Upload
others
View
2
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
工學碩士學位論文
루미늄 스 스
차체 돌특
Crashworthiness Assessment in
Aluminum Space Frame Automotive Body
2008年 2月
仁荷大學校 大學院
機械工學科 ( 固體 生産工學 專攻 )
崔 元 準
工學碩士學位論文
루미늄 스 스
차체 돌특
Crashworthiness Assessment in
Aluminum Space Frame Automotive Body
2008年 2月
指導敎授 趙 鍾 斗
論文 工學碩士學位 論文 提出
仁荷大學校 大學院
機械工學科 ( 固體 生産工學 專攻 )
崔 元 準
論文 崔元準 碩士學位 論文 認定
2008年 2月
主 審
副 審
委 員
I
차 례
1 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1
11 연 경 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1
12 내 술동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2
13 연 내 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8
14 근거∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9
141 USNCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12
142 EURONCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13
143 건 통 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 14
2 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 16
3 사 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25
31 단 상 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25
32 단 께 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 32
4 Pre-process∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
II
41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42
43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44
5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49
6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51
7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53
71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54
8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66
9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68
10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69
III
요 약 문
사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시
과는 달리 동차 엔진 욱 경량
동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재
질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스
차체 연 가 창 진 에 다
본 에 는 상 그 ANSYS 100 과
LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체
동 수 다 차체 비틀림 강
고 진동 병 여 단 과 께
진 께 고 돌 시뮬 수 었다
재 시 고 는 돌시험 고 돌 수
고 그에 승객 도 평가 다
루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에
비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또
그에 고 었다 게 차체 계 시
계 계변경 시간 비 등 감에
가질 것 단 다
IV
ABSTRACT
Automotive safety performance and the protection of environment from
being polluted have drawn the attention of numerous researchers and
motivated them to perform a serious research on this Following this path
development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency
has been put forward and performance of safety evaluation method has been
studied actively
In previous study evaluation of collision behavior is performed by
variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part
Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14
times the thickness of steel section
Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI
R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA
are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance
are analyzed for characterization of an automotive body
In this study aluminum car body performances are compared with those
of steel body Satisfying results have been observed In case of modal
analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency
in the range of idle engine frequency During the crash performance it is
observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in
comparison with the steel car body But the acceleration difference that
affects human injury was a little high ie more than 200g which should be
well below 150g
V
To sum up the performances of ASF car body the weight reduction
observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to
the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to
realize the behavior of car body which will definitely save time and cost
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
工學碩士學位論文
루미늄 스 스
차체 돌특
Crashworthiness Assessment in
Aluminum Space Frame Automotive Body
2008年 2月
指導敎授 趙 鍾 斗
論文 工學碩士學位 論文 提出
仁荷大學校 大學院
機械工學科 ( 固體 生産工學 專攻 )
崔 元 準
論文 崔元準 碩士學位 論文 認定
2008年 2月
主 審
副 審
委 員
I
차 례
1 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1
11 연 경 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1
12 내 술동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2
13 연 내 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8
14 근거∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9
141 USNCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12
142 EURONCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13
143 건 통 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 14
2 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 16
3 사 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25
31 단 상 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25
32 단 께 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 32
4 Pre-process∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
II
41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42
43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44
5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49
6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51
7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53
71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54
8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66
9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68
10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69
III
요 약 문
사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시
과는 달리 동차 엔진 욱 경량
동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재
질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스
차체 연 가 창 진 에 다
본 에 는 상 그 ANSYS 100 과
LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체
동 수 다 차체 비틀림 강
고 진동 병 여 단 과 께
진 께 고 돌 시뮬 수 었다
재 시 고 는 돌시험 고 돌 수
고 그에 승객 도 평가 다
루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에
비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또
그에 고 었다 게 차체 계 시
계 계변경 시간 비 등 감에
가질 것 단 다
IV
ABSTRACT
Automotive safety performance and the protection of environment from
being polluted have drawn the attention of numerous researchers and
motivated them to perform a serious research on this Following this path
development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency
has been put forward and performance of safety evaluation method has been
