3. 고함침(高含浸) 복합소재 특성 연구 55
3.4 결론
본 연구에서는 PA 수지에 유리섬유를 혼합하는 복합소재를 개발하는 연구를 수 행하였다. 복합소재는 PA 펠렛과 유리섬유 펠렛을 일정 비율로 혼합하여 사출성형 하는 방법과 유리섬유에 PA 수지가 포함된 일체형 펠렛을 만들어 사출성형 하는 방법이 있다. 최근에는 PA 수지가 포함된 유리섬유 복합소재 펠렛을 사용하는 추세 이며 본 연구에서도 복합소재 펠렛을 대상으로 연구하였다.
복합소재 펠렛은 유리섬유 펠렛에 PA 수지가 접합되는 성형으로 유리섬유에 PA 수지가 기공없이 밀착성이 높게 만들 수 있는가가 사출제품의 품질을 좌우하게 된 다. 따라서 본 연구에서는 유리섬유에 기계적 표면처리를 통해 PA 수지의 조밀하게 밀착성을 높이는 것과 화학적 접착제를 혼합하여 밀착성을 높이는 방법에 대해 연 구하였다. 또한 장 유리섬유를 PA 수지에 고함침 될 수 있는 제조공정 개발을 하였 으며 이를 통해 만들어진 장 유리섬유 복합소재에 대한 기계적 특성 및 고함침을 통한 밀착성을 높임으로써 변형 제어 등의 문제를 검증하였다.
1. 장 유리섬유 복합소재 개발을 위해 장 유리섬유에 PA 수지의 밀착성을 높이는 연구는 중요한 요소이다. 이를 위해 유리섬유에 기계적 표면처리를 통해 PA 수지 의 밀착성을 높이는 연구를 하였다. 먼저 전자빔을 이용한 유리섬유 표면처리 연 구를 하였으며, 이는 일정 이상의 전자빔 파워에서 유리섬유가 손상되는 현상이 발생하였다. 유리섬유가 손상되지 않은 범위에서는 친수성이 떨어지는 현상이 발 생하여 전자빔의 표면처리 방법은 유용한 방법이 아닌 것으로 나타났다.
2. 유리섬유 표면처리 중 대기압 상태에서 플라즈마를 이용한 표면처리 연구를 진 행 하였으며 이는 일정 범위의 조건에서 PA 수지의 밀착성을 높일 수 있는 특성 을 확인하였다. 이는 우수한 기계적 특성을 얻을 수 있으며, 또한 플라즈마 표면 처리 후 후처리 과정을 거치면 유리섬유 표면에 흡착되어 있는 불순물 제거에도 도움이 되는 것을 확인하였다.
3. 상용화제를 통한 유리섬유와 PA 수지와의 복합소재 내 최소 기공을 갖는 밀착성 높은 섬유를 개발 목표로 연구되었으며 상용화제에 의해 발생된 유리섬유 가닥들 이 함께 붙어 PA 수지의 밀착성을 저하하는 문제점을 해결하기 위해 섬유 풀림 장치 및 관련 구조 개선을 통해 상용화제에 의한 유리섬유와 PA 수지와의 최소 기공을 갖고 밀착성 높은 복합소재를 제시하였다.
4. 앞에서 연구된 복합소재를 이용하여 고함침 장섬유 복합소재를 연구하였으며 이는 고함량 장섬유 제조공정 연구와 이를 이용한 사출 성형 시 발생되는 문제를 개선하는 연구를 하였다. 고함침 장섬유 복합소재 적용 연구를 통해 사출성형 시
변형과 이종접합, 기계적 특성을 증가시키는 첨가제 함량 제어등의 연구로 개선된 고함침 장섬유 복합소재를 제시하였다.
5. 제시된 고함침 장섬유 복합소재에 대해 강화제 및 첨가제로 개질된 PA 수지의 점도 특성과 본 연구에서 제시된 복합소재에 대한 충격테스트, 굴곡테스트, 파단 면 분석을 통해 고함침 장섬유 복합소재를 제시하였으며, 최종적으로 유리섬유와 PA 수지와의 고기밀, 고밀착성을 높이기 위한 방법으로 화학적 첨가를 추천하고 자 한다.
제4장 하이브리드 카울 크로스멤버
해석 및 설계
4.1 서론
본 연구에서 개발하는 하이브리드 카울 크로스멤버는 칵핏(Cockpit) 또는 대쉬보 드(Dash-board)라고 불리는 자동차 부품을 지지하고, 이를 자동차 차체에 연결하여 다른 자동차 부품에 대한 구조적 지지대를 제공하면서 차량의 강성을 향상시키는 역할을 한다. 카울 크로스멤버의 주요 역할에 대한 몇 가지 포인트는 다음과 같다
[38]. 첫째, 카울 크로스멤버는 차체와 측면, 상단 및 하단의 접점을 통해 스티어링
칼럼(Steering Column)의 중량을 차체로 전달하는 하중경로이며 양 끝단 측면은 차 량의 차체에 연결된다. 둘째, 칵핏모듈의 골격 역할을 하며, 각종 부품조립을 통합 한다. 셋째, 자동차의 충돌 발생 시 카울 크로스멤버가 적절한 변형을 통해 탑승자 에게 충격을 최소화하기 위한 역할도 있다. 마지막으로 카울 크로스멤버는 자동차 차체 프레임의 주요한 부품으로 차체의 전반적인 강성과 자동차 차량의 주파수 응 답에 영향을 미치는 부위이다.
