차체구조부재의 단면형상과 재질의 차가 압궤특성에 미치는 영향

Abstract

본 연구에서는 자동차의 측면부재에 대해 이중 모자 모양의 단면부재를 사용할 수 있다는 가정 하에 붕괴특성과 붕괴모드를 조사하기 위해 구조용강재 및 CFRP 측면부재를 설계 및 성형한 후 축방향붕괴시험을 수행하였다. 최적의 측면 구조 부재를 재료와 형태 변화에 따른 자동차 사용에 활용하기 위해 최적의 설계 데이터를 얻을 수 있었다. 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

1. 흡수에너지는 CFRP 부재의 경우 이중모자형 부재의 흡수에너지는 968J 로서 단일모자형 부재의 흡수에너지 680J 보다 약 42% 높게 나타났으며, 강부재의 경우 이중모자형 부재의 흡수에너지는 1,765J 로서 단일모자형 부재의 흡수에너지 1,056J 보다 약 67% 높게 나타났으며 CFRP 부재나 강부재 모두 이중 모자형 부재가 단일 모자형 부재 보다 크게 나타났다.

2. CFRP 부재의 최대 압궤하중은 단일 모자형 부재나 이중모자형 부재 모두 최대 압궤하중은 각각, 23,7 KN 및 24.9 KN 으로 거의 유사하게 나타났는데, 이는 압궤시 일정 공간은 원형대로 유지되지만 압궤되는 부분은 강에서와는 달리 순차적인 압궤가 아니라 취성재가 갖는 특성인 탄소섬유의 파단, 파쇄에 의한 붕괴 때문이라 생각된다. 그러나, 강재에서는 최대압궤하중은 이중모자형 부재에서는 58.6KN 으로 단일 모자형 부재의 43.5 KN 보다 약 34.7% 높게 나타났다

3. 단위 질량당 흡수에너지는 CFRP 부재의 경우 이중모자형부재의 단위질량당 흡수에너지는 32.81 [kJ/kg]로, 단일 모자형 부재의 단위 질량당 흡수에너지 22.67[kJ/kg] 보다 약 44.7% 높게 나타났으며, 강재 부재의 경우는 단일 모자형 부재의 단위 질량당 흡수에너지 6.87[kJ/kg] 보다는 약 4.8배, 이중 모자형 부재의 단위 질량당 흡수에너지 11.8[kJ/kg] 보다 약 2.8배 높았다. 이상으로부터 단위 질량당 흡수에너지는 이중 모자형 CFRP 부재가 가장 높았으며 단일 모자형 CFRP 부재. 이중모자형 CFRP 부재, 이중 모자형 강재 부재. 단일 모자형 강재 부재 순으로 낮게 나타났다. 결론적으로 자동차 경량화 설계의 관점에서 이중 모자형 CFRP 부재가 가장 우수함을 알 수 있었다.

4. CFRP/EPOXY 재 Single hat 단면 부재의 압궤형상을 살펴보면 평판부재는 적층각 150 를 따라 층간 크랙 과 층내 크랙이 함께 진전하면서 체널부재와 평판의 연결부가 편심으로 인해 바깥측으로 확장하는 splying mode 형상으로 압궤되었으며. 체널형의 부재는 적층각 150 를 따라 가로방향 전단과 라미나 굽힘모드가 조합된 형태로 압궤가 진행되었고, 체널부 모서리부 2곳과 체널부와 평판부재간 접합부는 섬유가 파단 되었 는데 이와 같은 섬유의 파단이 압궤시 상당한 에너지를 흡수한 것으로 사료된다.

5. CFRP/EPOXY 재 Double hat 단면 부재의 압궤형상을 살펴보면,single hat 부재에서와 유사하게 섬유 적층각 150 를 따라 가로방향전단과 라미나굽힘모드가 조합된 형태로 압궤되었으며 단면의 도심이 한 중앙에 있기 때문에 single hat 부재에서 나타났던 체널형 부재와 평판 부재간의 편심에 의한 플랜지 부분에서 찢겨짐 현상이 발생하지 않고 모서리 4 곳이 안정적으로 외부에너지를 흡수하면서 압궤되기 때문에 single hat형 부재보다 더많은 에너지를 흡수하는 것으로 사료된다. Single hat 단면 부재보다도 바깥방향으로 파단과 쐐기모양의 파편이 생기며 단부로부터 파편이 시편의 내외측으로 동시에 붕궤하는 fragmention mode 형상이 관찰되었다.

6. 냉간압연강재 Single hat 단면 부재 및 Double hat 단면 구조부재의 정적 압궤특성을 보면 모서리 수가 4개인 Double hat형 부재가 모서리 부가 2개인 Single hat 형 부재 보다 흡수에너지 Ea 은 67%, 평균압궤하중Pm 은 67%, 최대 압궤하중 Pmax 은 35%, 단위질량당 흡수에너지 Eam 은 71% 크게 나타남을 알 수 있다.

7. 모서리부가 2개인 Single hat 형 부재는 정적 압궤실험시 최초에 생긴 최대 피크하중 에 의해 최초의 접힘현상(주름)이 생기고 순차적으로 생긴 피크하중마다 연속적을 접힘이 생기는 규칙적 이고 안정적인 압궤모드가 나타났고, 축압축하중을 받을 경우 도심이 평판 쪽에 가깝기 때문에 편심하중을 받는 평판재는 시험편 내측으로 변형되며 평판재와 마주보는 체널형 부재는 시험편 외측으로 accordion mode로 차곡차곡 쌓이는 규칙적인 변형을 하면서 순차적으로 압궤되었다.