studied actively
In previous study evaluation of collision behavior is performed by
variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part
Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14
times the thickness of steel section
Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI
R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA
are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance
are analyzed for characterization of an automotive body
In this study aluminum car body performances are compared with those
of steel body Satisfying results have been observed In case of modal
analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency
in the range of idle engine frequency During the crash performance it is
observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in
comparison with the steel car body But the acceleration difference that
affects human injury was a little high ie more than 200g which should be
well below 150g
V
To sum up the performances of ASF car body the weight reduction
observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to
the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to
realize the behavior of car body which will definitely save time and cost
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
論文 崔元準 碩士學位 論文 認定
2008年 2月
主 審
副 審
委 員
I
차 례
1 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1
11 연 경 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1
12 내 술동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2
13 연 내 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8
14 근거∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9
141 USNCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12
142 EURONCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13
143 건 통 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 14
2 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 16
3 사 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25
31 단 상 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25
32 단 께 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 32
4 Pre-process∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
II
41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42
43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44
5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49
6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51
7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53
71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54
8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66
9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68
10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69
III
요 약 문
사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시
과는 달리 동차 엔진 욱 경량
동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재
질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스
차체 연 가 창 진 에 다
본 에 는 상 그 ANSYS 100 과
LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체
동 수 다 차체 비틀림 강
고 진동 병 여 단 과 께
진 께 고 돌 시뮬 수 었다
재 시 고 는 돌시험 고 돌 수
고 그에 승객 도 평가 다
루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에
비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또
그에 고 었다 게 차체 계 시
계 계변경 시간 비 등 감에
가질 것 단 다
IV
ABSTRACT
Automotive safety performance and the protection of environment from
being polluted have drawn the attention of numerous researchers and
motivated them to perform a serious research on this Following this path
development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency
has been put forward and performance of safety evaluation method has been
studied actively
In previous study evaluation of collision behavior is performed by
variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part
Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14
times the thickness of steel section
Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI
R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA
are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance
are analyzed for characterization of an automotive body
In this study aluminum car body performances are compared with those
of steel body Satisfying results have been observed In case of modal
analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency
in the range of idle engine frequency During the crash performance it is
observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in
comparison with the steel car body But the acceleration difference that
affects human injury was a little high ie more than 200g which should be
well below 150g
V
To sum up the performances of ASF car body the weight reduction
observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to
the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to
realize the behavior of car body which will definitely save time and cost
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
I
차 례
1 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1
11 연 경 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 1
12 내 술동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 2
13 연 내 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 8
14 근거∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 9
141 USNCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 12
142 EURONCAP∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 13
143 건 통 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 14
2 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 16
3 사 연 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25
31 단 상 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 25
32 단 께 별 격 거동 비 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 32
4 Pre-process∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
II
41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42
43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44
5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49
6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51
7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53
71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54
8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66
9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68
10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69
III
요 약 문
사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시
과는 달리 동차 엔진 욱 경량