칵핏의 지지대 역할과 구조강성 확보, 그리고 차량의 주파수 응답을 고려할 때 카울 크로스멤버는 진동특성(Noise Vibration Harshness, NVH)을 고려하여 설계할 필 요가 있다. 또한 카울 크로스멤버는 자동차 차체의 공진을 피하기 위해 자동차를 운행중 일 때 자동차의 구조를 가진할 수 있는 엔진과 차체에 의한 공진을 고려하 여야 한다. 만약 이에 대한 설계를 고려하지 않을 경우 차량내 과도한 소음이 발생 할 뿐 아니라 기존의 칵핏모듈 설계에서 스티어링 칼럼과 브라켓 등을 통해 진동이 운전자에게 전달 될 수 있다. 따라서 공진을 회피하는 설계가 필요하며 이는 일반 적으로 완성차 단위에서 차량주행을 고려한 설계로 목표 주파수가 주어진다.
진동관점에서 카울 크로스멤버를 설계하기 위해서는 차량의 조립된 상태를 고려 하여 설계를 하여야 하는데 그러기 위해서는 차량 전체모델에 대한 유한요소 모델 링과 연결부위에 대한 연결 방법을 구현하여야 한다. 이러한 설계를 위해서는 많은 시간과 비용이 소요되고 기업간 설계보완 등의 문제로 전체모델을 유지하면서 최적 설계를 진행하기 쉽지 않다. 본 연구에서는 이러한 부품사와 완성차 부품사간의 설 계데이터 공유등의 문제와 최적설계에 따른 시간과 비용을 줄이기 위해 CBN(Craig
Bampton Nodal Method) 학습법에 기인한 서버모델(Sub Model)만으로 전체모델의 경
계조건을 표현할 수 있는 해석방법으로 연구를 수행하였다. CBN은 DMIG(Direct Model Input at Grid)를 활용하여 연결부(Connect Point)에 전체모델을 반영할 수 있 는 경계조건을 입력하여 단품만으로 전체모델 연결부를 고려한 해석을 수행할 수 있는 방법이다.
본 연구에서 하이브리드 카울 크로스멤버 설계는 유한요소해석을 통해 개발품을 최적화하고 이는 CBN 해석방법을 도입하여 실시하였다. 유한요소해석 결과를 통해 제품 설계를 완성하였으며 이를 진동해석을 통해 최종 설계모델을 증명하였고 본 연구의 제6장에서 시제품 제작과 함께 시험을 통한 제품설계를 완성하였다.
4.2 해석 방법
4.2.1 진동 위상최적화를 통한 개발품 경량화 해석
자동차 설계에서 최적화 설계란 주어진 제한조건에서 개발품의 성능을 극대화하 는 것을 말한다. 일반적으로 구조물의 주요한 성능 지수는 재료, 질량, 에너지 흡수 능력, 고유진동수, 응력 등이 있다. 자동차 부품의 구조최적설계는 최적화 이론을 설계에 적용한 개념이기 때문에 기본적으로 최적화 이론에서 사용하는 문제정식화 과정에 따라, 설계변수(Design Variable), 제약조건(Constraint), 목적함수(Objective
Function)에 따라 정의하여 진행한다. 최적설계는 설계변수의 종류에 따라 치수 최적
화(Size Optimization), 형상 최적설계(Shape Optimization) 및 물체의 구조를 최적화하 는 위상 최적설계(Topology Optimization)로 구분한다.
설계 목적 설계변수
치수 최적화
-물성으로 표현 가능한 값 -보의 단면/두께/질량/탄성계 수
형상 최적화
-기하형상과 관련된 변수
-구멍위치, 크기, 개수
위상
최적화 -형상밀도(재료 밀도)
표 4.1 최적설계 목적별 분류
위상 최적화 기법은 제품에 결정된 하중 및 경계조건에 대하여 주어진 설계 공간 내에서 목적하는 성능 지수를 만족하도록 소재의 레이아웃을 최적화하는 수학적 방 법이다. 엔지니어는 이를 통하여 설계 요구 조건에 부합하는 최적의 설계 컨셉 (Concept)을 확정한다.
그림 4.1 빔 구조물의 위상 최적화 프로세스 예
그림 4.2의 형상밀도는 재료가 공간상에 배치되는 것을 표현하기 위한 가상의 값 으로 재료가 배치되지 않아야 할 부분의 요소들은 밀도가 0 or 0, 재료를 배치해야 하는 부분은 1의 값을 가진다.
그림 4.2 형상밀도 개념
설계 변수의 변경을 통해 유효한 설계 안을 도출하는 경우, 가장 기본적으로 확 인하는 것이 바로 민감도이다. 민감도는 어떤 설계변수를 바꾸었을 때, 변화량에 대 해 목적함수에 대한 변화량을 의미한다. 즉, 민감도는 설계변수 변화에 대한 목적함 수의 변화율이며, 설계변수를 어떤 방향으로 변경할지 결정하는 기준이다. 민감도가 상대적으로 클수록 설계변수 변화는 상대적으로 크게 결정되지만, 절대적인 크기까 지 결정하지는 못하고 또, 민감도가 설계변수 변화에 따라서도 변하기 때문에, 여러 번의 반복과정을 수행해야만 최적의 값을 도출할 수 있다. 위상최적화에서도 민감 도를 기반으로 최적화를 진행하기 때문에 여러 번의 반복과정을 수행하여 최적의 레이아웃을 결정한다[39]. 위상최적화를 위한 종류에는 선형 정적 해석, 주파수 응 답해석, 모드해석 등의 방법이 있는데 이 중 진동해석의 모드해석을 기반으로 한 위상 최적화는 평균고유치를 최대로 하고, 부피 비를 최소로 하는 설계제약 조건을 따른다.