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ISSN : 1598-6721(Print)
ISSN : 2288-0771(Online)
The Korean Society of Manufacturing Process Engineers Vol.19 No.6 pp.80-87
DOI : https://doi.org/10.14775/ksmpe.2020.19.06.080

Design Improvement of Composite Door Section Impact Beam by Three-Point Bending Analysis

Jung-Chan Ha*, Sung Ha Oh**, In-Seok Baek***, Seok-Soon Lee***#
*School of Convergence Mechanical Engineering, Gyeongsang National University
**Maxoft Inc.
***School of Mechanical and Aerospace Engineering,ERI, Gyeongsang National University
Corresponding Author : leess@gnu.ac.kr Tel: +82-55-772-1622, Fax: +82-55-772-1577
25/03/2020 10/04/2020 21/05/2020

Abstract


The currently observed trend in car manufacturing is to increase energy-efficiency by producing lighter cars. This study examines the replacement of particular parts, specifically around the impact beam, with material composites 30% lighter than conventional steel currently used. The shape of the impact beam was determined as the trapezoidal cross-sectional area with central reinforcement, using three-point bending analysis. A prototype was fabricated based on the findings of our study and its performance was evaluated by the three-point bending analysis; 2 ply of aramid applied for its displacement. The performance of the final prototype for the door assembly was evaluated using a side-door strength test, which resulted to measured initial strength of 10.5 KN and intermediate strength of 15.6 KN. This research provides a promising solution for better impact beam manufacturing.



3점 굽힘 하중 해석을 통한 복합재 도어 임팩트 빔 단면형상 설계개선

하 중찬*, 오 성하**, 백 인석***, 이 석순***#
*경상대학교 대학원 융합기계공학과
**맥소프트(주)
***경상대학교 대학원 기계항공공학부, ERI

초록


    Ministry of Trade, Industry and Energy
    10081340

    © 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

    전기자동차의 연비효율 향상을 위해 차체중량 절 감이 이슈화 되고 있으며, 도어 부품은 다른 부품 에 비해 소재와 디자인 변경이 용이하여 경량화 및 성능향상 기술이 우선 적용되는 부품이다[1]. 측면 도어 임팩트 빔(side door impact beam)은 도어 내부 의 이너판넬(inner panel)에 조립되어, 측면 충돌 시 발생되는 충격을 감쇠시켜 탑승객을 보호하는 역할 을 한다[2]. 임팩트 빔은 강성(stiffness)과 충격흡수 능력이 우수해야 하고, 북미 측면충돌법규 FMVSS 214D, NHTSA와 유럽의 ECE규격을 만족해야한다[3]. 현재 가장 많이 사용되는 임팩트 빔은 Fig. 1과 같 이 강철 파이프 양쪽 끝단에 브래킷(bracket)을 스팟 (spot)용접하는 구조이다. 강철 빔은 프레스에 의한 핫 스탬핑(hot-stamping)공법 또는 롤-포밍(roll-foaming) 공법으로 제작되고, 열처리 공정을 지나면서 강도 가 향상된다[4]. 최근 기술개발동향은 안전성과 경량 화를 향상시키기 위해 고장력강으로 대체하는 추세 이나, 경량화율은 높지않다[5]. 이를 해결하기 위해 임팩트 빔을 복합소재로 변경하는 연구가 활발히 진행 되었다. 강철(steel)과 알루미늄 빔에 복합재를 함께 적용하여, 굽힘강도 성능을 평가하였다. 굽힘 성능 향상과 경량화의 가능성을 확인하였다[6,7]. 그 리고, 복합소재만을 적용하여 단면형상과 적층패턴 최적화를 통해서 강철 빔의 대체 가능성을 연구 하 였다[8].

    본 연구에서는 Glass fabric 2224(한국신소재)와 에폭시 수지로 프리프레그(prepreg)라는 시트형태 로 소재를 제작하였다. GEP-2224소재는 경사와 위 사의 밀도비율이 50:26이고, 밀도가 높은 경사방 향이 빔의 길이방향(0°)으로 적층하였다. 유한요소 해석(Finite Element Analysis, FEA)을 통해 사각형 과 사다리꼴단면에 대해서 3점 굽힘 해석으로 강 성, 강도, 변위를 비교하여 최적의 단면형상을 도 출하였다. 기존 양산제품인 강철 임팩트 빔과 도 출된 단면형상으로 제작된 복합재 빔을 3점 굽힘 시험을 통해 최적형상과 적층패턴을 선정하였다. 도어 정적충돌 성능시험으로 강철과 복합재 도어 조립체를 비교 평가하였다.