동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재
질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스
차체 연 가 창 진 에 다
본 에 는 상 그 ANSYS 100 과
LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체
동 수 다 차체 비틀림 강
고 진동 병 여 단 과 께
진 께 고 돌 시뮬 수 었다
재 시 고 는 돌시험 고 돌 수
고 그에 승객 도 평가 다
루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에
비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또
그에 고 었다 게 차체 계 시
계 계변경 시간 비 등 감에
가질 것 단 다
IV
ABSTRACT
Automotive safety performance and the protection of environment from
being polluted have drawn the attention of numerous researchers and
motivated them to perform a serious research on this Following this path
development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency
has been put forward and performance of safety evaluation method has been
studied actively
In previous study evaluation of collision behavior is performed by
variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part
Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14
times the thickness of steel section
Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI
R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA
are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance
are analyzed for characterization of an automotive body
In this study aluminum car body performances are compared with those
of steel body Satisfying results have been observed In case of modal
analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency
in the range of idle engine frequency During the crash performance it is
observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in
comparison with the steel car body But the acceleration difference that
affects human injury was a little high ie more than 200g which should be
well below 150g
V
To sum up the performances of ASF car body the weight reduction
observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to
the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to
realize the behavior of car body which will definitely save time and cost
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
II
41 CAD Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 37
42 FE Modeling∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 42
43 Boundary Condition∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 44
5 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
51 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 46
52 비틀림 강 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 49
6 진동 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 51
7 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 53
71 고 돌 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 54
8 결과 고찰∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 66
9 결 ∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 68
10 참고 헌∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙∙ 69
III
요 약 문
사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시
과는 달리 동차 엔진 욱 경량
동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재
질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스
차체 연 가 창 진 에 다
본 에 는 상 그 ANSYS 100 과
LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체
동 수 다 차체 비틀림 강
고 진동 병 여 단 과 께
진 께 고 돌 시뮬 수 었다
재 시 고 는 돌시험 고 돌 수
고 그에 승객 도 평가 다
루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에
비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또
그에 고 었다 게 차체 계 시
계 계변경 시간 비 등 감에
가질 것 단 다
IV
ABSTRACT
Automotive safety performance and the protection of environment from
being polluted have drawn the attention of numerous researchers and
motivated them to perform a serious research on this Following this path
development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency
has been put forward and performance of safety evaluation method has been
studied actively
In previous study evaluation of collision behavior is performed by
variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part
Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14
times the thickness of steel section
Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI
R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA
are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance
are analyzed for characterization of an automotive body
In this study aluminum car body performances are compared with those
of steel body Satisfying results have been observed In case of modal
analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency
in the range of idle engine frequency During the crash performance it is
observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in
comparison with the steel car body But the acceleration difference that
affects human injury was a little high ie more than 200g which should be
well below 150g
V
To sum up the performances of ASF car body the weight reduction
observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to
the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to
realize the behavior of car body which will definitely save time and cost
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
III
요 약 문
사 에 동차 연 동 살펴보 능 우 시
과는 달리 동차 엔진 욱 경량
동차 개 에 연 가 가 고 다 는 차체 재
질과 상 꾸는 계 가 었 재 루미늄 스 스
차체 연 가 창 진 에 다
본 에 는 상 그 ANSYS 100 과
LS-DYNA 여 루미늄 스 스 차체
동 수 다 차체 비틀림 강
고 진동 병 여 단 과 께
진 께 고 돌 시뮬 수 었다
재 시 고 는 돌시험 고 돌 수
고 그에 승객 도 평가 다
루미늄 스 스 차체는 Steel 차체에
비 40~50 경량 가 루어 강 에 지 수 또
그에 고 었다 게 차체 계 시
계 계변경 시간 비 등 감에
가질 것 단 다
IV
ABSTRACT
Automotive safety performance and the protection of environment from
being polluted have drawn the attention of numerous researchers and
motivated them to perform a serious research on this Following this path
development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency
has been put forward and performance of safety evaluation method has been
studied actively
In previous study evaluation of collision behavior is performed by
variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part
Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14
times the thickness of steel section
Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI
R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA
are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance
are analyzed for characterization of an automotive body
In this study aluminum car body performances are compared with those
of steel body Satisfying results have been observed In case of modal
analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency
in the range of idle engine frequency During the crash performance it is
observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in
comparison with the steel car body But the acceleration difference that
affects human injury was a little high ie more than 200g which should be
well below 150g
V
To sum up the performances of ASF car body the weight reduction
observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to
the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to
realize the behavior of car body which will definitely save time and cost
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
IV
ABSTRACT
Automotive safety performance and the protection of environment from
being polluted have drawn the attention of numerous researchers and
motivated them to perform a serious research on this Following this path
development of ultra-light car body technology for improving fuel efficiency
has been put forward and performance of safety evaluation method has been
studied actively
In previous study evaluation of collision behavior is performed by
variable section shapes as a function of thickness variation of extruding part
Thickness of aluminum section used here in ASF automotive body is 14
times the thickness of steel section
Surface model of automotive body is done by using CATIA-V5 and AUDI
R8 Model is being used as a reference for modeling ANSYS and LS-DYNA
are used for analyses Static stiffness modal behavior and crash performance
are analyzed for characterization of an automotive body
In this study aluminum car body performances are compared with those
of steel body Satisfying results have been observed In case of modal
analysis we can conclude that the body has got adequate natural frequency
in the range of idle engine frequency During the crash performance it is
observed that substituted aluminum section absorbing more kinetic energy in
comparison with the steel car body But the acceleration difference that
affects human injury was a little high ie more than 200g which should be
well below 150g
V
To sum up the performances of ASF car body the weight reduction
observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to
the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to
realize the behavior of car body which will definitely save time and cost
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
V
To sum up the performances of ASF car body the weight reduction
observed by using aluminum car body is more than 40 in comparison to
the steel car body Furthermore computer simulation is being performed to
realize the behavior of car body which will definitely save time and cost
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
VI
NOMENCLATURES
AW BW Bodies in contact system
AG BG Boundaries of the body
CG Contact surface
An Bn
Unit normal vectors
ANv BNv
Normal velocities
nc Interpenetration velocity
s Strain rate tensor
r Mass density
b Body force
t Surface force
nd Function dof the interpenetration
H Heaviside function
1b 2b Penalty parameters
M Diagonal mass matrix
g Acceleration vector
u Displacement vector
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
VII
f Reaction force
in
Slave node
k Interface stiffness
l Stiffness factor
mk sk Stiffnesses of the master and slave surface
h Thickness
E Youngrsquos modulus
Td Transverse displacement
iP Contact point
x h Isoparametric coordinates
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
VIII
List of Tables
Table1 NCAP test procedures and world NCAP
Table2 Geometric properties of test specimens
Table3 Element properties of test specimens
Table4 Material properties of test specimens
Table5 Mechanical properties of Al 6061-T6
Table6 Mechanical properties of each part
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
IX
List of Figures
Fig1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
Fig3 AUDI R8 ASF body
Fig4 USNCAP Frontal crash test
Fig5 USNCAP Side crash test
Fig6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
Fig7 Side crash test
Fig8 Definition of velocities on the contact surface
Fig9 The concept of master surface and slave nodes
Fig10 Calculation of the contact force
Fig11 FE model of the test specimens
Fig12 Deformed circular section
Fig13 Deformed hexagonal section
Fig14 Deformed rectangular section
Fig15 Deformed triangular section
Fig16 Deformed shape of folding type
Fig17 Difference of distance in variable section types
Fig18 Absorbed energy of each section type
Fig19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig20 Deformed shape of square section(t=14mm)
Fig21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig22 Deformed shape of square section(t=29mm)
Fig23 Absorbed energy of each section thickness
Fig24 Difference of displacement of each section thickness
Fig25 Modeling process in CATIA V5
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
X
Fig26 Completed geometric model in CATIA V5
Fig27 Front isometric view of geometric model
Fig28 Rear isometric view of geometric model
Fig29 Top view of geometric model
Fig30 Side view of geometric model
Fig31 Rear view of geometric model
Fig32 Front view of geometric model
Fig33 Finite element model in LS-DYNA
Fig34 Finite element model in ANSYS 110
Fig35 Front body to wall contact
Fig36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
Fig37 Von-Mises stress distribution in bending load (Max 8MPa)
Fig38 Displacement in bending load (Max 018mm)
Fig39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
Fig41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
Fig42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
Fig43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
Fig44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
Fig45~53 High speed frontal crash simulation
Fig54 Deformed shape at dashboard
Fig55 Displacements of each node
Fig56 Nodes for measuring acceleration difference
Fig57 Differences of acceleration at each node
Fig58 Energy conversion for collision
Fig59~61 Crash simulation of two times thickness body
Fig62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
1
1
11 연 경
운 계는 승객 보다 리 보다 빠 게 보다 편 게 보내주
는 고 다 계 1 2 차 후 운 계 계
술 술 진보 수 들
각 어 다 그러 간 심 보다 능 뛰어
개 과 동시에 신들 과 경 염 지에 맞
고 었다 동차는 재 간 운 계 가 비
차지 고 다 늘어 고 심각 지는 통사고
실과 동차 가스 염 사 들에게 경각심
러 고 고 상 동차 계 에 고
