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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.2 pp.75-80
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.02.075

A Study on Composite Materials Frame of Electric Vehicles using Collision Analysis

Tae-Kyeong Ahn*, Young-Jin Lee*, Sang-Chan Lee*#
*Mechanical Engineering, Mokpo National University
Corresponding Author : sclee@mokpo.ac.kr Tel: +82-61-450-2410, Fax: +82-61-452-6376
05/12/2019 16/12/2019 22/12/2019

Abstract


In this study, we designed car frames for collision analysis using carbon fiber reinforced polymer (CFRP) as the lighter composite material. The collision conditions were 100 percent frontal collision, 40 percent frontal collision, and 90 degrees side collision. The collision analysis measured the maximum stress at velocities of 20km/h and 40km/h for each condition and evaluated the vulnerable points in the car frame. Additional supports have been designed both to improve the weak points in existing vehicle frames, and to be taken into account when new parts are assembled. Our collision analysis compared the results of maximum stress on the car frame with and without the support.



충돌해석을 이용한 전기자동차 복합소재 프레임 설계에 관한 연구

안 태경*, 이 영진*, 이 상찬*#
*목포대학교 기계공학과

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    20005680

    Korea Evaluation Institute of Industrial Technology, KEIT

    © The Korean Society of Manufacturing Process Engineers. All rights reserved.

    This is an Open-Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.

    1. 서 론

    국제 환경 규제 강화 대기오염과 에너지 자원의 가격 상승으로 자동차 소재 및 부품 개발 동기도 단순한 연비 향상뿐만 아니라 환경규제에 따른 경 쟁력 향상을 위한 새로운 기술개발이 자동차 산업 에서 절실히 요구된다. 자동차 경량화를 위한 소 재는 비철금속(Al, Mg), 고강성 플라스틱, 복합 소 재로 종류 및 수요가 확대될 것이며, 플라스틱 소 재의 기능성에 따른 다양한 소재 개발과 공정에 대한 비용절감이 큰 비중을 차지하고 있다. 그 중 탄소섬유 복합소재는 뛰어난 성형성과 고온에서의 높은 강도를 조합하여 설계한 고기능성 재료로 항 공기, 우주 왕복선 및 구조재 등에 핵심 재료로 이용되고 있다. 일반적으로 탄소섬유 복합소재는 보강재로 수지, 세라믹, 금속 등을 모재로 사용하 며, 탄소섬유강화플라스틱(CFRP : Carbon Fiber Reinforced Plastic), 탄소섬유강화세라믹(CFRC : Carbon Fiber Reinforced Ceramic), 탄소섬유강화금 속(CFRM : Carbon Fiber Reinforced Metal) 등이 있다. 탄소섬유는 철보다 약 75% 가볍고 강도와 탄성은 7~10배 우수한 특성을 지니고 있다. 따라 서 철을 대체할 수 있는 가장 이상적인 소재이다. 경량화를 선도하는 재료이기에 10%의 중량이 감 소되면 6~7%의 연료가 절감되는 효과가 있어 이 산화탄소 저감과 연비개선을 위한 경량화 목적으 로 적극 도입되고 있으며, 장기적으로 보았을 때 기존 철강, 알루미늄 시장을 대체할 것으로 예측 되어 공정에서의 가격경쟁력을 확보했을 때 가장 강력한 대체재로 예상된다[1,2].

    특히 자동차산업에서 경량화의 필요성은 오랜 시간 지속되어 온 화두이다. HEV, EV 등 친환경 차 시장도 점차 활발해지고 있는 상황이지만 소비 자들의 편의, 안전에 대한 요구가 높아지고, 친환 경 차량에 필요한 전용부품들 또한 기존 차량보다 중량을 증가시키는 요인으로 작용하고 있어 경량 화 범위가 기존보다 더욱 넓어질 것으로 예상된 다.

    본 연구에서는 탄소섬유강화플라스틱(CFRP : Carbon Fiber Reinforced Plastic) 소재를 바탕으로 유한요소프로그램을 이용한 충돌해석을 진행했다. 충돌해석은 충돌 속도, 방향, 범위 등을 설정하여 진행하였으며, 1차 해석결과에서 취약부를 확인하 고, 응력 분산을 위한 지지대를 추가로 설계하여 2차 해석을 진행, 1차 해석결과와 2차 해석결과를 비교하였다.