    2. 복합재 빔 형상 최적 설계

    2.1 복합재 빔 최적설계 및 해석조건

    강철 임팩트 빔을 복합소재로 대체하기 위해 중 량을 30%이상 감소시킬수 있는 형상 최적화을 도 출하고자 한다. Lee [1]가 연구한 복합재 임팩트 빔 단면 결정 해석결과를 활용하여, 단면 2차 모멘트 가 높은 사각단면과 사다리꼴단면으로 개념설계 하 였다. 빔의 최종 형상은 자동차 업체의 도어 데이 터를 활용하여 다른 부품과의 간섭이 발생하지 않 도록 설계하였다.

    3점 굽힘 해석으로 복합재 빔의 중심부 강성을 분석하고, 최종 단면형상을 결정하였다. 해석조건은 Fig. 2와 같이 펀치와 지지대 사이의 거리를 470 mm, 펀치와 지지대의 반지름은 152.5 mm, 12.7 mm 로 적용하였다. 강철 소재는 국내의 ㈜포스코에서 양산되는 후열처리강(Post Heat Treatment Steel)인 오토빔(Autobeam)을 사용하였다. 복합소재는 GEP-2224로 평판시편 제작하고, 인장, 굴곡 및 전 단시험을 만능시험기 INSTRON-5982(10ton)모델을 사용하여 물성평가 하였다. Table 1은 복합재 구조 물의 재질특성 최적화에 사용되는 ASC/MCQ Composites을 활용해서 ply를 구성하는 섬유와 수지 의 기계적 성질들을 시험 값과 근사하게 나타냈다.

    2.2 단면형상의 해석 및 결과

    본 연구에서는 Table 2의 A, B, C 단면에 대해서 3점 굽힘 구조해석을 수행하였다. 최적설계를 위해 모델링은 CATIA V5 R20을 사용하였고, 해석은 상 용 프로그램인 HyperMesh와 Abaqus/Standard을 사용 하였다. 단면형상은 기존 강철 타원(ellipse)형과 복 합재 사각(square)형, 사디리꼴(trapezoid)형상으로 하 였다. 복합재 단면 면적은 4.6ℯ-4 m2, 소재적층은 18 ply, 중량은 988 g/m가 되도록 하였다. 해석 결 과는 Fig. 3에 나타난 바와 같이 부품의 중앙부에서 응력이 집중되고, 국부함몰이 발생하였다. Fig. 4는 빔의 반력-변위 그래프를 나타냈으며, 강철 타원형 (A) 기준 대비 사다리꼴단면(C)이 우수한 강성을 나타냈다. 최적화 설계를 위해서 양쪽 끝단의 두께 를 낮추고, 응력이 집중적으로 발생하는 중앙부 두 께를 증가하는 것이 중량 절감에 유리하다고 판단 하였다.

    2.3 복합재 빔 해석 및 결과

    단면형상에 대한 해석결과를 반영하여 사각 단면 과 사다리꼴 단면에 대해서 중량을 절감시키는 방 안으로 추가 해석하였다. Table 3의 그림처럼 빔의 전체 영역을 12 ply로 적용하고, 빔의 중앙부는 300 mm구간에 6 ply를 추가 적층하였다. 추가로 C-2는 빔의 내부 중앙에 4 mm 리브(rib)를 보강하여 3점 굽힘 해석을 수행하였다. Fig. 5는 C-2모델의 응력 분포를 나타냈으며, 중심부 보강 리브로 인해 빔 하단부에도 응력이 전달되는 것을 확인하였다. Fig. 6은 3가지 모델에 대한 반력-변위 그래프를 나타냈 으며, B-1, C-1은 B, C의 강성과 유사하게 나타났 다. C-2는 B-1, C-1보다 강성이 향상된 결과를 확인 하였다.