지 는 실에 다 또 경 규 강 에
경 체 연료 개 과 차량 가스 감 술 개 에
맞춰지고 다 같 각 동차 업계
는 경 동시스 술 개 과 께 경량 차체 계 술에
차 가 고 다 경량 는 미 공산업에 비 차지
고 었고 경량 도는 곧 공 능 는 말 지
도 다 1kg 도 수많 엔지니어들 연
고 는 재 루미늄 체 복 재 지 개
고 는 실 다
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
2
공산업 술 동차 산업에 그 어
사 다 재 동차 산업에 는 차체 경량
루미늄 스 스 ( ASF) BIW(Body In White)
가 사 는 다 게 ASF 차체 재 우리에게
닥쳐 는 들 연 고 다 재
ASF 가 차체는 재 동차에 비 30 도 경량 가
루어 는 는 연비개 과 염 도
수 는 고 다 동차업계는 동차 량 지 보다
1 감량 시 연비 05~06 개 수 는 것 보고
다 차체 량 1500 30 도 게
1~12 연비 개 과 볼 수 다 ℓ 당 100m 도 주 거리
가 늘어 는 다
그러 건 경량 만 수는 없다 에 연 차량
동 특 에 는 능 보여 에 ASF 차량
특 또 연 어 다
12 내 술 동
동차 역사가 거 헤 리고 지만 에
개 립 것 그리 지 다 동차 보
당연 동차 사고도 늘 시 다 1930
동차 단단 철 재질 시보드 스티어링 럼 사고
시 격 수 지 못 고 동차 도처에 어
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
3
등 보 는 가 었다 시트 트 개
차 재 지 시 었 에 에 돌 도 운
는 상 수 었다 당시 트 트에
웨 (Wayne) 주립 고 돌 체에 미 는 에
연 시 다 시신 시 여러 가지 동 들
상 돌 스트가 진 었고 살 는 사 실험
지도 수 었다 지만 그것에는 계가 었다 실험 본과
동차 사고 평균연 과는 거리가 었고 신체 건 또
각각 달 실험 어 움 커 만 갔다
계 연 가 창 진 각 동차 사들
에 그리 극 지 못 다 1950 후 지만 도 많
미 동차 업체들 사고 시 생 보 수 는
거 없다고 결 지었다 지만 미 변 사가 ldquoGM
운 에게 험 차 보 고 다rdquo고 신 에 폭
고 사건 계 1966 리 격 수 스티어링
시트 트에 내 규 동차 었
다
운 에 심 갈수 폭 었고 술도
갔다 또 원 고갈 지 다는 견들
시 시 고 엔진 여 연비 개 시
시 었다 엔진 동차는 가벼워
다 든 건들 만 시 재는 루미늄
었다 미 공산업에 는 그 리 고 고 었고 동차
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
4
에 만 었다
동차 업계에 루미늄 사 1970 엔진커
트 뚜껑 개 등과 같 동차
시 다 1980 에 들어 는 강철 재
식 그 루미늄 체
시 고 차량 강 지 께변
단 상 변 에 계가 립 시 다 지만
당시에는 3 차원 루미늄 술과 술
달 미비 시 에 계 많 동차 사들 술
개 에 차 가 시 고 1980 독 Audi 사에
루미늄 차체가 시 었다 1990 는 본 Honda사에
Acura NSX 차 에 루미늄 차체 술 시
다 [23] [25]
1990 는 루미늄 스 스 (Aluminum space
frame ASF) 식 술 개 어 사 시 는
는 에 고 차체 술
계 술 다시 도 것 다 처 에는 경량 차체 개
고 어 동차 경차 등에 사 었는 근 에 들어
는 스포 쿠 단 동차에도 고 다
Audi 사 A8 고차원 술과 께 루미늄 주 재
술 통 여 철 식 또는 철
식 차체보다 고강 고강도 차체 개 에 공 다
또 루미늄 비 도 특 수 여 30 도 경량
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
5
도 실 다 는 동 엔진 사 시 과 연비
감에도 많 갖고 에 경규 어
지 는 신차 개 당 게 수 다 또 경량 복
재 신 재에 비 원가 감 에 우 에
동차 업계에 는 ASF 차체 술 개 고 다
[23]
우리 에 는 동차 경우 경차 계 에 경
량 차체 실 재에는 고 승 차에 루
미늄과 마그 슘 고 심지어는 엔진블 에도
여 경량 연비개 과 거 고 다 삼 경우도
마찬가지 시 실린 블 에 루미늄 다 특 12
연 계 10 엔진 lsquoNeo VQrsquo가 사
다 루미늄 실린 블 착 엔진 게 다는 평가
고 다 사 루미늄 블 과 진동 등 꺼 에
수 는 도 가지고 었다
게 내 동차 술 편차가 짐에 진 술
도 복 수 어 내에 도 체 계 루어
지고 컴퓨 시뮬 계시간 단
고 다 러 CAE(Computer Added Engineering) 술 달 탑
승 여 욱 보 동차 공 도 는
는 컴퓨 는 가상공간 에 생산 직
수 고 수 또 다는 가진다
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
6
Fig 1 BMW Z8 Aluminum Space Frame
Fig 2 AUDI A8 Aluminum Space Frame
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
7
Fig 3 AUDI R8 ASF body
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
8
13 연 내
본 연 에 사 연 에 는 Steel 과 Al 재질 별 격
수 도 여러 가지 단 상 별 격 수 도 비
다 에 사 Al 6061-T6 고 Steel
많 쓰 는 연 강 다 단 상 게
가지 여 원 각 사각 삼각 비 고 마지
막 도 식 빔 상도 가 여 다 가지
상 별 격 수 특 비 다 여 비
각 단 에 사 재료 에 동 건
여 다
사 연 여 CATIA V5 3D CAD Data가
다 단 BIW(Body In White) 만 링 고 사 연
에 도 식 단 상 사 지 다 만들어진
CAD 다시 여러 가지
변 었다 게 강 진동 돌
에 사 었다 돌 에 사 트웨어는 LS-DYNA 970
고 지 ANSYS ClassicWorkbench 진 었다
BIW Steel 차체 비 여 30 상 량 감
고 강 과 강도 역시 어지지 는 차체 계에 었
다 또 계 식에 는 근 많 연 가 진 고 는 루미
늄 스 스 (ASF Aluminum Space Frame) 차체
계 다 에 체 건 각 에 다시
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
9
다
돌 결과에 는 차량 사고시 승객 에 어 주
포 트에 승객 공간 도 통 도
평가 다
14 근거
신차평가 도(New Car Assessment Program NCAP)는 새 시
는 동차에 돌시험과 동 능시험 등 여러 가지
시험 통 평가 고 그 결과 비 에게 공개 는
도 다 비 에게 운 택 공 고 사가
동차 도 도 마 것
동차 도평가 도 고도 다 [32]
돌시험에 는 탑승 상 도 돌 열리는지
돌 후 열리는지 돌 후 연료가 새는지 4 개
평가 다 동 능시험에 는 동거리 동 에
평가가 루어진다 시험 규 각 마다 틀리
미 USNCAP 럽 EURONCAP 비 여
여러 가지 시험규격들 에 는 동차 능연 원에
시험 실시 고 다 Table1 각 에 시 고 는 시험
보여 다 [32]
각 시험 후 능 평가 탑승 상 도에 5 개
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
10
등 뉘는 USNCAP 들어 차 시 56kmh
리트 고 벽에 돌시 상 가능
10 1등 20 2등 35 3등 45
4등 45 상 5등 단 고 다
신차평가 도는 1999 건 통 내 지 운 어
다가 2003 에 러 식 규 었다 미 1978
스트 리 는 1993 럽 1995 본 1996
도 실시 고 다
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
11
Frontal Impact Side Impact
US
NC
AP
IIH
S
JN
CA
P
EU
RO
NC
AP
Wor
ld N
CA
P
Table 1 NCAP test procedures and world NCAP[3]
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
12
141 USNCAP
USNCAP 에 는 돌시험 시 56kmh 고 벽 돌과
62kmh 돌 실시 고 다 고 벽 돌 강체
가 리트 에 동차 견 여 도 56kmh
돌시 다 는 규 시험 도 48kmh 보다 8kmh 빠 도
56kmh 주 는 같 동차
돌 경우 동 상 재 것 다 Fig4 는 돌
시험시 사진 보여주고 다 시험 시에는 리 등
격 량 들 착 어 는 체 (Hybrid
III) 동차 내 에 체에 어 는지 계산 수
는 보 꾸어 다 또 수 고 가 동차 내
에 착 어 미 차체 거동 수 게 다
Fig 4 USNCAP Frontal crash test
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
13
Fig 5 USNCAP Side crash test
142 EURONCAP
EURONCAP 에 는 고 벽 돌 신에 40 Offset
돌 실시 다 동차 비 40만 고 벽에 루
미늄 허니컴 에 64kmh 도 돌시 는 는 마주
는 동차 돌 경우 재 것 다 돌 경
우는 USNCAP 62kmh 보다 다 낮 50kmh 실시 고 고
여 에 29kmh 신주 돌 실시 다 Fig6는 돌
시험 습 보여 다
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
14
Fig 6 EURONCAP Frontal Crash Test(From BMW)
143 건 통
경우 돌시험 포 동차 능 시험 건 통
통 공단 주 여 동차 능연 에 루어지고
다 시험 동차는 비 가 시 에 수 는
동차 어 에 시 동차 업 통 여
동차 여 시험에 사 고 다 시험 는 56kmh 고
벽 돌과 55kmh 동 벽 돌 등
돌 가 실시 검 고 다
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
15
Fig 7 Side crash test
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
16
2 연
간단 Contact 개 여 는 개 사 에
Contact 만 다룬다 본 개 사 Contact
case 복 태 여 개 수 다 [11]
21 Formulation of the contact problem
211 Impenetrability condition
Impenetrability condition contact 에 매우 심 건
다 건 개 가 겹쳐질 수 없 다
들어 개 AG BG 경계가 루어진 AW BW
가 다고 (Fig8) CG 는 contact surface 타낸다
impenetrability condition 다 과 같 식 타낼 수
다
0A BW CcedilW = (1)
지만 건 변 식
어느 지 에 contact 어 는지 는 것 매우 어
다 그러므 건 도에 term 는 것
욱 다 contact impenetrability condition
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
17
다 식 쓰여질 수 다
0N A A B B AN BN Cv n v n v v overc = + = - pound Gr r
(2)
여 An Bn
는 unit normal vector 고 ANv BNv
각
각 surface AG BG normal velocity 타낸다 nc
interpenetration velocity interpenetration rate 린다
가 내 contact 어 들 0nc =
상태
에 거 다 리 다 ( )0nc lt
Fig 8 Definition of velocities on the contact surface
212 Equilibrium condition
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
18
러 impenetrability condition 경계 에 equilibrium
condition 다
0AN BNt t+ = (3)
들 고 가 다 과 같 식
다
0N AN BNt t t= = - pound (4)
식 (2) (4) 다 건 만 다
( ) 0N N NG tc c= = (5)
식 (5)는 contact force 가 도 지 는다는 것 타낸다
가 contact 어 interpenetration velocity 는 0
고 ( )0 0N Nt csup1 = 가 리 에는 normal force 가 0
다 ( )0 0N Nt c= sup1
213 Weak formulation and penalty method
여 는 global point of view ( )A BW = W EgraveW deformable
body W 고 다 G가 W 경계 고 principle of
virtual power는 다 과 같 쓰여진다
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
19
( )
0
iji i i i i
j
i i
vP d v b d v d
