차량 안전 시험 대응을 고려한 차체 초기 설계 단계의 구조 단순화 해석적 모델 개발 = Development of a Simplified Analytic Model for Vehicle Body Structure in Concept Design Phase Considering Safety Test Requirements

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

With the rapid advancement of future mobility technologies, the emergence and widespread adoption of PBVs (Purpose Built Vehicle), SDVs (Software Defined Vehicles), electric vehicles, and autonomous vehicles are prompting in vehicle body structure design. Electric vehicles require lightweight and high-stiffness structural solutions due to increased vehicle mass from battery integration and the consolidation of underbody components. SDVs also demand platform flexibility and structural integration, thereby shifting the conventional design approach away from that of internal combustion engine (ICE) vehicles. Furthermore, the continuous reinforcement of global vehicle safety regulations, such as Euro NCAP and IIHS standards, has increased the importance of rapid and proactive structural evaluation at the concept-phase design. However, traditional finite element analysis (FEA)-based development processes involve significant time and cost for CAD modeling, preprocessing, and simulation setup, limiting their efficiency in concept-phase design reviews. To address these challenges, this study proposes a simplified analytic model that reflects vehicle safety test conditions by representing the side frame structure as a 2D frame model based on 1D beam elements. The model calculates cross-sectional properties based on actual vehicle geometry and material properties, enabling quick prediction of structural responses. Through comparative validation against multi-level FEA results, the proposed model demonstrates consistency and applicability, suggesting its potential as an effective tool for automating structural design and improving review efficiency in the concept-phase of vehicle body development.

국문 초록 (Abstract)

미래 모빌리티의 급속한 발전과 함께, PBV(Purpose Built Vehicle), SDV(Software Defined Vehicle), 전기차, 자율주행차 등의 등장과 보편화는 차체 구조 설계에 있어 새로운 패러다임을 요구하고 있다. 특히 전기차는 배터리 탑재에 따른 차량 질량 증가와 하부 구조의 통합화로 인해 가벼우면서도 고강성을 갖춘 구조가 요구된다. SDV 역시 플랫폼 유연성과 구조 일체화 필요성이 강조되면서 기존 내연기관 차량 중심의 전통적 설계 방식에서 벗어난 새로운 구조 설계가 필요해지고 있다. 이와 더불어 Euro NCAP, IIHS 등 글로벌 차량 안전 시험 기준이 지속적으로 강화됨에 따라, 이러한 흐름에 신속하고 선제적으로 대응하기 위해 설계 초기 단계의 중요성이 더욱 부각되고 있다. 그러나 기존 유한요소해석 기반의 차체 개발 프로세스는 CAD 모델링 및 전처리, 해석 시간에 많은 시간과 비용이 요구되어, 빠른 구조 검토에는 한계가 존재한다. 이에 본 연구에서는 차체 안전 시험 조건을 반영하여, 사이드 프레임 구조를 1D Beam 요소 기반의 2차원 프레임 구조로 단순화한 해석적 모델(Analytic Model)을 제안하였다. 해당 모델은 실제 차량 단면 형상과 재료 물성치를 바탕으로 단면 특성치를 계산하고, 구조 응답을 신속하게 예측할 수 있도록 구성되었다. 다양한 수준의 유한요소해석 결과와의 비교·검증을 통해 본 모델의 정합성과 활용 가능성을 확인하였으며, 향후 차체 구조 설계 자동화와 검토 효율성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 4
• 1.3 연구 내용 6
• 2. 차체 사이드 레이아웃 단순화 Analytic 모델 7
• 2.1 차체 구조 단순화 모델 연구 동향 8
• 2.2 주요 설계 관심부 해석을 위한 Analytic 구조 9
• 2.3 차체 단면 특성 계산 이론 10
• 2.3.1 차량 필러 단면 형상 Segment 요소 분할 전략 10
• 2.3.2 임의 형상을 갖는 합성 단면의 Centroid 11
• 2.3.3 임의 형상을 갖는 합성 단면의 단면 관성 모멘트 및 등가 탄성 계수 12
• 2.3.4 단면의 탄-소성 상태 판별 14
• 2.4 프로그램 해석적 모델 이론 구성 17
• 2.4.1 프레임 구조물 방정식 및 해석 17
• 2.5 천정강도 시험을 고려한 해석 방법론 구축 20
• 2.5.1 천정강도 시험의 배경 20
• 2.5.2 천정강도 시험을 고려한 Analytic 모델의 하중 및 경계 조건 정의 22
• 3. FE 모델을 통한 Analytic 모델 비교 분석 25
• 3.1 단순화 프레임 모델 (1D Beam) 25
• 3.2 단순화 프레임 모델 (2D Shell) 36
• 3.3 실제 차체 Geometry 기반 사이드 프레임 모델 46
• 3.4 실제 차체 BIW 기반 천정강도 시험 FE 모델 53
• 4. 결 론 60
• Appendix 64
• Reference 74
• Abstract 77