KR101454140B1 - 자동차 부재의 충돌 성능 평가 방법 및 이것에 사용되는 부재 충돌 시험기 - Google Patents

Abstract

이 자동차 부재의 성능 평가 방법은 차량 중 평가 대상인 부재와 상기 부재의 충돌 시험을 행하는 충돌 시험기를 조합한 모듈을 모델화한 부분 구조 CAE 모델을 사용하여 해석을 행하고, 상기 부분 구조 CAE 모델에 있어서 충돌 성능 평가 파라미터의 값을 구하는 연산 공정과, 상기 부분 구조 CAE 모델의 경계 조건을 결정하는 연산 공정과, 상기 부분 구조 CAE 모델의 상기 경계 조건을 기초로, 부재 충돌 시험기에 의한 시험 조건을 결정하는 연산 공정과, 상기 부재 충돌 시험기의 상기 경계 조건을 기초로, 상기 부재 충돌 시험기의 실물과 상기 부재의 실물을 사용하여 충돌 시험을 행하는 시험 공정을 구비한다.

Description

자동차 부재의 충돌 성능 평가 방법 및 이것에 사용되는 부재 충돌 시험기 {METHOD FOR EVALUATING COLLISION PERFORMANCE OF VEHICLE MEMBER, AND MEMBER COLLISION TEST DEVICE USED FOR SAME}

본 발명은 자동차의 개발 설계의 단계에 있어서 행해지는 자동차 부재의 충돌 성능 평가 방법 및 이것에 사용되는 부재 충돌 시험기에 관한 것이다.

본원은 2009년 8월 4일에, 일본에 출원된 일본 특허 출원 제2009-181208호에 기초하여 우선권을 주장하고, 그 내용을 여기에 원용한다.

자동차의 개발 설계의 단계에 있어서, 차체의 충돌 성능의 평가는 불가피하여, 자동차 메이커에서는 시작차를 제조한 후 충돌 시험을 실시하고, 목적으로 하는 충돌 성능이 확보되어 있는 것을 확인한 후 양산으로 이행하고 있다. 그러나 일부 부재의 강도가 부족한 경우에는, 그 부재의 강도를 높이는 대책을 실시하고, 시작차를 재제작하여 다시 충돌 시험을 실시해야만 하였다. 이와 같은 공정에서는 개발 비용이 늘어날 뿐만 아니라 많은 시간이 필요해져, 개발 공정에 큰 영향을 미친다.

이 문제를 해결하기 위해, 부재 단위의 충돌 성능 평가는 종래부터 행해지고 있다. 자동차의 충돌 성능에 크게 영향을 미치는 기본적인 부재는 과거의 지식에 의해 알려져 있고, 예를 들어 측면 충돌의 경우에는 센터 필러나 사이드 실이 가장 중요한 부재이다. 이들 부재를 단일 부재로, 실제의 차체에 조립된 상태(풀 비히클 상태)와 동일한 조건에서 성능 평가를 할 수 있으면, 시작차를 재제작하는 비용이나 기간을 절약할 수 있다.

그러나 이들 부재를 단일 부재로, 단순한 3점 굽힘 시험 등을 행하는 경우, 실제의 차체에 조립된 상태에서 충돌 시험을 행하는 경우에 비해, 부재의 지지 방법 및 주위의 부재로부터 받는 영향을 충분히 반영할 수 없으므로, 실차 채용의 판단을 하는 데에는 평가 정밀도가 낮다고 하는 문제가 있었다.

한편, 자동차 부재의 충돌 성능 평가를 컴퓨터상에서 행하는 방법도 널리 행해지고 있다. 예를 들어, 특허 문헌 1에는 충돌 시에 있어서의 센터 필러의 버클링 특성을, CAE(Computer Aided Engineering) 모델을 사용한 동적 양해법에 의해 행하는 방법이 개시되어 있다. 풀 비히클 상태에서의 CAE 모델에 의한 해석은, 성능 평가를 행하는 부재와 다른 부재의 상호 작용을 고정밀도로 평가할 수 있으므로, 충돌 성능을 평가하기 위한 유효한 방법이다. 그러나 풀 비히클 상태에서의 충돌 시뮬레이션은 매우 고부하로, 그 실행에는 큰 계산기 능력과, 수일 단위의 계산 시간을 필요로 하기 때문에, 충분한 횟수의 시행을 행하는 것이 곤란하다. 또한, 계산 시간을 확보할 수 있었다고 해도, CAE 모델에 의한 해석에서는, 부재를 제작하는 공정에서 발생하는 가공 경화, 용접 시의 열적 영향, 재료의 파단 현상을 정확하게 반영시킬 수 없다. 이로 인해, 실차 채용의 판단을 하는 데에는 풀 비히클에 있어서의 CAE 모델에 의한 해석이라도, 충분히 신뢰성을 확보할 수 없다고 하는 문제가 있었다.

상기한 사정에 의해, 다양한 기술이 개발되어 있지만, 여전히 자동차 부재의 충돌 성능 평가를 효율적으로, 또한 고정밀도로 실시하는 것은 아직까지 곤란하였다.

일본 특허 출원 공개 제2006-281964호 공보

상기한 종래의 문제점을 감안하여, 본 발명의 목적은 시작차에 의한 풀 비히클 상태에서의 충돌 시험과 동등한 신뢰성으로, 자동차 부재의 충돌 성능을 평가할 수 있는 자동차 부재의 충돌 성능 평가 방법 및 이것에 사용되는 부재 충돌 시험기를 제공하는 것이다.

상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 각 형태는 이하를 제공한다.