    3. 복합재 빔의 3점 굽힘시험

    3.1 복합재 빔 제작 및 시험 조건

    복합재 빔 성형은 PCM(Prepreg Compression Molding)공법을 적용하였으며, 짧은 성형시간으로 대량생산이 가능한 공법이다. 성형용 금형은 PCM 성형 시 전체 면적에 압력이 균일하게 가해지도록 제작하였다. 사각단면형상은 상형(cavity)이 닫히면 서 양쪽 측면 슬라이드 코어(slide core)가 작동하면 서 측면이 가압 되도록 하였다. 사다리꼴 단면형상 은 길이가 짧은 변이 아래쪽으로 향하게 해서, 슬 라이드 코어가 없이 양쪽 측면이 가압 되도록 하였 다. 소재가 적층되는 멘드릴은 이형처리를 한 후, GEP-2224소재를 돌려가면서 적층을 하였다. 적층 완료 후 150 ℃로 가열된 프레스 금형에 투입 및 가압하여 30분간 성형을 하였다. 냉각공정을 거친 후, 멘드릴과 제품을 분리시키고, 길이는 600 mm로 커팅장비를 사용하여 절단하였다.

    3점 굽힘시험은 유한요소해석 결과와의 연관성을 확인하기 위해서 해석조건과 동일한 ASTM D790 시험 기준에 맞춰 시험하였다. Fig. 7은 만능시험기 (INSTRON-5982)에서 굽힘시험용 지그(jig)를 장착하 여 시험하였다. 지그는 반지름 12.7 mm인 강체 롤 2개를 470 mm 간격으로 고정시키고, 반지름 152.5 mm인 펀치를 수직 이동시키면서 굽힘시험을 진행 하였다. 시험결과에서는 파손 시 최대하중과 변위 그래프를 비교 평가하였다.

    3.2 소재별 3점 굽힘시험 결과

    유리섬유 에폭시 프리프레그에서 주로 많이 사용 하는 소재 3가지에 대해서 비교 평가하였다.

    GEP-2224, GEP-580소재는 직물을 구매해서 에폭시 수지로 코팅하였으며, GEP-7781(BMS-79)소재는 코 팅 된 수입소재를 사용하였다. 단면형상은 사각 단 면(B)으로 시제품을 제작하였다. 3점 굽힘시험결과 는 Table 4에 나타냈으며, GEP-2224소재가 21.1 kN 으로 가장 높은 강도와 강성을 나타냈다. GEP-7781 은 17.7 kN, GEP-580은 15.1 kN으로 순으로 강도를 나타냈다. Fig. 8에서 강철과 복합재의 하중-변위 그 래프를 나타냈으며, GEP-2224가 강성과 강도가 가 장 높게 나타났다. GEP-2224소재는 다른 소재에 비 해서 길이방향(0°)의 섬유가 더 많아서 강성이 높았 다. 그리고, GEP-580(8 ply)과 GEP-7781(18 ply)에서 는 얇은 소재를 여러장 적층한 GEP-7781이 더 우 수한 결과를 나타냈다. 복합재는 변위 15~20 mm 부근에서 모두 파손이 발생하였다.

    3.3 단면형상 별 3점 굽힘시험 결과

    Table 3의 형상을 해석한 모델로 동일하게 제작 하여, 3점 굽힘시험을 하였다. 무게 절감을 위해서 전 구간 18 ply 적층하는 것을 B-1, C-1 그림처럼 몸통부 12 ply, 중앙부 300 mm 구간에 6 ply 적층 하였다. 소재별 3점 굽힘시험에서 가장 우수한 GEP-2224소재를 적용하였다. C-2모델은 C-1모델에 추가로 내부 중앙 300 mm 구간에 리브 4 mm를 추 가하였다. Table 5에서 복합재 빔의 최대 하중과 변 위를 나타냈고, B-1, C-1모델의 최대하중은 강철 대 비 95%수준으로 나타났으며, C-2는 110% 수준의 결과를 나타냈다. Fig. 9에서 C-2는 강철과 유사한 강성을 나타내고 있으며, 변위도 B-1, C-1보다 6.0 mm 이상 증가하였다. 그러나 파손발생 후 급격히 하중이 떨어지는 현상은 B-1, C-1, C-2 모두 동일하 게 발생하였다.