    2. 유한요소해석 모델 생성

    본 연구에서 유한요소프로그램인 Ansys-Ls Dyna에서 이용할 차량 프레임은 Fig. 1과 같이 전 장 3500mm, 전폭은 1400mm로 설계하였고, 단면 은 100mm*50mm*3.2t의 파이프 형태이며, 붉은색 으로 표시된 부분은 일부 조건에서 Steel과 CFRP 두 소재로 해석을 수행하고, 노란색으로 표시된 부분은 프레임이 연결되는 모서리 부분에 응력이 집중되는 것을 고려하여 설계하였다. 본 연구에서 사용할 재료인 CFRP의 물성치는 Table 1과 같다. 형상은 실제 차량에 쓰이는 전기차 프레임으로 배 터리 케이스, 하체 부품 등 다른 부품의 조립을 모두 고려하여 설계된 형상이다[3].

    3. 충돌해석 조건 및 결과

    3.1 충돌해석 조건

    충돌해석의 조건은 Fig. 1(a)와 Fig. 1(b)가 고정된 벽에 100% 정면충돌(Fig. 2), 40% 부분 정면 충돌(Fig. 3)과 254mm 기둥의 측면충돌(Fig. 4)로 설 정하고 각 조건별로 20km/h와 40km/h의 속도로 해 석을 수행하였다.

    3.2 고정 벽 정면충돌 결과

    지지대가 적용되지 않은 프레임의 Case 1의 경우 20km/h 속도로 충돌하였을 때, 확대된 부분의 최대 응력이 484.40 MPa로 측정되었고, 40km/h 속도로 충돌하였을 때 최대응력 800.10 MPa(Fig. 5)로 측정 되었다. 지지대가 적용된 프레임의 Case 1의 경우 20km/h에서 충돌하였을 때 최대응력은 465.52 MPa, 40km/h의 경우 최대응력은 766.64 MPa(Fig. 6)로 지 지대가 적용되지 않은 프레임의 충돌보다 최대응력 이 20km/h와 40km/h 모두에서 약 4% 감소하였다.

    3.3 고정 벽 40% 부분 정면충돌 결과

    지지대가 적용되지 않은 프레임의 Case 2의 경우 20km/h에서 최대응력 533.51 MPa, 40km/h 속도에서 1038.10 MPa(Fig. 7)로 측정되었다. 지지대가 적용된 프레임의 Case 2의 경우 20km/h에서 충돌하였을 때, 최대응력 451.87 MPa, 40km/h에서 최대응력은 918.56 MPa(Fig. 8)로 지지대가 적용되지 않은 프레 임의 충돌보다 최대응력이 20km/h에서 약 15%, 40km/h에서 약 12% 감소하였다.

    3.4 지름 254mm 기둥 측면충돌 결과

    지지대가 적용되지 않은 프레임의 Case 3의 경우 프레임은 고정된 상태에서 지름 254mm의 기둥이 지정된 속도로 충돌해석을 수행하였다. 충돌해석 결과 20km/h 속도에서 최대응력 464.53 MPa, 40km/h 속도에서 854.92 MPa(Fig. 9)로 측정되었다. 지지대가 적용된 프레임의 Case 3의 경우 충돌해석 결과 20km/h 속도에서 최대응력 229.50 MPa, 40km/h 속도에서 746.68 MPa(Fig. 10)로 측정되었 고, 지지대가 적용되지 않은 프레임의 충돌보다 최 대응력이 20km/h에서 약 50%, 40km/h에서 약 13% 감소하였다.

    3.5 결합부 소재별 최대응력 비교결과

    Fig. 11에서 붉은색으로 표시된 부분은 일반적으 로 차량의 하체 부품인 크로스 멤버가 결합되는 부 위로서 기존 Steel 소재로 해석한 결과와 CFRP 소 재를 적용한 결과 중, 가장 높은 응력이 측정된 Case 2의 40km/h 속도에서 해석을 수행하여 결과를 비교하였다. 해석결과 기존 Steel소재는 1038.1 MPa 이며, CFRP 소재를 적용하였을 때 991.79 MPa로 약 4.5% 감소하였고, Steel 소재 대비 중량은 약 2.5kg이 감소하였다.