(1) 본 발명의 일 형태에 관한 자동차 부재 구조의 성능 평가 방법은 차량을 구성하는 부재 중, 평가 대상인 부재와 상기 부재의 충돌 시험을 행하는 충돌 시험기를 조합한 모듈을 모델화한 부분 구조 CAE 모델을 사용하여 해석을 행하고, 상기 부분 구조 CAE 모델에 있어서의 충돌 성능 평가 파라미터의 값을 구하는 연산 공정 A와, 상기 연산 공정 A에 있어서의 상기 충돌 성능 평가 파라미터의 값을 기억하는 기억 공정 B와, 상기 부분 구조 CAE 모델에 있어서의 상기 충돌 성능 평가 파라미터와 미리 취득한 풀 비히클 CAE 모델에 있어서의 상기 충돌 성능 평가 파라미터를 비교하여, 이 차이가 소정의 범위로 되도록 상기 부분 구조 CAE 모델의 경계 조건을 결정하는 연산 공정 C와, 상기 연산 공정 C에 있어서 구한 상기 부분 구조 CAE 모델의 상기 경계 조건을 기억하는 기억 공정 D와, 상기 기억 공정 D에 있어서 기억된 상기 부분 구조 CAE 모델의 상기 경계 조건을 기초로, 실물의 부재 충돌 시험기에 있어서의 설정 조건을 결정하는 연산 공정 E와, 상기 연산 공정 E에 의해 결정된 상기 부재 충돌 시험기의 상기 설정 조건을 기억하는 기억 공정 F와, 상기, 기억 공정 F에 의해 기억된 상기 설정 조건을 기초로, 상기 부재 충돌 시험기의 실물과 상기 부재의 실물을 사용하여 충돌 시험을 행하는 시험 공정 G를 구비한다.

(2) 상기 (1)의 성능 평가 방법에 있어서, 충돌 성능 평가를 행하는 부재를, 상기 풀 비히클 CAE 모델에 의한 해석 결과 또는 풀 비히클 충돌 시험 결과 중 적어도 어느 하나의 결과를 사용하여 선정해도 된다.

(3) 상기 (1) 또는 (2)의 성능 평가 방법은, 이하와 같이 실시되어도 된다. 상기 연산 공정 A에 있어서, 미리 기억 공정 D에 기억된 부분 구조 CAE 모델의 경계 조건을 사용하여, 상기 부재와는 다른 형상을 갖는 부재에 대해 상기 부분 구조 CAE 모델에 의해 상기 충돌 성능 평가 파라미터의 값을 구하고, 이 충돌 성능 평가 파라미터의 값이, 소정의 목표값을 만족하는 부재의 형상을 결정하고, 상기 결정한 형상을 갖는 실물의 부재에 대해, 기억 공정 F에 있어서 기억된 상기 시험 조건에 의해, 상기 부재 충돌 시험기의 실물에 의한 충돌 시험을 행한다.

(4) 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 성능 평가 방법은, 이하와 같이 실시되어도 된다. 상기 연산 공정 A에 의해 구해지는 상기 부분 구조 CAE 모델의 상기 성능 평가 파라미터가, 변형 모드, 변형량, 변형 속도, 변형 에너지 중 적어도 하나를 포함한다.

(5) 상기 (1) 내지 (4) 중 어느 하나의 성능 평가 방법은, 이하와 같이 실시되어도 된다. 상기 부재 충돌 시험기는 단수 또는 복수의 지지점에 있어서 부재를 지지하고, 상기 연산 공정 E에 의해 결정되는 상기 부재 충돌 시험기의 시험 조건이, 상기 부재의 각 지지점에 있어서의 회전 자유도, 병진 자유도, 변형 저항, 회전 변형 저항 중, 적어도 하나를 포함한다.

(6) 본 발명의 일 형태에 관한 충돌 시험기는, 자동차 부재의 충돌 성능의 평가에 사용된다. 이 충돌 시험기는, 조사 대상으로 되는 부재를 지지하는 단수 또는 복수의 지지점과, 상기 부재에 대해, 회전 자유도, 병진 자유도 중 적어도 하나를 부여하는 가동 지지부와, 상기 부재에 대해, 회전 변형 저항, 병진 변형 저항 중 적어도 하나를 부여하는 저항 부여부와, 상기 실물 부재를 압박하는, 하중 인가 장치를 구비한다.

(7) 상기 (6)의 충돌 시험기에 있어서, 상기 가동 지지부가 회전축을 포함하고, 상기 저항 부여부가 상기 회전축에 접속된 플라이 휠을 포함해도 된다.

(8) 상기 (7)의 충돌 시험기에 있어서, 상기 회전축이 원웨이 클러치를 가져도 된다.

(9) 상기 (1) 내지 (5) 중 어느 하나의 성능 평가 방법에 있어서, 상기 (6) 내지 (8) 중 어느 하나에 기재된 충돌 시험기를 사용해도 된다.

상기 (1)의 충돌 성능 평가 방법에 있어서는, 부분 구조 CAE 모델에 있어서의 상기 충돌 성능 평가 파라미터와, 풀 비히클 CAE 모델에 있어서의 상기 충돌 성능 평가 파라미터의 차이가 소정의 범위로 되도록 상기 부분 구조 CAE 모델의 경계 조건을 결정한다. 이 공정에 의해, 부분 구조 CAE 모델에 있어서도, 풀 비히클 CAE 모델과 마찬가지로, 충돌 시에 주위의 부재로부터 받는 영향을 정확하게 반영하는 것이 가능해지고, 계산 부하가 작은 부분 구조 CAE 모델에 의해 풀 비히클 CAE에 의한 해석 및 풀 비히클 상태에서의 실제의 충돌 시험과 대략 동일한 정밀도로, 효율적으로 부재의 충돌 성능을 평가할 수 있다. 상기 (6)의 충돌 시험기는, 지지점, 가동 지지부, 저항 부여부를 구비함으로써, 충돌 시에 부재가 받는 영향을 고정밀도로 재현할 수 있고, 또한 용이하게 시험 조건을 설정할 수 있다. 이 충돌 시험기는 상기 (1)의 충돌 성능 평가 방법에 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 관한 방법의 흐름을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 자동차의 골격 부재의 구조를 도시하는 사시도이다.
도 3은 상기 실시 형태에 관한 부재 충돌 시험기의 사시도이다.
도 4는 상기 부재 충돌 시험기의 측면도이다.
도 5는 부분 구조 모델 CAE 해석에 의한 경계 조건의 조정 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 부재 충돌 시험기의 지지부에 있어서의 경계 조건으로서 3종류의 다른 조건을 사용하여 부분 구조 충돌을 시뮬레이트한 결과이다.