x
v v d v
dd s d r d t
d r d
W W G
W
para= W- W- G
para
+ W =
ograve ograve ograve
ograve amp (6)
여 vd 는 field of the kinematically admissible velocities s 는
strain rate tensor r 는 mass density b 는 body force 그리고 t 는
surface force 다 Powers of the internal forces external forces inertia
forces term 각각 쓸 수 는 식 (6) 다 과 같 쓰여
질 수 다
int 0ext inertP P P Pd d d d= - + = (7)
그러 weak formulation contact condition(5)에 여
constraint 간주 수 없다 러 가지 가
능 수 근 시도 여 constraint G 에 수 P 생각
수 다
( ) 0
( ) 0
P v v
G v
d d=
= (8)
재 같 계산 수 Radioss calculation code 는
Penalty method 통 역 었는 식 contact에 surface
들 small interpenetration 다 그러 impenetrability
condition contact surface normal force 가 통
다
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
20
그러므 시스 (8) 다 과 같 수 다
( ) ( ) ( ) 0P v P v G v vd d d d= + = (9)
With
( ) NG v t vdd dG
= Gograve (10)
다시 말 가 interpenetration nd 과 그것 비 nc
수가 다
( ) ( ) N N N N Nt t Hd c c= (11)
여 H는 Heaviside function 고 그 는 다 과 같다
( )NH c 1 0
0 0
N
N
if
if
c
c
gt
lt (12)
재 는 elastic contact 경우 Nt 다 과 같
쓸 수 다
1 2 N N Nt b d b g= + (13)
여 1b 과 2b 는 penalty parameter 타낸다
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
21
22 The discretized problem
221 Definition of the contact interface
Contact interface 는 트 변 동 contact 에 개
geometric surface 수 다 여 많
ldquomaster-slaverdquo 수 다 Penalty method 생각 여
것 master surface slave node
impenetrability 다 (Fig9)
Fig 9 The concept of master surface and slave nodes
222 Spatial discretization of the equilibrium equation
Domain W deformable body spatial discretization 고
보 가능 지 평 식 (6) 다
과 같 태 쓰여진다
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
22
[ ] ( ) int extM f f ugtimes = - (14)
여 M diagonal mass matrix 고 g 는 가 도 그리고
u는 변 다 에 듯 contact condition contact 에
surface 가 interpenetration 에 다 는 discretized
equation 우 에 contf 가 다는 말 다
[ ] ( ) ( ) int ext contM f f u f u vgtimes = - + (15)
여 식 단순 시 없는 탄
보 slave node in에 contact force는 master surface
penetration id 비 다 (Fig10)
int conts ii
f k d= acute (16)
여 intk 는 경계 강 고 contact 에 강 수
에 다
int m s
m s
k kk
k kl= acute
+ (17)
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
23
Fig 10 Calculation of the contact force
여 l 는 stiffness factor mk 과 sk 는 각각 master surface
slave surface 강 다 Shell element 경
우 각각 강 shell Youngrsquos
modulus ( )i i iE k h E i m s= acute Icirc 에 께 h 산 다 그러
므 경계 강 스 링 등가 강 볼 수 다
쉽게 말 식(11) 여 normal contact force
interpenetration Nd 과 normal interpenetration velocity Nc 수
수 다 마찰 고 contact 경우는 contact force에
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
24
에 비 는 transverse displacement Td 가 여 타낼
수 다 태에 는 impenetrability constraint 는
경계 들 변 도 가 비 계 다 과 같
수 다
( ) ( ) contsf f f u vd c= =
(18)
Slave node 에 contact force 결 는 master surface
에 에 contmf 계산 다 게 여
contact point iP ( )x h nodal masses m
다 4-node quadrangle element 에 contact 경우 식 (19)는
master surface 들 contact force 포 만 다
4
1
cont contkm sk i
jj
df f
d=
=aring
with
( )
( )4 2
1
1 4
ik k
jj
Nd m k
N
x h
x h=
= =aring
(19)
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
25
3 사 연
31 단 상 별 격 에 지 수 비
재 재질 상에 격 에 지 수 도 비
통 사 연 가 진 었다
단 상 는 원 각 사각 삼각 가지
에 여 진 동 게 여
원 단 원주 누어 각 단 변 결 다
원 단 지 80mm 고 각 단 는
150mm 여 여 에 시 다 3D CAD Model
CATIA V5 여 생 LS-DYNA
다 Fig 11 각 단 상들 FE Model 다 각 상에
는 5mm 여 다 Table2 에 는 수
각 단 상 수 타내었고 Table3 각 상 별
수 타내고 다 에 사 보는 Table4 에
타 다
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
26
Table 2 Geometric properties of test specimens
Section Type Number of Elements
Number of Nodes
Thickness
Circular type 1944 1775 1mm
Hexagonal type 1884 1713 1mm
Rectangular type 2004 1837 1mm
Triangular type 1974 1806 1mm
Folding type 2004 1806 1mm
Table 3 Element properties of test specimens
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
27
Materials Youngrsquos Modulus
Poissonrsquos Ratio
Density
Steel 200GPa 029 7850kgm3
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 4 Material properties of test specimens
Fig 11 FE model of the test specimens
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
28
Fig 12 Deformed circular section
Fig 13 Deformed hexagonal section
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
29
Fig 14 Deformed rectangular section
Fig 15 Deformed triangular section
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
30
Fig 16 Deformed shape of folding type
경계 건 여 시 랫 시 고 에
가 강체 벽 Z 지 시 다
강체 벽 량 1800kg 도 ndashZ 500mms
여 다
Fig 12~16 후 변 상 타낸다 각 단 들 비
균 변 보 변 량과 돌 시 어 지
시간( 돌시간)에 차 가 었다 여 에
도 계 사각 에 같 건
수 다 그 결과 가지 단 에 비 돌시간 어
고 변 량도 가 컸다 변 상 Fig 17 과 같고 Fig 18 에
는 각 단 상 별 에 지 수 시간 보여 다
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
31
돌시간 단 사고 시 탑승 가 같 격 에 지
어느 도 시간 동 게 느냐 차체 계 시
돌시간 게 격 량 어 들지만 과도 차체
공간 내 다 에 돌시간 짧
승객 는 시간당 격 에 지가 커 심각 상
다 본 연 승객 공간 내 차체
는 건 에 돌 시간 게 는 것 다
지만 실 산 는 동차에 주 트에 다 단
상 사 쉽지 다 생산 공 많 지고 보다 고 3 차
원 술 에 본 에 사 BIW 차체
에 는 사각 단 상 주 사 었다
Fig 17 Difference of distance in variable section types
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
32
Fig 18 Absorbed energy of each section types
32 께 별 격 에 지 수 비
Steel 강 과 강도 격 수 도에 는 Al 6061-T6 단
상과 께 지 단 고 시 고 께 변
가 진 다 단 께 1mm 14mm 16mm
29mm 등 결과 Steel 재료 14 께 지
6061-T6 단 었다 변 상 Fig19~22 에 타내었
다 결과는 BIW 차체 께 지 에 참고 었다 본 에 사
31 에 수 에 같고 6061-T6
는 Table 5에 타내었다
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
33
Fig23 Fig24 는 본 에 내 에 지 시간 변 량과
시간 그 타내었는 철 사각 과 비 여
비슷 변 량 가지는 루미늄 재 께 결 수
었다
Materials Youngrsquos
Modulus
Poissonrsquos
Ratio Density
Al 6061-T6 689GPa 028 2700kgm3
Table 5 Mechanical properties of Al 6061-T6
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
34
Fig 19 Deformed shape of square section(t=1mm)
Fig 20 Deformed shape of square section(t=14mm)
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
35
Fig 21 Deformed shape of square section(t=16mm)
Fig 22 Deformed shape of square section(t=29mm)
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
36
Fig 23 Absorbed energy of each section thickness
Fig 24 Difference of displacement of each section thickness
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
37
4 Pre-Processing
BIW 3D Model 과 FE Model 생 고 Boundary
Condition 여 는 지 과 담고 다
41 CAD Modeling
BIW 생 에 는 3D CAD CATIA V5
Generative Shape Design 사 었다 차체 든 Surface
들 루어 본 BIW 차체 는 AUDI 사 R8
만들어 다 Fig 25 26 는 CAD 생 업
과 보여주고 다 에 단 께가 지
참고 여 께가 다 각각 다 트 링 다
재 CAD 에 는 단 가 직 내 지지 고 FE Model
생 시에 께 보가 다 Fig 27~32는 BIW 차체
습 다
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
