차세대 모빌리티 시스템 안전성 증대를 위한 충격 흡수 구조 설계 = Design of Crash Energy Absorbing Structures for Enhancing the Safety of Advanced Mobility Systems

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 차세대 모빌리티 시스템의 충돌 안전성 향상을 목표로 다양한 충격 환경에서 에너지를 효과적으로 저감할 수 있는 충격 흡수 구조체를 설계하고, 해석 및 실험을 통해 성능을 정량적으로 검증하였다. 차세대 모빌리티 시스템의 동력장치로 사용되는 이차전지 팩과 충격을 흡수하는 Crash box의 충격 흡수 성능 증대를 위한 설계를 하였으며 실제 충격 상황을 모사한 유한요소해석 및 낙하실험을 수행하였다.
먼저, 이차전지 팩의 외부에서 가해지는 충격으로 인한 파손이나 폭발을 방지하기 위한 구조적 설계를 진행하였다. 설계는 이차전지 팩 내부에 있는 부품 중 하나인 스페이서에 대한 형상 설계를 통해 충격이 발생했을 때 변형 메커니즘을 통해 충격을 흡수하는 것을 목적으로 하였다. 국가기술표준원 리튬이차전지 안전 기준에 따라 낙하 실험을 진행하였으며, 배터리 셀에 가해지는 가속도를 측정하여 충격 흡수 성능을 평가하였다.
시험체 제작 과정에는 PLA 소재 기반 3D 프린팅 기술이 적용되었다. 충격 해석 정확도 향상을 위해 변형률 속도별 인장시험을 진행하여 재료로 사용된 PLA 소재의 고속 물성 모델인 Cowper-symonds model의 재료 상수를 추정하였다.
마지막으로 음의 포아송 비를 가지는 Auxetic 구조를 튜브형 충격 흡수 구조에 적용하였다. Auxetic 구조는 충격 시 높은 Peak force를 방지하고, 긴 변위를 가지는 것이 장점이다. 설계한 튜브형 Auxetic 구조는 준정적 압축 실험과 낙하충격 실험을 통해 충격 흡수 성능을 확인하였으며, 이를 유한요소해석 환경에서 구현하여 비교 검증하였다. 이러한 연구를 통해 차세대 모빌리티 시스템에 대한 충격 흡수 구조 설계 방향성을 제시하며, 3D 프린팅 기술을 기반으로 다양한 구조의 충격 흡수 구조의 충격 흡수 성능을 알아보고자 한다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 문헌 조사 2
• 1.2.1 모빌리티 시스템의 충격 상황 2
• 1.2.2 충격 흡수 성능 지표 3
• 1.2.3 충격 흡수 구조 5
• 1.3 연구 목적 9
• 제 2 장 이차전지 충격 흡수 구조체 적용 10
• 2.1 충격 실험 10
• 2.1.1 실험 대상 10
• 2.1.2 실험 구성 13
• 2.1.3 낙하충격시험 치구 모델링 및 제작 15
• 2.2 충격 흡수 구조체 설계 17
• 2.2.1 충격 시험기 실험 17
• 2.2.2 힘 측정 실험 20
• 2.2.3 충격 흡수 구조체 모델링 24
• 2.3 충격 흡수 구조체 유한요소 해석 25
• 2.3.1 충격 해석 모델링 25
• 2.3.2 충격 해석 결과 27
• 2.4 낙하충격 실험 30
• 2.4.1 충격 흡수 구조체 제작 30
• 2.4.2 가속도 측정 실험 결과 30
• 2.4.3 충격 흡수 성능 분석 31
• 제 3 장 PLA 소재 고속 물성 연구 33
• 3.1 Cowper-symonds 모델 33
• 3.2 PLA 소재 인장 시험 33
• 3.2.1 인장 시험기 규격 33
• 3.2.2 인장 시편 제작 34
• 3.2.3 인장 시험 과정 36
• 3.2.4 인장 시험 결과 38
• 3.3 유한요소 해석 물성 결정 39
• 제 4 장 Auxetic 구조체 설계 41
• 4.1 설계 목표 41
• 4.2 Auxetic 구조 41
• 4.2.1 Auxetic 구조 unit 41
• 4.2.2 2D 충격 흡수 구조 모델링 42
• 4.2.3 2D 준정적 해석 조건 43
• 4.2.4 2D 준정적 해석 결과 44
• 4.3 튜브형 Auxetic 구조체 설계 45
• 4.3.1 튜브형 Auxetic 구조 unit 45
• 4.3.2 튜브형 Auxetic 구조 규격 45
• 4.4 준정적 압축 실험 및 해석 47
• 4.4.1 실험 조건 47
• 4.4.2 준정적 압축 실험 48
• 4.4.3 준정적 압축 해석 49
• 4.4.4 변위-하중 그래프 비교 52
• 4.4.5 준정적 압축 해석 신뢰도 평가 52
• 4.5 낙하충격 실험 및 해석 54
• 4.5.1 실험 조건 54
• 4.5.2 충격 흡수 성능 계측장비 설계 54
• 4.5.3 낙하충격 실험 56
• 4.5.4 낙하충격 해석 58
• 4.5.5 낙하충격 시간-하중 그래프 비교 59
• 제 5 장 결론 61
• 참고 문헌 62
• Abstract 67