이하에 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. 본 실시 형태는 자동차 부재의 성능을 평가하는 기술적 방법으로서 실시할 수 있고, 또한 본 실시 형태를 구성하는 각 공정에 있어서는, 컴퓨터 프로그램 및 시스템을 사용하여 실행하는 개발 시스템으로서도 실시할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태를 실시하는 각 공정을 나타내는 흐름도이다. 현행 차의 풀 비히클 충돌 시험 결과나, 개발 설계 중인 자동차의 풀 비히클 CAE 해석 결과 등의 풀 비히클 정보는, 기존의 정보 등을 취득하여 데이터 베이스에 보존해 둔다. 정보 취득 공정에서는, 이들 풀 비히클 정보를 시스템이 데이터 베이스로부터 취득한다. 데이터 베이스는 필수가 아니고, 기술자가 적절하게 필요한 풀 비히클 정보를 시스템에 입력할 수도 있다. 풀 비히클 정보에는, 자동차의 복수의 골격 부품에 대해, 충돌 시험에 있어서의 변형 정보(충돌 성능 평가 파라미터)의 정보가 포함된다. 이들 풀 비히클 정보에 기초하여, 자동차의 골격을 구성하는 부재(단수 또는 복수의 부재의 집합체) 중에서 충돌 성능에 크게 영향을 미치는 부재(중요 부재)를 선택한다.

선택된 부재는, 본 실시 형태의 방법에 따라서 해석 및 충돌 성능 평가의 대상으로 된다. 경험칙이나 외부 정보에 기초하여 기술자가 임의의 부재를 선택해도 되고, 시스템이 자동적으로 부재를 선택해도 된다. 예를 들어, 자동차에 포함되는 복수의 골격 부재에 대해, 풀 비히클 CAE 모델에 의한 해석 결과 또는 풀 비히클 충돌 시험 결과 중 적어도 어느 하나의 결과를 사용하여, 충돌 시험 시의 자동차 전체의 변형에 대한 각각의 골격 부재의 기여도를 산출하고, 가장 기여도가 높은 부재를 선출할(부재 선택 공정) 수 있다. 예를 들어, 측면 충돌에 대해서는, 도 2에 도시하는 센터 필러(1)나 사이드 실(2)이 차체에 미치는 영향이 큰 것이 알려져 있고, 이와 같은 지식에 기초하여 부재를 선택할 수 있다. 본 실시 형태에서는 평가를 행하는 부재의 일례로서 센터 필러(1)와 사이드 실(2)의 복합체를 예로 들어 설명한다.

또한, 이 명세서에 있어서 부재라 함은, 가공 단위상 또는 재질상, 단일 부품이어도 되고, 상기한 예와 같이 복수의 부재가 용접ㆍ접착ㆍ볼트 체결 등의 방법으로 조합된 복합체이어도 된다. 또한, 이후의 기재에 있어서, 상기 부재가 차량에 조립된 상태(풀 비히클 상태)의 충돌 시험을 풀 비히클 충돌 시험이라 한다. 또한, 풀 비히클 충돌 시험의 CAE 시뮬레이션을, 이하의 기재에서는 풀 비히클 충돌 시뮬레이션이라 한다. 이에 대해, 상기 부재만을 충돌 시험기(부재 충돌 시험기)에 조립하여 행하는 충돌 시험을, 이하의 기재에서는 부재 충돌 시험이라 한다. 또한, 이 부재 충돌 시험의 CAE 시뮬레이션을 부분 구조 충돌 시뮬레이션이라 한다.

충돌 성능 평가를 행하는 부재를 선정한 후, 부재와 부재[예를 들어, 센터 필러(1)와 사이드 실(2)의 복합체]의 충돌 시험을 행하기 위한 부재 충돌 시험기를 조합한 모듈을 CAE 상에서 설계한다(부분 구조 CAE 모델 작성 공정). 이후에서는 본 실시 형태 방법에 따라서 기술자가 부분 구조 CAE 모델을 작성하는 수순을 설명한다. 또한, 부분 구조 CAE 모델의 작성은 미리 입력한 정보와 목표 파라미터에 기초하여 컴퓨터 시스템이 자동적으로 실시할 수도 있다.

부분 구조 CAE 모델은, 부재와, 이것을 지지하는 부재 충돌 시험기의 복합체를 유한 요소법에 의해 모델화한 것으로, 부재 충돌 시험기에 의한 부재의 충돌 상태를 시뮬레이트할 수 있다. 부분 구조 CAE 모델에 있어서 사용하는 부재의 정보로서, 이 단계에서는, 상술한 데이터 베이스에 축적된 기존의 풀 비히클 정보에 포함되는 형상 및 물성상의 데이터를 사용한다.

부분 구조 CAE 모델에서는 실제로 부재의 충돌 시험을 행하는 부재 충돌 시험기의 구조를 자유롭게 작성할 수 있다. 통상은 후술하는 기본 프레임을 사용하고, 이것에 교체 가능한 각종 부품을 설치함으로써 다양한 형상의 부재에 대응한, 부재 충돌 시험기를 작성할 수 있다. 특수한 부재에 대해 충돌 시험을 행하는 경우, 기본 프레임 자체를 재제작해도 된다.

도 3 및 도 4는 본 실시 형태에 관한 부재 충돌 시험기의 설명도이다. 부재 충돌 시험기에는 기본적인 구조로서, 부재를 지지하는 지지 지그(10)와, 부재에 가중을 부여하는 하중 인가 장치(30)가 포함된다. 도 3, 도 4의 지지 지그(10) 및 하중 인가 장치(30)의 구체적 구조는, 본 실시 형태의 일 실시예이며, 센터 필러(1)와 사이드 실(2)의 부재 충돌 시험에 특히 적합한 형상으로 설계되어 있다. 본 발명의 부재 충돌 시험기 및 방법, 프로그램은 센터 필러와 사이드 실의 충돌 성능 평가로 한정되는 것이 아니고, 다른 종류의 부재에도 적응 가능하다.