38
Fig 25 Geometric modeling process in CATIA V5
Fig 26 Completed geometric model in CATIA V5
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
39
Fig 27 Front isometric view of geometric model
Fig 28 Rear isometric view of geometric model
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
40
Fig 29 Top view of geometric model
Fig 30 Side view of geometric model
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
41
Fig 31 Rear view of geometric model
Fig 32 Front view of geometric model
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
42
42 FE Modeling
생 각각 Solver 그 에 ANSYS
WORKBENCH LS-DYNA PrePost Processor VPG 32
다 는 2D Surface Mesh
는 25mm 동 게 여 고 식 Quadrilateral
dominant 사 다 Fig33 34 는 각 습 다
Table6에는 각 트 별 수 보 등 타내었다
Part Name Materials Number of
Elements Thickness Mass
Front
Profile Al 6061-T6 7618 14mm 1883kg
Rear Profile Al 6061-T6 19794 14mm 4762kg
Casting Al 6061-T6 3205 7mm 3684kg
Thick
Profile Al 6061-T6 1568 42mm 1083kg
Max
thickness
profile
Al 6061-T6 1828 5mm 1497kg
Glass Laminated
glass 3053 5mm 267kg
Table 6 Mechanical properties of each part
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
43
Fig 33 Finite element model in LS-DYNA
Fig 34 Finite element model in ANSYS 110
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
44
43 Boundary Conditions
각각 트들에는 Automatic Single Surface Contact 여 여
트 내 에 고 트 트 사 에도
Node to Surface Contact Surface to Surface contact 여 여 트들
간 다 Fig 35는 Contact 건 여 습 다
Contact 건 여 시 강체 벽 Master 고 차체 든 트는
Slave 다 또 차체 트들 리 건 여 에는 Master
Slave 계 다
Fig 35 Front body to wall contact
각 트 리 결 본 Node 공 시 거 에
Spot Weld 각 Node들간 도 다
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
45
차체가 돌 킬 Wall 가 여 Rigid Material
여 든 도 시 다 차체 도 체
경계 건 각 에 다
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
46
5 강
본격 돌 에 차체 강 수
다 승객 엔진 등 주 트들 경계 건들
여 고 후 변 상 포 여 차체
본 개 보강재 통 개 책 찾 보 다
51 강
재료역 에 차체 강 탄 계수 E 단
2 차 트 I 곱 수 다 과 같 식 타낼 수 다
)2(6
2xbaaIE
Wbxy
aal
-+= (20)
][6
)( 2222
mkgfly
xblWbxIE aal times
--= (21)
진 진 단 께 가진 철 차체 ASF
차체 비 루어 다 가지 진 었는
ASF 차체 철 차체 강 실 차
량에 건과 사 경계 건 다 Fig 36 보 실
차량 스 결 는 에 도
변 고 차량 에 4000N
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
47
여 시 다 결과 8MPa 도
B-pillar 차체 연결 는 에 집 는 상
볼 수 었 차체 변 가 차체 간
에 018mm 도 경미 게 타 다는 것 수 었다
Fig37 과 Fig38 각각 생지 과 변 생지
보여주고 는 수 는 차체 계
강도에 는 것 여 만 만 결과값 보여주었다
Fig 36 Boundary condition for analyzing bending stiffness of body
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
48
Fig 37 Von-Mises stress distribution in bending load(Max 8MPa)
Fig 38 Displacement in bending load(Max 018mm)
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
49
52 비틀림 강
차량 비틀림 강 탄 계수 G 단 극 트 J 곱
값 다 과 같 식 타낼 수 다
ZLR dd
qq+
= tan (22)
][
2 radmkgfZlTlT
l
TGJ
LR
qqqtimes
+===
ddqq (23)
비틀림 강 시 차체 강
수 과 동 사 다 다만 경계 건에
간 차 가 는 Fig 39처럼 쪽 스
도 고 쪽 스 에 각각 +2000N -2000N
Z 여 다 그 결과 변 는 쪽 쪽
에 타났 집 Back Complete 에
타났다 Fig40 Fig41는 결과 보여주고 다 변
값과 값 각각 145mm 45MPa 었 철 차체
비 강 가지고 다는 단 수 었다
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
50
Fig 39 Boundary condition for analyzing torsional stiffness in body
Fig 40 Von-Mises stress distribution in torsional load(Max 45MPa)
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
51
Fig 41 Displacement in torsional load(Max 145mm)
6 진동
차량 엔진 진동에 차체 여
Modal 수 다 차량 진동 승객 감
고 차체 에도 미 다 차량 엔진에
가진 주 수 는 20~200Hz 역 고 엔진 공 시 주
수는 900rpm 에 30Hz 도가 다 계 는 차체 공진주
수가 엔진 가진 주 수 역 는 것에 다 만 차체
주 수 가 30Hz 근에 재 다 공진 생 차체
등 여러 가지 가 생겨 다 차체 공진주
수 에는 여러 가지가 다 보강재 사
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
52
강 개 단 께 변 재질 변 에 도
변 등 차체 주 수에 수 는 들 다 것들
여 차량 공진 주 수 50~60Hz에 맞 었다
진동 Solver 는 ANSYS 고 Block Lanzos
루어 다 결과 1 차 비틀림 드가 46Hz 에 타
났고 1 차 드는 59Hz 에 타났다 것 엔진 공
시 주 수 30Hz 값 므 주 수 역 고
단 다 Fig 42 Fig 43 가지 드들 상 보여 다
Fig 42 1st torsional mode shape in automotive body(46Hz)
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
53
Fig 43 1st bending mode shape in automotive body(59Hz)
7 돌
돌 실험 각 마다 다 그 차 가 Table1 에
타 다 차 실험 는 특 상 고비
는 단 가지고 다 본 에 는 USNCAP
EURONCAP 참고 여 우리 에 재 시 고 는
돌실험에 강체벽 돌에 시뮬 수 다
돌실험에 는 차량 에는 많 심 지 는다 직
사고시 탑승 만 고 게 는 그 험 에
여러 가지 들 탑재 체 (Digital Human Body) 실
동차에 실어 돌 실험 후 그 다 미에 진
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
54
보는 체 주 에 상 산 어 동차
등 매 는 사 다 본 연 에 는 실 미에
돌시 고 지는 는다 각 돌 시 승객 공간
차체 트 량 고 여 검 다 Fig 44
에는 보들 가 것 보여주고
들 체 상 에 직 미 는 곳( 시
보드 )에 포 시 고 또 다 A-pillar
B-pillar사 거리에 보 Output에 가시 다
Fig 44 Measuring point in important location for driverrsquos safety
71 High Speed Frontal Crash
고 돌 경우도 마다 그 규 간 다 과
미 고 벽에 56km 돌 실시 고 고 럽 경우
동차들간 돌 고 여 40 Offset 돌만 실험 고 다
에 는 Offset 돌 가실시 검 에 본 에
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
55
는 고 벽에 56km 도 돌 시뮬 수 다
Fig44 같 비 FE Model 강체 벽에 y -15555mms
도 돌 시 다 그 결과는 Fig45~53 에 시간당 돌
상 보여지고 돌에 에 지 변 량 Table 58
에 타냈다
Fig 45 High speed frontal crash simulation (t=0msec)
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
56
Fig 46 High speed frontal crash simulation (t=20msec)
Fig 47 High speed frontal crash simulation (t=40msec)
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
57
Fig 48 High speed frontal crash simulation (t=60msec)
Fig 49 High speed frontal crash simulation (t=80msec)
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
58
Fig 50 High speed frontal crash simulation (t=100msec)
Fig 51 High speed frontal crash simulation (t=120msec)
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
59
Fig 52 High speed frontal crash simulation (t=140msec)
Fig 53 High speed frontal crash simulation (t=160msec)
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
60
Fig 54 Deformed shape at dashboard
Fig54 는 돌 후 시보드 쪽 변 상 보여 다 곳
운 에 직 미 는 곳 Fig55 에 시보
드 에 6 개 변 량과 A-pillar B-pillar 사
거리 변 타냈다 A-pillar B-pillar 사 거리변 는
5mm 과 지 고 시보드 에 변 량도 60mm
지 다
다 Fig56 시간에 어느 가 도 변 량 찾
차체 각
시 것 다 그에 가 도 변 그 는 Fig57 에 타
다 리창 에 가 도는 300g 도 지만
체 100g 내 수 었다 에 는
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
61
변경 통 여 가 도 낮 가 다
Fig 55 Displacements of each node
Fig 56 Nodes for measuring acceleration difference
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
62
Fig 57 Differences of acceleration at each node
Fig 58 Energy conversion for collision
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
63
격 에 지 수 도는 돌시간 수 는 단
께 별 돌시간 비 같 6061-T6 재료 Profile
께 2 늘 같 건 진 다
다 Fig 59~61 단 께가 차체 시간에
돌 습 보여 다 그에 시간과 에 지 수 계
Fig 62 에 타내었다 그 결과 돌시간 44ms 돌시간
거 4 도 어든 것 볼 수 다