8. 모서리부가 4개인 Double hat 단면 부재는 2개의 체널형 부재와 평면부재로 되어있고 단면이 서로 대칭이고 도심이 한 중앙에 있어 모서리부가 2개인 Single hat 형 부재와 달리 축압축하중을 받을 경우 체널형 부재보다 양쪽이 점용접되어 있는 플랜지 부가 가장 큰 축압축하중을 받기 때문에 체널형 부재는 전후면 대칭으로 불안정한 대칭모드로 압궤되었다.

9. CFRP/EPOXY 재나 냉간압연강재 Single hat 단면 부재 및 Double hat 단면 부재의 정적 압궤형상과 충격압궤형상 모두 압궤형상은 유사한 형상이었으며, 더욱더 큰 충격에너지를 받으면 단지 충격파의 종파 및 전단파의 전파현상에 따른 반사파의 영향만이 추가될 것으로 생각된다. 따라서 충격압궤모드 해석은 정적압궤모드를 고려하여 해석하여도 무방 할 것 으로 사료된다. |In this study, an axial collapse test was performed after designing and molding structural steel and CFRP side members in order to examine collapse characteristics and collapse mode under the assumption that single and double hat-shaped section members could be used for the side members of an automobile. Optimal design data could be obtained in order to utilize optimal side structure members for use of automobiles according to changes in material and shape. As a result of the study, the following conclusions were obtained.

1. In terms of CFRP members, the absorbed energy of the double hat-shaped member was 968J, which was about 42% higher than that of the single hat-shaped member (680J). In terms of steel members, the absorbed energy of the double hat-shaped member was1,765J, about 67% higher than that of the single hat-shaped member(1,056J). Therefore, it was shown that the absorbed energy of the double hat-shaped member was larger than that of the single hat-shaped member for both CFRP and steel members.

2. In terms of the maximum collapse load of CFRP members,the maximum collapse loads of both single and double hat-shaped members showed similar results with 23.7 KN and 24.9 KN, respectively. Such things was caused by the fractures of the carbon fiber and the collapse of impactor, which is a characteristic of fragile materials, unlike the case in steel where certain areas maintain the original form while some areas collapse sequentially. However, in the case of steel, the maximum collapse load of the double hat-shaped member was 58.6 KN, which was about 34.7% higher than that of the single hat-shaped member (43.5 KN).

3. In terms of absorbed energy per unit mass of the CFRP members, the absorbed energy per unit mass of the double hat-shaped member was 32.81 [kJ/kg], which was about 44.7% higher than that of the single hat-shaped member (22.67 [kJ/kg]). The steel member was about 4.8 times higher than the absorbed energy per unit mass of the single hat-shaped member (6.87 [kJ/kg]) and about 2.8 times higher than that of the double hat-shaped member (11.8 [kJ/kg]). As above, the double hat-shaped CFRP member exhibited the highest absorbed energy per unit mass, which was low in the order of single hat-shaped CFRP member, double hat-shaped CFRP member, double hat-shaped steel member, and single hat-shaped steel member. In conclusion, the double hat-shaped CFRP member was the best in terms of automotive lightweight design. 4. In terms of the collapsed shape of the CFRP/EPOXY single hat-shaped section member, the plate member collapsed in a splaying mode shape extending outward due to the eccentricity of the connection between the channel member and the plate as the cracks in and between the layers advanced along the orientation angle of 150. The channel-shaped member collapsed in the form of a combination of transverse shear and lamina bending mode along the orientation angle of 150. In addition, the fiber fracture in the two corners of the channel and the joint between the channel and plate member absorbed a significant amount of energy during the collapse.

5. The CFRP/EPOXY double hat-shaped section member also collapsed in the form of a combination of transverse shear and lamina bending mode along the fiber orientation angle of 150, similar to the single hat-shaped member. In addition, there was no tear in the flange caused by the eccentricity between the channel-shaped member and plate member since the centroid of the section is at the center, and the double hat-shaped member absorbed more energy than the single hat-shaped member because the four corners collapse while absorbing external energy in a stable manner. Fractures and wedge-shaped fragments are produced more in the outward direction compared to the single hat-shaped member, and a fragmentation mode shape was observed in which the fragments collapse simultaneously from the end to the inside and outside of the specimen.

6. In terms of the static collapse characteristics of the cold rolled steel single hat-shaped section member and double hat-shaped section member, the double hat-shaped member with four corners showed 67% more absorbed energy (Ea), 67% more average collapse load (Pm), 35% more maximum collapse load (Pmax), and 71% more absorbed energy per unit mass (Eam) compared to the single hat-shaped member with two corners.

7. The single hat-shaped member with two corners showed a regular and stable collapse mode in which the first folding phenomenon (wrinkle) occurred due to the maximum peak load at the initial stage of the static collapse test and continuous folding occurred at every successive peak load. When the axial compressive load is applied, the flat plate subject to the eccentric load is deformed to the inside of the specimen because the centroid is near the flat plate, and the channel member facing the flat plate sequentially collapsed while regularly deforming into an accordion mode outside of the specimen.

8. The double hat-shaped section member with four corners consists of two channel-shaped members and a plane member, in which the sections are symmetrical with each other and the centroid is at the center. Therefore, when the axial compressive load is applied, unlike the single hat-shaped member with two corners, the channel member collapsed in an unstable symmetrical mode with a symmetrical front and rear since the flange, which is spot welded on both sides, receives the largest axial compressive load rather than the channel-shaped member.

9. The CFRP/EPOXY member, cold rolled steel single hat-shaped section member and double hat-shaped section member showed similar static collapse shapes and impact collapse shapes, and only the effect of reflected waves due to the propagation of shear waves and the longitudinal wave of shock waves is considered to be added when receiving even greater impact energy. Therefore, the impact collapse mode could be analyzed in consideration of the static collapse mode.