지지 지그(10)는 기본 프레임[수평 베이스(11), 수직 베이스(12) 및 경사 빔(13)]과, 그 기본 프레임에 설치되는 복수의 지지점(16, 24)을 구비한다. 지지 지그(10)는 각 지지점을 통하여 부재를 가동적으로 지지한다. 각 지지점에 있어서의 지지의 형태는, 부분 충돌 시뮬레이션에 있어서 부재에 부여하는 경계 조건의 일부로 된다. 각 지지점의 지지 형태는 이하에 설명한 바와 같이, 회전 자유도와, 병진 자유도와, 그들에 대응하는 회전 변형 저항과, 병진 변형 저항을 조합하여 결정된다. 각 지지점은, 단수 또는 복수의 가동 지지부와 저항 부여부를 통해 기본 프레임에 설치된다. 이 결과, 각 지지점은 특정한 변형 자유도와 변형 저항을 갖고 부재를 지지한다. 가동 지지부로서 사용되는 구체적인 부품으로서는, 예를 들어 실린더(25), 스윙 아암(21), 슬라이더, 회전축(20) 등을 예시할 수 있다. 저항 부여부로서 사용되는 구체적인 부품으로서는, 관성 저항을 갖는 웨이트나 플라이 휠(회전 변형 저항), 점성 저항을 갖는 유압 실린더나 에어 실린더, 스프링 저항을 갖는 금속 스프링, 마찰 저항을 갖는 브레이크, 소성 변형 저항(굽힘 변형 저항)을 갖는 저항체 등을 예시할 수 있다. 이 외에, 상기 가동 지지부 자체의 중량이나 모멘트를 조정함으로써 관성 저항을 부여할 수도 있다. 가동 지지부 및 저항 부여부로 되는 각 부품의 저항 특성(점성 저항, 스프링 저항, 마찰 저항, 소성 변형 저항)은, 부품의 스펙 또는 실제의 측정값을 통하여 취득하고, CAE 시뮬레이션 상에서 재현한다. 각 저항 부여부의 저항값은 실제 기계 재현성을 만족하는 범위에서 변동 가능하다. 이 변동 범위 내에서 CAE 모델 상에서 이 저항값을 적절한 값 또는 범위로 설정하고, 부분 충돌 CAE 모델 상의 부재의 변형 특성과, 풀 비히클 상태의 부재의 변형 특성을 정합시킨다.

지지 지그의 구조를 결정할 때에, 평가를 행하는 부재와 다른 부재의 접속 형태 및 충돌 형태 등을 고려하여, 필요한 지지 지그의 지지점 수와 각 지지점의 위치를 설정하고, 그 지지점에 있어서 사용해야 하는 가동 지지부 및 저항 부여부의 조합을 설정한다. 이들의 설정 시에는, 지지 지그와 하중 인가 장치 전체가 실제로 작성 가능하고, 충격 시험의 가중에 견디고, 시험 시에 충분한 안전성을 갖도록 부품을 조합한다. 이와 같이, 전체 지지점에 대해 가동 지지부, 저항 부여부를 설정한다. 또한, 부재가 받는 충돌의 충격을 모의하도록, 하중 인가 장치(30)의 중량, 충돌 초속(初速), 충돌 부위의 형상, 충돌 방향 등을 가설계한다. 그리고 부재를 조합한 지지 지그, 이에 지지되는 부재 및 하중 인가 장치의 3자를 포함하는 복합체(모듈)를 CAE에서 모델화한다. 이 단계에서, 부분 구조 CAE 모델의 초기 형상이 작성된다. 이때, 각 지지점이 부재에 부여하는 경계 조건이 임시로 결정된다.

하중 인가 장치로서는, 고출력의 유압 실린더에 의해 사출되는 타격 대차(임팩터)나, 중력 낙하에 의해 속도와 에너지를 얻는 장치를 사용할 수 있다. 도 3에 예시하는 하중 인가 장치(30)는 유압 실린더식의 타격 대차이다.

다음에, 작성된 부분 구조 CAE 모델을 사용하여 부재 충돌 시뮬레이션을 행한다. 이 부재 충돌 시뮬레이션에서는, CAE 모델 중의 하중 인가 장치(30)를 동작시켜, 부재에 충돌시킨다. 본 시뮬레이션에 의해, 부재의 변형 특성을 후술하는 평가 지표(충돌 성능 평가 파라미터)에 기초하여 정량적으로 행할 수 있고, 풀 비히클 충돌 시뮬레이션에 있어서의 평가 지표의 값과 비교된다. 이 비교 결과에 따라, 부재 시뮬레이션과 풀 비히클 시뮬레이션 사이의 대응하는 평가 지표값의 차이가 가능한 한 작아지도록, 부재 충돌 시험기의 구성을 더욱 조정한다. 조정 수단으로서, 가동 지지부 및 저항 부여부의 추가ㆍ삭제, 치환과, 각 저항 부여부가 부여하는 저항값의 재조정 등을 행한다.

부분 구조 CAE 모델에 의한 시뮬레이션에 있어서, 부재 충돌 시험기에 의한 부재의 변형 특성을 구하고, 이것이 풀 비히클 CAE 모델에 의한 시뮬레이션 결과에 대해, 소정의 조건을 만족하도록, 부분 구조 CAE 모델에 있어서의 부재 충돌 시험기의 경계 조건을 결정한다. 이 변형 특성의 일치의 정도를 정량적으로 평가하기 위해, 부재의 변형 특성을 대표하는 평가 지표(충돌 성능 평가 파라미터)를 1개 또는 복수 선정하고, 시뮬레이션을 행할 때마다 이들 평가 지표의 값을 산출한다(연산 공정 A). 산출된 평가 지표의 값은 시스템에 기억된다(기억 공정 B).

변형 특성의 평가 지표로서는, 예를 들어 변형 모드의 분포(주로 부품의 소성에 관계됨), 변형량(주로 부품의 강도와 충격의 크기에 관계됨), 특정 위치에서의 단면력, 변형 속도(주로 부품의 강도와 충격의 크기에 관계됨), 변형 에너지(주로 충격의 강도와 소성 변형에 관계됨) 등으로부터 적절하게 선택한 1개 또는 복수의 지표를 사용할 수 있다. 이들 지표값이, 풀 비히클 충돌 시뮬레이션과 부재 충돌 시뮬레이션에서 가능한 한 고정밀도로 일치하도록, 부재 충돌 시험기의 CAE 상의 조정과 부재 충돌 시뮬레이션을 반복한다(연산 공정 C).