Fig 59 Crash simulation of two times thickness body (t=0msec)
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
64
Fig 60 Crash simulation of two times thickness body (t=20msec)
Fig 61 Crash simulation of 2-times thickness body (t=40msec)
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
65
Fig 62 Energy conversion for collision of 2-times thickness body
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
66
8 결과 고찰
본 에 는 AUDI R8 3D Surface 링 여
루미늄 스 스 (ASF) 차체에 강
과 진동 그리고 돌 수 다 는 같
재 철 차체에 는 강 특 과 돌특 갖는 루미늄
스 스 차체 계 고 량 30 상 는
것 다
강 결과에 는 차체가 강 가지고 는 것
단 었고 돌 결과 역시 만 스러운 결과값 얻어
내었다
지만 본 에 연 루미늄 스 스 차체는
보다 체 고 실 고 다 들어 동차
돌 실험 시 타 어 역 시 수 없 도 타
어 보 가 여 체 진
어 다 그 에도 6061-T6 보 얻는
어 움 었다 간에 -변 곡 고 여
지만 본 에 는 Tangent Modulus 값 에 실
값과 차 가 것 다 본 에 는 철 차량 비
게 감 50에 는 값 보여주는 는
보 재 다고 단 수 었다 상 진
에는 보 얻는 것에 어 움 었다 후에 본
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
67
과 연계 연 진 시 고 시험 통 보다
보 얻는 많 수고 들여 것 다 또 재
EURONCAP USNCAP 등에 실험 고 는 돌
동 벽 돌 등 강체 벽 지 고 루미늄 Honeycomb
루어진 에 차량 돌 시 에 재 는 수
가능 다 그리고 재 동차 업계에 는 돌 시뮬
진 동차 가진 Full Model 고
고 다 돌 Nonlinear Explicit 고 상
많 시간 고 드웨어 능 또 시
수 없는 다 본 에 는 PC-1CPU 연
진 에 차량 체 링 각 에
다 심 연 통 직
차 실험에만 고 는 돌 시뮬 에 보
여러 가지 스 고 루미늄 Honeycomb
돌 강 특 연 여 보다 실질 돌 시뮬
수 것 다
마지막 승객 에 상 차체 내
에 Digital Human Body 가 여 체 주 상 지 ( 리 가
슴 등)에 격량 통 여 상 통
도 평가에 여 연 가 다
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
68
9 결
본 에 는 루미늄 스 스 차체에
동 수 다 에 는 차체 강
과 비틀림 강 수 여 차체 역 에
평가 다 그 결과 스틸 차체에 는 특
수 었다
차체 진동 수 결과 엔진 가진에 주 수
많 지 는 것 평가 었다 차체 비틀림 드
드는 50~60Hz 에 타났고 엔진 공 시 주
수 30Hz 엔진 가진에 공진
상 승객 감 등 결 다
재 내에 수 고 는 강체 벽에 돌 시뮬
수 다 계 승객 같 운동량에
격량 수 도 계 는 것 었다 건
56kmh 도 강체 벽에 돌시 는 것 고 그 결과
164msec 돌 지 시간 얻어낼 수 었다 시간 비
돌시간 단 승객에게 직 상 수
는 트 승객 공간 거 없는 상태 다
승객 고 차체 계가 루어 다고 수 다
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
69
10 참고 헌
[1] Kazunari Modami Kenshi Fujiwara Hiroki Yamamoto and Yasumi Itho
ldquoFrontal Crash Characteristics of Compact Car at a High Speed Collisionrdquo
SAE 980553 1998
[2] R W Logan S A Perpect ldquoEnergy Absorption in Aluminum Extrusions
for a Spaceframe Chassisrdquo SAE 951079 1995
[3] CHRHS ldquoKnowledge for Tomorrowrsquos Automotive Engineeringrdquo Safety
Companion 2007
[4] ldquoUnderstanding Extruded Aluminum Alloysrdquo Alcoa Engineered Products
ALLOY 6061
[5] W H Overbagn ldquoUse of Aluminum in Auto-motive Space Framesrdquo SAE
950721 1995
[6] V Lakshminrayan H Wang W J Willams Y Harajli ldquoApplication of
CAE Nonlinear Crash Analysis to Aluminum Automotive Crashworthiness
Designrdquo SAE 951080 1995
[7] S J Heo H Y Kim ldquoDesign and Analysis of the Crash Energy Absorbing
Members for an Aluminum Intensive Vehiclerdquo Korea Automotive Technology
Institute pp 298-305 2001
[8] F -J Paefgen Dr ndashIng Ingoldtadt Dipl-Ing W Leigermann
Neckarsulm ldquoAudi Space Frame-ASF Ein neues PKW-Rohbaukonzert in
Aluminumrdquo BERICHTE NR 1134 1994
[9] W Leitermann J Christlein ldquoThe 2nd-Generation Audi Space Frame of
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
70
A2 A Trendsetting All-Aluminum Car Body Concept (Ⅰ) a Compact Class
Carrdquo Seoul 2000 FISITA World Automotive Congress F2000G360 2000
[10] K Tanable K Hashimoto M Tanaka ldquoDevelopment of the All-
Aluminum Light Body Structure for the Hybrid Electric Vehiclerdquo Seoul 2000
FISITA World Automotive Congress F2000G371 2000
[11] ldquoLS-DYNA Keyword Userrsquos Manual version 970rdquo Livermore Software
Technology Corporation 2003
[12] J G Thacker SW Reagan JA Pellettiere WD Pilkey JR Crandall E
M Sieveka ldquoExperiences during development of a dynamic crash response
automobile modelrdquo Finite Element Anal Des30 279-295 1998
[13] L Wang P K Basu J P Leiva ldquoAutomobile body reinforcement by
finite element optimizationrdquo Finite Element Anal Des40 879-893 2004
[14] Z Q Cheng J G Thacker WD Pilkey W T Hollowell SW Reagan E
M Sieveka ldquoExperience in reverse-engineering of a finite element automobile
crash modelrdquo Finite Element Anal Des37 843-860 2001
[15] B K Zuidema H Adam ldquoULSAB-Advanced Vehicle Concept-
SafetyCrashrdquo SAE 01-0638 2001
[16] K Mahadevan P Liang J R Fekete ldquoEffect of Strain Rate in Full
Vehicle Frontal Crash Analysisrdquo SAE 00-01-0625 2000
[17] H Y Kim J K Kim S J Heo H Kang ldquoDesign of the Impact Energy
Absorbing Members and Evaluation of the Crashworthiness for Aluminum
Intensive Vehiclerdquo Transactions of KSAE Vol 10 No 1 2002
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
71
[18] B Deep L Decker E Moss M P Kiley R Thomure J Turczynski
ldquo2006 Chevrolet Corvette Z06 Aluminum Space Framerdquo SEA 05-01-0465
2005
[19] J H Lee M H Rhee K S Shin ldquoMechanical Properties of Al
Honeycomb Panel 동차공 계 술 933912 1993
[20] 창 ldquo 미 돌 규 변경에
rdquo AKTC07 2007
[21] 상우 ldquoDFSS 루미늄 스 스 차체
통 계 연 rdquo 민 공 사 2005
[22] 재 상균 규 ldquo 동차 차량
시스 술개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp511-
516 2000
[23] 진 ldquo 루미늄 경량 차체 강 도 상에
연 rdquo 강원 원 사 2001
[24] 태원 원 ldquo경량 차체 개 동 rdquo 동차공
강도 강연 집 pp 128-137 1999
[25] 강 수 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅰ)rdquo 7 G7 차 동차 술 집 pp 367-373 1999
[26] 허신 동 강 식 rdquo고 SHPB 시험 에 AA
6061-T6 동 격특 에 연 계 계 술
집 pp 448~453 2002
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
72
[27] 강 ldquoAluminum Space Frame 경량 차체 개
(Ⅱ)rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp 279-283 2000
[28] 경돈 경훈 규 ldquoHydroforming 루미늄 차체
suspension 개 rdquo 8 G7 차 동차 술 집 pp
344-349 2000
[29] 태 변 ldquo 루미늄 스 스 경량차체
계rdquo 동차공 강도 술강연 집 pp 112-119
1999
[30] 병동 허승진 진 헌 진 강 ldquo 루미
늄 경량차체 격에 지 수 재 계 rdquo 동차공
계 술 032266 2000
[31] 민 ldquo 동차 고 강 재 동
격 강도에 연 rdquo 동차공 계 술
97380301 1997
[32] 통 공단 동차 능연 건 통 ldquoKOREA NCAP
2006 신차 도평가rdquo 2007
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최
73
감사
어느 2 년 란 시간 흘러 졸업 시 가 다가 고 제 논문 마 막
미고 습니다 다 고 짧다 짧 사 간 동안 많 것 웠습니다
많 족 저를 끌어주신 든 들께 감사 말씀 전 니다
저 2 년 동안 주신 조종 수님과 논문 를 주신 창 수
님 규 수님께 감사드립니다 그 같 연 실에 동고동락
냈 님들 감사를 리 씩 니다 삶 표본
아 맨 주 카리스마 앞 시게 주 정신적
주 수님 었 창 든 것 께 상 복
종 토 짱 논문제조 흥식 듬 동 산
가 힘 었 철 제는 사 어 안 좋 (^^)
강 스마트 가 농 는 말 안듣는 (ㅋㅋ) 생 거 빼고
는 히드 알고보니 사 푸어네시 야히야 컴퓨터 사 민
아 빼고 다 고마 미안 많 챙겨주
미안 정언 나 문에 문제 었 (^^) 문 그 또
님들 생산 술 연 상 2 년 내내 주신 미 씨 시절 많
가르침 주신 수님 만근 수님 신동 수님 수님
카티아 생 동 표 동 창 너무 많아 다 헤아릴
수 없는 것 아쉬 름 니다 든 들께 고마 마 전 니다
2 년여 사생 마치고 제 새 스를 시 니다 앞
없는 습 보여드리 최 다 겠습니다
마 막 사랑 는 가족 아 어 니 동생에게 그리고 날 내 아내가
사랑스런 에게 감사를 드리 논문 칩니다
2007 년 마 막 날
최