    3.4 적층 패턴별 3점 굽힘시험 결과

    복합재 빔의 변위를 증가시키고, 파손 발생 시 하중이 급격히 떨어지는 것을 보완하기 위해 적층 패턴을 연구하였다. 단면형상 별 시험결과에서 가 장 우수한 C-2 구조에 Table 6과 같이 적층 패턴별 로 시제품을 제작하였다. 변위를 늘리기 위해서 빔 의 외부 중앙부 300 mm 구간에 추가로 소재를 적 층하였다. #1 모델은 중앙부에 GEP-2224 [0/90]2를 보강, #2 모델은 아라미드 [0/90]2를 보강, #3 모델 은 아라미드 [±45]2 를 보강하였다. #2 모델이 최대 하중 26.8 kN과 변위 23.2 mm로 가장 우수한 결과 를 나타냈다. Fig. 10은 하중-변위결과 그래프로 나 타냈으며, #1, #3 적층조건에 비해서 #2 적층조건이 강도와 변위에서 향상되었다. 파손이 된 후 하중이 서서히 떨어지고, 최소 하중이 3kN에서 7 kN수준 으로 향상되었다. 외부에 보강한 아라미드가 강도 와 변위를 향상시키는 결과를 나타냈다.

    4. 도어 정적충돌시험

    4.1 도어 조립체 제작 및 시험 조건

    옆문 강도 성능파악을 위해서 강철 도어와 복합 재 도어를 제작하였다. 3.4의 시험결과에서 가장 우 수한 성능을 나타낸 사다리꼴 형상에 외부 중앙에 아라미드 [0/90]2를 보강하고, 내부 중앙에는 4 mm 리브를 보강한 임팩트 빔을 제작하였다. 복합재 빔 양쪽 끝단에 조립되는 브래킷은 기존 강철 브래킷 에서 빔과 조립되는 부분의 형상만 변경하여 적용 하였다. 복합재 빔과 브래킷은 M6 볼트를 3곳에 체 결하였다. Fig. 11과 같이 복합재 임팩트 빔과 도어 판넬은 양산공정과 동일하게 스팟용접으로 조립하 고, 도어 전체를 전착 도장으로 마무리 하였다. 도 어 내부의 부품들은 조립하지 않은 상태로 테스트 를 하였다.

    도어 임팩트 빔의 적합성 시험은 북미법규인 FMVSS 214 옆문 정적충돌시험을 이용하여 규정한 굽힘 저항력을 만족하는지 검증한다. Fig. 12와 같 이 직경 304 mm 원통형 강체인 펀치로 차량 도어 를 차체의 횡방향으로 460 mm까지 가압한다. 이때 펀치에 발생하는 반력을 측정한다. 초기충돌저항은 152.4 mm(6 inch)까지의 변위 별 평균반력이 10 kN, 중기충돌저항은 304.8 mm(12inch)까지 15.5 kN 이 상이 법규 만족치다. 그리고, 460 mm 내에서 최대 반력이 31 kN 이상이 되어야 한다.

    4.2 도어 조립체 정적충돌시험 결과

    기존 강철 임팩트 빔과 복합재 빔의 성능비교를 위해서 옆문 정적충돌시험으로 비교하였다. 초기충 돌저항(initial)과 중기충돌저항(intermediate)은 반력- 변위선도가 이루는 삼각형의 면적이 평균반력 법규 치이며, 반력-변위 선도 그래프에서의 삼각형 면적 이 넘어야 법규만족이 된다. 앞문 초기충돌저항과 중기충돌저항 성능을 Table 7에서 비교하였으며, 강 철과 복합재의 결과 모두 법규 목표치에 만족하였 다. 초기충돌저항은 복합재 빔이 1.5% 더 높았으며, 중기충돌저항은 강철이 17.5% 더 높게 나타났다. Fig. 13에서 임팩트 빔의 변위별 반력선도를 나타냈 으며, 시험 중 320~360 mm 부근에서 도어의 스트 라이크가 빠지면서 하중이 급격히 떨어져 460 mm 까지 가압을 하지 못했다. 두 결과 그래프에서 135 mm까지는 복합재 빔이 강성이 높아서 유리하 나, 이후부터는 복합재 빔 파손 후 반력이 급격히 감소하여 낮아지는 것을 알 수 있다. 옆문강도의 가장 중요한 평가인자 중 하나인 초기충돌저항은 복합재가 다소 유리한 경향이 보였다. 그리고 150 mm 이후에는 도어의 이너판넬과 외부 판넬이 함께 저항을 받으면서 변형이 발생하였다. 최적의 복합 재 빔 도어 조립체는 현재 양산되고 있는 강철 빔 도어 조립체와 동등한 수준의 옆문강도 성능을 보 였으며, 대당 30%이상의 중량절감이 가능하였다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 차체 경량화를 하기위해 도어 임 팩트 빔을 복합소재 빔으로 대체하기 위해 연구하 였다. PCM공법으로 성형 가능한 형상을 제안하고 수치해석결과를 이용하여 최적형상을 선정하였고, 3점 굽힘과 도어 정적충돌 시험을 하였다. 그 결과 를 정리하면 다음과 같다.