또한, 풀 비히클 충돌 시험에 있어서의 부재의 변형 모드, 변형량, 변형 속도, 변형 에너지 등은, 시스템이 취득한 풀 비히클 정보를 해석하여 취득할 수 있다. 풀 비히클 충돌 시뮬레이션과 부재 충돌 시뮬레이션의 결과를 비교하여, 변형 특성의 전체 지표의 값이 일정의 허용 가능한 편차 내에서 일치하였을 때에, 부분 구조 CAE 모델의 조정이 완료된다. 미리 설정된 지표가 일치할 때까지 시스템이 자동적으로 시뮬레이션을 반복하여, 각 루프에서 다른 부품 구성의 조합이나 저항값을 시행(試行)하는 형태로 조정을 행해도 되고, 시스템의 보조 하에 기술자가 모델의 변경을 수동으로 행해도 된다.

상기한 과정을 거쳐, 부분 충돌 CAE 모델 상에서의 충돌 시험기에 의한 부재의 변형 특성이 풀 비히클 CAE 모델 상에서의 충돌 시험의 변형 특성과 일치하도록, 부분 구조 CAE 모델의 경계 조건을 결정할 수 있고, 이 경계 조건은 시스템에 기억된다(기억 공정 D).

시스템에 기억된 경계 조건은, 이후에 행하는 실제 기계의 충돌 시험에 있어서, 부재 충돌 시험기의 시험 조건으로서 사용된다.

다음의 부재 형상의 최적화 공정은, 필요한 경우만 실시된다. 기억 공정 D에서 기억된 부분 구조 CAE 모델을 사용하여, 부재 형상의 개량ㆍ최적화를 행한다. 이 최적화 시에는, 충돌 시의 변형 특성뿐만 아니라, 경량화의 관점이나 비용 절감의 관점으로부터도 부재를 개량할 수 있다. 구체적으로는, 부분 구조 CAE 모델 상에서, 부재 충돌 시험기의 설정을 고정시킨 상태에서, 부재의 형상을 변화시킨다. 형상을 변화시킨 부재에 대해, CAE 부품 충돌 시뮬레이션을 행하여, 충돌 성능 평가 파라미터를 구하고, 당해 충돌 성능 평가 파라미터의 값이, 소정의 목표값을 만족하도록 부재의 형상을 결정한다. 이와 같이 하여 결정된 부재의 형상은, 실차 탑재 가능한 것이 모델 상에서 담보되는 동시에, 중량면, 비용면에서도 최적화된 것으로 된다.

다음에, 실제 기계에서의 부재 충돌 시험 공정에 대해 설명한다. 이 공정에서는, 상기한 바와 같이 결정된 부분 구조 CAE 모델에 있어서의 부재 충돌 시험기와 동일한 성능을 가지는 부재 충돌 시험기를 사용하여, 부재의 충돌 시험을 행한다. 부재 충돌 시험기는, 부재를 지지하는 복수의 지지점과, 부재에 대해, 회전 자유도, 병진 자유도 중 적어도 하나를 부여하는 가동 지지부와, 실물 부재에 대해, 회전 변형 저항, 병진 변형 저항 중 적어도 하나를 부여하는 저항 부여부와, 실물 부재를 압박하는, 하중 인가 장치를 구비한다. 부재 충돌 시험기의 설정으로서, 부분 구조 CAE 모델에 의해 결정된 지지점을, 가동 지지부와 저항 부여부를 통해 실제 기계의 기본 프레임에 설치한다. 브레이크 압력 등 저항 부여부의 저항값이 가변의 구조인 경우에는, 이 가변 저항값도 부분 구조 CAE 모델에 의한 해석 결과에 기초하여 설정한다. 동시에, 하중 인가 장치(30)의 구성ㆍ설정도, 부분 구조 CAE 모델에 의한 해석 결과에 기초하여 설정한다. 구체적으로는, 예를 들어 타격 대차의 부재에 대한 위치와 사출 방위를, 부분 구조 CAE 모델에 의한 상태와 일치하도록 조정한다. 또한, 타격 대차의 사출용인 유압 실린더의 압력을 적절하게 설정함으로써, CAE 모델 상의 시뮬레이션과 동일한 임팩터의 초속이 재현되도록 한다.

충돌 시험기 실제 기계의 설정에 있어서는, 부재 충돌 시험기 실제 기계의 각 지지점이 부재를 지지할 때에, 부재가 받는 회전 저항ㆍ병진 저항 등의 지지 형태를 부분 구조 CAE 모델 상에서 결정되어 있는 조건과 일치시키는 것이 필요하다. 기억 공정 D에 있어서 기억된 부분 구조 CAE 모델에 있어서의 경계 조건을 기초로, 부재 충돌 시험기의 시험 조건을 결정한다(연산 공정 E). 부분 충돌 CAE 모델 상의 부재 충돌 시험기와 실제 기계에서의 부재 충돌 시험기는 기본적으로 동일한 사양이므로, 부분 충돌 CAE 모델에 있어서 결정된 경계 조건은, 실제 기계에서의 부재 충돌 시험기에 있어서의 시험 조건으로서 그대로 사용할 수 있지만, 시험 장치의 구성상, 경계 조건을 그대로 시험 조건으로 한 경우, 부분 구조 CAE 모델에 있어서 확인된 부재 시험기의 능력을 발휘할 수 없는 경우도 있다. 그때는, 목표로 하는 충돌 시험기의 능력으로 되도록, 부재 충돌 시험기의 시험 조건을 조정해도 된다. 이 연산 공정 E에 의해 결정되는 부재 충돌 시험기의 시험 조건은, 부재의 각 지지점에 있어서의 회전 자유도, 병진 자유도, 변형 저항, 회전 변형 저항 중, 적어도 하나를 포함한다. 결정된 시험 조건은 시스템에 기억된다(기억 공정 F).