    3.6 추가 지지대 설계 후 최대응력

    하체 부품들이 조립된 프레임을 보았을 때 추가 적인 지지대를 설계할 수 있는 범위를 파악, 추가 적인 지지대를 설계하였다. 추가된 지지대는 CFRP 소재로 Fig. 12에서 파란색으로 표시하였으며, 중량 은 약 3kg 증가하였다. 충돌해석은 각 조건에서 40km/h의 속도로 수행하였다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 전기 자동차 경량화에 필수적인 소재를 이용한 프레임의 충돌해석을 수행하고 결합 되는 부품들의 간섭을 고려하여 지지대를 설계하였 을 때의 충돌 최대응력을 측정하였다. 충돌해석 결 과 대부분의 실험에서 지지대를 설계하지 않은 프 레임의 최대응력보다 지지대를 추가한 프레임의 최대응력이 Case 1에서 약 4%, Case 2에서 약 12~15%, Case 3의 20km/h에서 약 50%, 40km/h에 서 약 13% 감소하였다. Case 1의 경우 속도 변화 에 따라 차이가 크지 않으며, Case 3의 경우 20km/h에서 지지대 유무에 따라 결과가 크게 차 이가 났고, 그 외의 실험에서는 약 12~15% 대로 일정하게 감소한 모습을 볼 수 있다. 추가로 지지 대를 설계한 Fig. 12의 경우 Table 2에서 보는 것 과 같이 Fig. 1(b)보다 Case 1에서 약 7%, Case 2에서 약 9% 감소하였고, Case 3에서는 약 3% 감소하였다. 충돌해석 결과를 보았을 때 프레임의 중량, 부품 조립, 지지대 제작 공정 등 여러 변수 를 고려하여 추가적으로 지지대를 설계하는 것이 프레임이 받는 응력을 분산시키는데 도움이 되는 것으로 파악되지만, Fig. 1(b)와 Fig. 12의 응력 감소폭과 추가되는 중량을 감안하였을 때, 경량화 에 비중이 더 높기 때문에 Fig. 1(b)를 선정하 였다.

    CFRP라는 경량화 소재를 적용하는 것은 현재 불 가피한 환경 규제 강화와 원가절감을 위한 공정 개 선, 소재 개발 기술력 향상으로 20세기 초반에 비 해 일반적으로 보급되어지는 차량에도 경량화 소재 가 많이 적용되는 추세이기 때문에 시간이 자남에 따라 더욱 활용범위가 넓어질 것으로 판단된다.

    후 기

    “이 연구는 2019년도 산업통상자원부 및 산업기술 평가관리원(KEIT) 연구비 지원에 의한 연구임 (‘20005680’)”

    Figure

    KSMPE-19-2-75_F1.gif
    Shape of car frame
    KSMPE-19-2-75_F2.gif
    A head-on collision on the fixed wall(Case 1)
    KSMPE-19-2-75_F3.gif
    40% collision on the fixed wall(Case 2)
    KSMPE-19-2-75_F4.gif
    Side collision by 254mm pole(Case 3)
    KSMPE-19-2-75_F5.gif
    Case 1 without support(40km/h)
    KSMPE-19-2-75_F6.gif
    Case 1 with support(40km/h)
    KSMPE-19-2-75_F7.gif
    Case 2 without support(40km/h)
    KSMPE-19-2-75_F8.gif
    Case 2 with support(40km/h)
    KSMPE-19-2-75_F9.gif
    Case 3 without support(40km/h)
    KSMPE-19-2-75_F10.gif
    Case 3 with support(40km/h)
    KSMPE-19-2-75_F11.gif
    Assembled car frame
    KSMPE-19-2-75_F12.gif
    Car frame with additional supports
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    Maximum stress at 20km/h
    KSMPE-19-2-75_F14.gif
    Maximum stress at 40km/h

    Table

    Material properties of CFRP
    Maximum stress of car frame with additional supports at 40km/h

    Reference

    1. Lee, Y. S., Shin, K. H., Cheong, S. K., Choi, U. J., Kim, Y. K., Park, K. R., & Kim, H. S. “Utilization of Finite Element Analysis in Design and Performance Evaluation of CFRP Bicycle Frames”, Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 37, No. 1, pp. 121-127, 2013.
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