    1. 강철 빔을 복합재 빔으로 대체하기 위해서 강철 빔의 강성과 유사하게 사각형과 사다리꼴단면 2 차 모멘트를 선정하였다. 그리고 3점 굽힘해석을 통해서 검증을 하였으며, 그 결과 반영하여 강성 이 우수한 “사다리꼴”형상으로 선정하였다.

    2. 사각형과 사다리꼴단면형상에서 양쪽 끝단의 두 께를 낮추고, 외부 중앙부 보강을 통한 초기 강 도와 변위가 동일함을 검증하였다. 그리고 내부 에 두께 4 mm 보강 리브를 보강 시에는 하중이 17%, 변위는 30% 향상되었다.

    3. 복합재의 단점 중에서 파손이 발생하면 하중이 급격히 떨어진다. 이러한 현상을 보완하고, 파손 되는 변위량을 향상시키는 연구를 한 결과, 외부 중앙부에 아라미드를 추가 보강으로 향상되는 것을 확인하였다. 그리고 아라미드를 [±45]2로 적 층하는 것보다 [0/90]2로 적층하는 것이 하중은 5%, 변위는 8%가 향상되는 결과를 나타냈다.

    4. PCM공법으로 제작한 유리섬유 복합재 임팩트 빔에 대한 옆문강도성능을 평가한 결과 초기충 돌저항(152.4 mm)은 105%(10.5 kN), 중기충돌저 항(305.8 mm)은 100%(15.6 kN) 나왔으며, FMVSS 214에서 요구하는 조건을 모두 만족하였 다.

    5. 결론적으로 단면 최적화된 복합재 도어 빔을 적 용하여 강도와 충돌성능을 만족하였으며, 대당 30%이상의 경량화 효과를 얻을 수 있었다. 그렇 지만, 경제성 부분에서는 재료비 증가, 볼팅공정 추가로 인한 가격상승이 예측되며, Steel 대비 시 험횟수가 적어 다양한 상황에 대한 Data가 확보 가 필요하다.

    후 기

    “이 논문은 산업통상자원부의 산업기술혁신산업이 지원하는 연구과제(10081340)로 수행 되었음.”

    Figure

    KSMPE-19-6-80_F1.gif
    Shape and mounting configuration of the side-door impact beams
    KSMPE-19-6-80_F2.gif
    Boundary conditions of static structural
    KSMPE-19-6-80_F3.gif
    Numerical results for three point-bending of composite impact beams(B)
    KSMPE-19-6-80_F4.gif
    Reaction forces divided by cross-section area of impact beams from numerical analysis
    KSMPE-19-6-80_F5.gif
    Numerical results for three point bending of composite impact beams(C-2)
    KSMPE-19-6-80_F6.gif
    Reaction forces divided by cross-section area of composite beams from numerical analysis
    KSMPE-19-6-80_F7.gif
    Jig for the three-point static bending test
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    Load-deflection curves from the static bending test by type of composite material
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    Load-deflection curves from the static bending test by cross-sectional shapes
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    Load-deflection curves from the static bending test of the impact beams
    KSMPE-19-6-80_F11.gif
    Shape of front door assembly with composite type impact beam
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    Static bending test of an impact beam mounted on the side-door of a passenger car
    KSMPE-19-6-80_F13.gif
    Load-displacement curves from the static bending test of the front side-door

    Table

    Properties of the high strength steel and the glass-fiber epoxy composites
    Cross-section of steel and composite beam
    Cross-sectional shapes for the composite impact beam
    Static bending load result of the impact beams with type of glass epoxy prepreg
    Static bending load result of the type cross-sectional shapes
    Static bending load results of the composite beam with respect to stacking patten
    Static bending test results for the front door assembly

    Reference

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