이상과 같이 하여 지지점의 조건이 조정(맞추어진)된 부재 충돌 시험기에 부재를 지지시키고, 실제로 부재의 충돌 시험을 행한다. 부분 구조 CAE 모델에 의한 해석 결과로부터 구한 부재 충돌 시험기의 시험 조건은, 기억 공정 F에 있어서 기억되어 있고, 이 정보를 기초로 부재 충돌 시험기에 의해 부재의 충돌 시험을 행한다(시험 공정 G). 이에 의해, 부재의 충돌 성능을 시작차에 의한 풀 비히클 상태에서의 충돌 시험과 동등한 신뢰성으로 평가할 수 있다.

이와 같이 본 발명에 따르면, 시작차에 의한 풀 비히클 상태에서의 충돌 시험과 동등하게, 자동차 부품의 충돌 성능을 신뢰성 높게 평가할 수 있으므로, 비약적으로 다수의 충돌 시험을 저렴하게 행할 수 있다. 이 결과, 최종 단계에 있어서의 예기하지 않은 개발 비용이나 개발 공정의 증가를 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 각 실시 형태에 관한 자동차 부품의 충돌 성능 평가 방법의 기능을 실현하기 위한 컴퓨터 프로그램을 작성해도 된다. 이 프로그램은 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되어도 된다. 상기 프로그램을 컴퓨터 시스템에서 실행함으로써, 각 기능을 실시해도 된다.

또한, 상기 컴퓨터 시스템은 오퍼레이션 시스템이나, 실행에 필요한 하드웨어를 포함한다. 또한, 상기 기록 매체는 자기 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크, CD-ROM 등을 포함한다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시 형태에 관한 방법의 일 실시예를 나타낸다. 본 실시예에서는, 측면 충돌에 있어서의 센터 필러(1) 및 사이드 실(2)의 변형을 해석하였다. 이 해석에 적합한 부분 구조 CAE 모델의 작성과 조정, 부재 충돌 시험의 시뮬레이션 및 실제 기계에서의 부재 충돌 시험기를 행하였다.

풀 비히클 정보로서는 기존의 풀 비히클 CAE 시뮬레이션의 결과를 취득하여, 충돌 시의 센터 필러(1) 및 사이드 실(2)의 변형 특성을 해석하였다. 경계 조건의 결정에 사용하는 센터 필러(1)의 변형 특성의 지표로서는, 센터 필러의 충격 방향을 따른 최대 변이량(L)과, 변형 후의 센터 필러 전체의 프로파일을 사용하였다. 풀 비히클 충돌 시험의 전후의 센터 필러의 프로파일을 도 5에 나타낸다. 이 프로파일을 해석한 결과, 풀 비히클 CAE 시뮬레이션 전후의 센터 필러의 최대 변이량(L)은 234㎜이었다.

상기 평가 지표를 사용하여, 부분 구조 CAE 모델 상에서 부재 충돌 시험기의 설계를 실시하였다. 지지 지그(10)의 기본 프레임은 수평 베이스(11)와 그 후방부에 형성된 수직 베이스(12)를 구비하고, 양자 사이에는 충돌 시험의 하중에 견딜 수 있도록, 경사 빔(13)이 배치되어 있다. 센터 필러(1)와 사이드 실(2)의 복합체를 지지하는 지지점을 센터 필러(1)의 상부에 1개소, 하부의 사이드 실(2)의 좌우에 2개소의 합계 3개소로 하고, 각 지지점에는 가동 지지부로서 회전 베어링(14), 회전 변형 저항을 모의하는 저항 부여부로서 플라이 휠(17) 등을 CAE 모델 상에서 각각 배치하였다.

여기서, 예를 들어 관성 모멘트가 큰 플라이 휠(17)을 사용하면 충돌 시험 시에 있어서의 하부의 지지점(16)의 회전 변형 저항은 커지고, 관성 모멘트가 작은 플라이 휠(17)을 사용하면 하부의 지지점(16)의 회전 변형 저항은 작아진다. 풀 비히클 충돌 시의 선택 부품의 변형을 가장 잘 모의하도록, 플라이 휠(17)의 관성 모멘트를 조정하였다. 또한, 이 실시예에서는 이와 같이 지지점(16)의 회전 변형 저항을 모의하는 수단으로서 플라이 휠(17)만을 사용하는 것이 최적이라고 판단하였지만, 경우에 따라서는 보조적으로 브레이크를 배치하거나, 소정량 이상의 변형을 저지하는 스토퍼를 조합함으로써, 보다 적절한 경계 조건이 얻어지는 경우도 있다.

부분 구조 CAE 상에서, 이하의 가동 지지부를 더 설계하였다. 풀 비히클 충돌 후에 있어서의 센터 필러(1)의 상하 방향의 변이량을 감안하여, 수직 베이스(12)의 상단부에는 도 4에 도시하는 축(20)을 중심으로 하여 요동 가능한 스윙 아암(21)(가동 지지부)을 배치하였다. 스윙 아암(21)의 전단부에는 하부와 마찬가지로 회전 변형 저항을 모의하기 위한 플라이 휠(22)(저항 부여부)을 구비한 회전축(23)을 배치하였다. 이 회전축(23)의 중앙부에 센터 필러(1)의 상단부를 고정시켰다. 회전축(23)과 플라이 휠(22)이 상부의 지지점(24)을 구성한다. 또한, 스윙 아암(21)에 수평 베이스(11)로부터 경사 상방으로 연장되는 실린더(25)를 CAE 모델 상에서 배치하였다. 이 구조는 풀 비히클 충돌 시험 시에 있어서 센터 필러가 버클링될 때에 차체로부터 받는 굽힘 변경 저항 등을 모의한다. 풀 비히클 상태에서는, 센터 필러(1)의 상단부는 하부의 사이드 실(2)과 비교하여 변형되기 쉬운 천장 구조에 지지되게 되므로, 지지 지그의 디자인상, 상기한 스윙 아암(21)과 회전축(23)의 조합을 채용하였다. 이 디자인에서는, 하부의 지지점(16)에 대해서는 회전 자유도와 그 회전 변형 저항, 상부의 지지점(24)에 대해서는, 회전 자유도와 그 회전 변형 저항, 병진 자유도와 그 변형 저항을 조절할 수 있다. 또한, 부분 구조 CAE 모델 상의 하중 인가 장치(30)는 지지 지그에 지지된 센터 필러(1)에 대해 측면 충돌과 동일한 하중을 가하는 위치와 각도에 배치하였다.

