사출 성형 소재를 활용한 스틸 인서트 카울크로스멤버 구조 개발 연구

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 자동차 산업은 강화되고 있는 환경 규제 및 친환경 자동차 시대로의 전환이 이루어지고 있으며, 이에 따른 연비 개선, 이산화탄소 배출 저감 및 배터리팩으로 인한 전기차의 중량 증가 문제 등을 개선하기 위하여 자동차 중량 저감은 필수적인 해결 과제로 떠오르고 있다. 자동차의 여러 부품 중에서 칵핏 모듈을 지지하고 차체 강성에 크게 기여하는 핵심 부품인 카울크로스멤버는 경량화와 성능 향상을 동시에 달성해야 하는 주요 연구 대상이다.
기존의 카울크로스멤버는 여러 개의 강판을 프레스 가공 후 용접하여 조립하는 방식으로 제작된다. 이러한 제조 방식은 복잡한 공정, 중량 증가, 용접부의 열 영향부로 인한 구조적 취약 등의 문제점을 가진다. 본 연구는 이러한 문제점들을 개선하기 위하여 새로운 카울크로스멤버 구조인 S-타입 스틸 인서트 구조를 제안하고, 기존 C-타입 카울크로스멤버 대비 S-타입 카울크로스멤버의 구조적인 우수함을 유한요소해석을 통해 정량적으로 비교 분석하고자 한다.
C-타입 모델은 프레스에 사출 인서트 카울크로스멤버를 대표하는 기준 모델이고, S-타입 모델은 유리섬유 강화 플라스틱 내부에 스틸 인서트를 배치한 복합 구조 카울크로스멤버로서 두 모델을 비교하였다. 정강성 성능 비교를 위해 유한요소해석에서 C-타입과 S-타입 모델에 동일한 경계조건과 하중조건을 적용하였다. 차량에서 실제 장착 상태를 구현하기 위해 카울크로스멤버의 양 끝단 마운팅 부위를 구속하였고, 정량적 비교를 위해 주요 부위에 동일하게 정적 변위 하중을 적용하였다. 두 모델간 성능을 비교하기 위해서 무게, 최대 변위, 최대 응력, 정강성(N/mm)과 비강성(N/mm·kg)을 핵심 성능 비교 지표로 선정하였다. 해석 결과를 비교하여 C-타입 대비 S-타입 카울크로스멤버의 구조적 우수성을 입증하였다.
결론적으로, S-타입 카울크로스멤버가 경량화 및 구조적 정강성 성능을 향상시킬 수 있는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해 경량화와 고성능이라는 두 가지 상충된 요구조건을 만족시키는 카울크로스멤버 개발에 있어 S-타입 스틸 인서트 복합 구조가 효과적인 설계 해법이 될 수 있음을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Globally, the automotive industry is undergoing a transition toward the era of eco-friendly vehicles amidst tightening environmental regulations; consequently, vehicle weight reduction has emerged as an imperative task to improve fuel efficiency, reduce carbon dioxide emissions, and address the weight increase in electric vehicles caused by battery packs. Among various automotive components, the cowl cross member—a key part that supports the cockpit module and contributes significantly to vehicle body rigidity—is a primary subject of research requiring the simultaneous achievement of lightweighting and performance enhancement.
Conventional cowl cross members are typically manufactured by assembling multiple press-processed steel plates through welding. This manufacturing method, however, entails issues such as complex processing, increased weight, and structural vulnerabilities arising from the heat-affected zones (HAZ) in welded areas. To address these shortcomings, this study proposes a novel cowl cross member structure, designated as the "S-type" steel insert structure, and intends to quantitatively analyze its structural superiority compared to the conventional "C-type" cowl cross member using Finite Element Analysis (FEA).
The comparison was conducted between the C-type model, serving as a reference standard for press-injection insert cowl cross members, and the S-type model, a composite structure featuring a steel insert embedded within glass fiber reinforced plastic (GFRP). For the comparison of static stiffness performance, identical boundary conditions and loading conditions were applied to both the C-type and S-type models in the finite element analysis. To simulate the actual mounting state in a vehicle, the mounting areas at both ends of the cowl cross member were constrained, and static displacement loads were uniformly applied to key sections for quantitative comparison.
Weight, maximum displacement, maximum stress, static stiffness (N/mm), and specific stiffness (N/mm·kg) were selected as key performance indicators to compare the performance between the two models. The comparative analysis of the results demonstrated the structural superiority of the S-type cowl cross member over the C-type. In conclusion, it was confirmed that the S-type cowl cross member is capable of improving both lightweighting and structural static stiffness performance. Through this study, the S-type steel insert composite structure was identified as an effective design solution for the development of cowl cross members that satisfy the conflicting requirements of lightweighting and high performance.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 자동차 구조적 경량화의 필요성 1
• 1.2 강성 및 중량 최적화 관점 2
• 제 2 장 연구의 배경 4
• 제 3 장 유한요소모델 6
• 3.1 유한요소해석 모델링 6
• 3.2 재료 물성치 정의 7
• 3.3 경계조건 및 하중조건 10
• 3.4 유한요소해석 기반 성능 평가 10
• 제 4 장 해석결과 및 고찰 12
• 4.1 강성 및 변위 해석 12
• 4.2 응력 해석 결과 18
• 제 5 장 결 론 25
• 참고문헌 26
• Abstract 28