 사례를 소개하였다. 해석 기술과 컴퓨터의 발전으로더 크고 복잡한 해석이 가능해지고 있으며 CAE의 활용 및 신뢰성 향상을 위한 다양한 기술개발과 차량개발 과정에서의 해석 역할 증대에 대한 논의가 활발히 이루어지고 있다. 내구강도 분야 CAE의 발전방향은 크게 두 가지로 요약할 수 있다.

 

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첫째는 가상/통합 내구해석의 구현이다. 가상의 시험 노면에 차량과 파워트레인이 통합된 완성차 모델을 주행함으로써 시험차 제작 전 하중 계측 없이도 내구성능을 선행 예측 및 개선하는 것이다. 이를 통해 피로 파손으로 대표되는 전통적인 성능 외에도 이음과 같이 실제 주행 조건에서 발생할수 있는 다양한 상품성 관련 성능도 CAE를 통해 예측할 수 있다.

 

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둘째는 산포를 고려한 신뢰성 있는 성능을 예측하는 것이다. 설계/생산/조립 공정에서 발생할 수 있는 다양한 산포 요인에 의한 성능 변화뿐 아니라, 차량의 생애주기(Life Cycle)에서 열화에 의해 고객이 느끼는 감성적인 내구 품질 저하까지도 CAE를 통해 예측할 수 있는 관련 기술들이 활발히 연구되고 있다. 

 

 

글 / 노일주 (현대자동차)
출처 / 오토저널 15년 3월호 (
http://www.ksae.org)

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