부분 구조 CAE 모델의 충돌 시뮬레이션에서는, 임팩터의 질량을 350㎏, 사출 속도는 20㎞／h로 하였다. 각 지지점의 플라이 휠의 중량을 조정하면서, 시뮬레이션을 반복하여 행하였다.

부분 충돌 시뮬레이션의 전반에서는, 플라이 휠(17, 22)은 일정 방향으로 회전하였지만, 충돌 현상이 종료하는 시간을 지나도 축적된 회전 에너지에 의해 사이드 실을 더욱 비틀어, 전체의 변형을 증가시켰다. 이 결과, 풀 비히클 CAE 결과와의 괴리가 커졌다. 따라서 플라이 휠로부터 회전축에 대해 특정 방향으로만 회전 저항이 전달되도록 CAE 모델을 조정하였다. 실제 기계에서는, 회전축과 플라이 휠 사이에 원웨이 클러치를 설치함으로써, 이 모델과 동등한 시험 조건을 실현할 수 있다.

본 실시 형태의 방법에 의해 조정이 완료된 부분 구조 CAE 모델에 의한 부분 구조 충돌 시뮬레이션의 결과를 도 5에 나타낸다.

플라이 휠의 모멘트 등, 지지 지그의 각 부 구성을 조정한 결과, 도 5에 나타낸 바와 같이, 시뮬레이션 후의 센터 필러의 최대 변이량(L)이 226㎜로 되어 목표 편차의 범위 내로 되었다. 또한, 센터 필러 전체의 프로파일도 풀 비히클 상태와 고정밀도로 일치하는 형상으로 되어, 이 단계에서 CAE 모델의 조정을 완료하였다.

도 6은 부재 충돌 시험기의 지지부의 경계 조건 조정의 유무가, 센터 필러의 충돌 시의 변위에 영향을 미치는 모습을 단적으로 나타내는 부분 구조 CAE 시뮬레이션의 결과이다. 이 시험에서는, 상기 조정이 완료된 부분 구조 CAE 모델에 대해, 각 플라이 휠의 회전 모멘트만을 가변 파라미터로 하고, 이 파라미터에 3종의 값을 부여하여 충돌 시뮬레이션을 행하였다. 상술한 바와 같이 지지 지그는 3점의 지지점을 갖고, 각각 플라이 휠을 통해 센터 필러를 지지하고 있다. 이들 플라이 휠의 회전 모멘트가 가변 파라미터이다. 도면 중 화살표는 가중 부여의 위치와 방향을 나타낸다.

(조건 1 : 회전 고정) 이 조건에서는, 3점의 지지점에 있어서 플라이 휠이 전혀 회전하지 않도록 고정된 상태로 된다.

(조건 2 : 플라이 휠이 구비됨) 이 조건에서는, 3점의 지지점에 있어서 각각의 플라이 휠이 조정에 의해 결정된 회전 모멘트를 갖고, 도 6의 지면(紙面)에 평행한 면 내에서의 회전이 허용되어 있다. 각 플라이 휠의 모멘트량은, 풀 비히클 충돌의 상태를 가장 잘 근사하도록 설정되어 있다. 이 조건 2는 도 5에 있어서의 경계 조건의 결정 후의 부분 구조 CAE 모델과 동일 조건이다.

(조건 3 : 회전 자유) 이 조건에서는, 각 플라이 휠의 수용 축 주위의 회전 모멘트가 0이다. 센터 필러는 3점의 지지점에 있어서 지그에 대해 자유롭게 회전할 수 있다.

도 6에는 센터 필러의 충돌 전의 형상과, 상기 3조건에서의 부분 구조 CAE 해석에 의해 얻어진 센터 필러의 충돌 후의 형상이 나타난다. 센터 필러의 형상이나 충돌에 의해 인가되는 충격은, 도 5의 시뮬레이션과 동일한 것이다. 도 5에 나타나는 풀 비히클 CAE 해석의 결과와 가장 잘 일치하는 것은, 명백하게 조건 2(플라이 휠이 구비됨)에서의 결과이다.

한편, 조건 1(회전 고정)에서는 풀 비히클 CAE 해석 결과와 비교하여, 충돌 후의 변위가 차폭 방향으로 최대 32％ 정도 낮게 산출되어 있다. 이 결과는, 지지부에서의 회전을 완전하게 규제한 지그를 사용한 실험을 행하면, 변위량이 극단적으로 낮게 어림잡아지는 것을 나타내고 있다.

또한, 조건 3(자유 회전)에서는 풀 비히클 CAE 해석 결과와 비교하여, 충돌 후의 변위가 차폭 방향으로 최대 51％ 정도 과잉으로 산출되어 있다. 이 조건 3은 차체가 센터 필러에 부여하는 회전 저항을 무시한 실험을 모의하고 있다. 예를 들어, 통상의 3점 굽힘 시험에서는, 각 지지부에 있어서 피검체 부품의 회전이 규제되지 않으므로, 이 조건 3에 가까운 결과로 되는 것이 예측된다.

상기한 결과로부터, 센터 필러가 차체로부터 받는 회전 저항이, 충돌 후의 센터 필러 변위에 중요한 영향을 미치는 것이 명백하다. 본 실시 형태의 지지 지그를 사용한 시험에서는, 플라이 휠을 사용하여 적절한 회전 저항을 모의한 부재 충돌 시험기를 행함으로써, 종래의 3점 굽힘 방식이나 완전 고정식의 지그를 사용한 부재 충돌 시험과 비교하여, 비약적으로 시험 결과의 정밀도를 높일 수 있다.

다음에, 실제 기계 지지 지그에 지지점 설치 작업을 행하였다.

실제 기계의 각 저항 부여부로서, 하부의 지지점(16)용의 플라이 휠(17)은 직경 500㎜, 두께 100㎜인 대략 원판형이고, 중량이 약 154㎏인 것을 사용하였다. 상부의 지지점(24)용의 플라이 휠(22)은 직경 500㎜, 두께 35㎜인 대략 원판형이고, 중량이 약 54㎏인 것을 사용하였다. 양쪽 플라이 휠(17, 22)의 베어링에는 원웨이 클러치를 장비하고, 실험 후반에서는 공전하는 방향으로 설정하였다.

실린더(25)의 병진 저항은 5000㎏중(49kN)으로 하였다. 임팩터 질량은 350㎏, 임팩터 사출의 초속도는 CAE 시뮬레이션 상과 동일한 20㎞／h로 되도록, 발사 장치를 설정하였다.

(시험 1)

상기 조건에 따르고, 센터 필러의 실물 부재를 사용하여, 부재 충돌 시험을 실시하였다. 센터 필러의 실물의 변형 프로파일과, CAE 시뮬레이션 상의 변형 프로파일 사이에, 유의한 차이가 발견되었다. 이 차이의 중심 부분을 시험 실시 후의 실물의 센터 필러 상에서 관찰하면, 센터 필러의 길이 방향 중앙부에 스폿 파단이 발견되었다. CAE 시뮬레이션 상에서는, 풀 비히클 CAE 모델의 충돌 시뮬레이션에 있어서도, 부분 충돌 CAE 모델의 충돌 시뮬레이션에 있어서도, 이 파단은 재현되어 있지 않았다.

(시험 2)

따라서 별도로 준비한 새로운 센터 필러의 상기 파단에 상당하는 개소에, TIG 용접을 행하여 보강 비드를 부설하였다. 그리고 TIG 용접 후의 센터 필러를 사용하여, 다시 실제 기계 상에서의 부재 충돌 시험을 실시하였다. 이 결과, TIG 용접 후의 센터 필러에는 TIG 용접 부분에도, 이외의 부분에도, 스폿 파단이 관찰되지 않았다.

상기한 TIG 용접 보강 후의 센터 필러를 3개 더 제작하고, 이들을 사용하여 실제 기계 부재 충돌 시험을 3회 행하였다. 이 결과, 센터 필러 실물의 최대 변형량(L)은 3회 시행의 평균값에서 237㎜로 되었다. 변형 후의 센터 필러 프로파일도, 풀 비히클 및 선택 부재의 CAE 상의 충돌 시험 결과와 고정밀도로 일치하였다. 3회의 시행 중 어느 것에서도 스폿 파단은 관찰되지 않고, 센터 필러의 프로파일도 서로 대략 일치하고 있었다. 이로 인해, 부재 충돌 시험기 실제 기계를 사용한 시험이 높은 재현성을 갖는 것을 알 수 있었다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 방법의 실시예로서, 부분 충돌 CAE 모델을 작성하고, CAE 상에서 경계 조건의 결정을 행한 후에, 실제 기계에서 이 경계 조건을 재현하여 부재 충돌 시험을 행하였다. 이 결과, 각 변형 평가 지표에 있어서 풀 비히클 CAE 시뮬레이션에 의한 결과를 고정밀도로 재현하는 것이 가능해졌다.

또한, 풀 비히클 및 부재 충돌의 CAE 시뮬레이션에서는 발생하지 않았던 충돌 시의 스폿 파단 현상이, 실제 기계 상의 부재 충돌 시험을 사용하였을 때에는 발생하였다. 즉, 풀 비히클 CAE 시뮬레이션 상 및 부분 구조 충돌 CAE 시뮬레이션 상에서는 표면화되어 있지 않았던 부재의 잠재적인 문제점을, 부분 구조 충돌 시험을 행함으로써 현재화시킬 수 있었다.

이 파단을 회피하기 위해 센터 필러 실물을 TIG 용접에 의해 보강한 바, 부분 충돌 CAE 시뮬레이션 상에서의 센터 필러의 변형 특성과, 보강 후의 실물 부품을 사용한 부분 충돌 시험 상의 변형 특성이 일치하였다.

상기한 실시예에 의해, 본 실시 형태의 방법에 따르면, 지금까지 CAE 모델 상에서 재현하는 것이 어려웠던 파단 현상 등을 실제 기계 상에서 용이하게 재현할 수 있는 것을 알 수 있었다.

본 발명의 충돌 성능 평가 방법에 있어서는, 부재의 변형 특성을 지표에 조정된 부분 구조 CAE 모델을 사용하여 충돌 시뮬레이션을 행하므로, 부분 구조 CAE 모델의 경계 조건이 풀 비히클 CAE 모델에 있어서, 충돌 시에 다른 부재로부터 받는 역학적 영향을 정확하게 반영하고 있는 것이 담보된다. 따라서 계산 부하가 작은 부분 구조 CAE 모델을 사용해도 풀 비히클 CAE나 풀 비히클 충돌 시험과 거의 동일한 정밀도로, 부재의 충돌 성능을 평가할 수 있다. 따라서 개발 비용이나 개발 공정의 증가를 억제할 수 있다.

1 : 센터 필러
2 : 사이드 실
10 : 본체
11 : 수평 베이스
12 : 수직 베이스
13 : 경사 빔
14 : 베어링
16 : 하부의 지지부
17 : 플라이 휠
20 : 축
21 : 스윙 아암
22 : 플라이 휠
23 : 회전축
24 : 상부의 지지부
25 : 실린더
30 : 하중 인가 장치

Claims (3)

1. 자동차 부재의 충돌 성능의 평가에 사용되는 충돌 시험기이며, 조사 대상으로 되는 실물 부재를 지지하는 단수 또는 복수의 지지점과,
   상기 실물 부재에 대해, 회전 자유도, 병진 자유도 중 적어도 하나를 부여하는 가동 지지부와,
   상기 실물 부재에 대해, 회전 변형 저항, 병진 변형 저항 중 적어도 하나를 부여하는 저항 부여부와,
   상기 실물 부재를 압박하는, 하중 인가 장치를 구비하며,
   상기 실물 부재는 자동차의 일부 골격 부재인 것을 특징으로 하는, 충돌 시험기.
2. 제1항에 있어서, 상기 가동 지지부가 회전축을 포함하고,
   상기 저항 부여부가 상기 회전축에 접속된 플라이 휠을 포함하는 것을 특징으로 하는, 충돌 시험기.
3. 제2항에 있어서, 상기 회전축이 원웨이 클러치를 갖는 것을 특징으로 하는, 충돌 시험기.

Images