정적 및 동적 강성과 천정 붕괴를 고려한 전기자동차 차체의 최적설계에 관한 연구

국문 초록 (Abstract)

기술 발전과 함께 친환경 시장의 요구로 전기자동차 개발 경쟁이 치열해지고 있으며 현재 개발 중인 전기자동차들은 전반적인 성능 향상을 위해 차체의 강성 확보 및 경량화가 대두되고 있다. 특히 차체 개발 초기단계에 좋은 성능을 낼 수 있는 차체의 설계안을 미리 확보해 놓는 것이 전체적인 프로세스를 효율적으로 진행할 수 있는 방법이다. 따라서 본 연구에서는 개발 중인 전기자동차 차체를 이용하여 정적 및 동적 강성, 천정 붕괴를 동시에 고려하는 경량 최적화 설계안을 제시하고자 한다.
첫 번째 단계로 개발 중인 전기자동차 차체의 정적 및 동적 강성에 대한 해석적 성능 분석을 실시하였다.
두 번째 단계로 해석 결과에 대한 검증을 위해 정적 및 동적 강성 시험을 실시하였다. 시험 결과를 토대로 해석 모델과 상관성 분석을 실시하여 결과 오차율 7% 이내 수준으로 상관성을 확인하였다.
세 번째 단계로 검증된 전기자동차 차체의 개선 설계를 위해 원 모델인 일반 차체와 비교 분석하였다. 구조 및 재질에 대한 설계 차이점을 확인하였고 강성 비교를 통해 굽힘 강성이 과도설계 됐다고 판단, 본 연구에서 고려하고 있는 성능지수인 정적 및 동적 강성에 비선형 해석인 천정 강성까지 고려한 차체 두께 최적설계가 필요하다고 판단하였다.
네 번째 단계로 검증된 전기자동차 차체 성능 개선 설계를 진행하였다. 우선 성능지수에 영향을 미칠 것으로 판단하는 패널 총 17개를 설계변수로 선정하였다. 그 중 성능지수에 크게 영향을 주지 않는 설계 변수를 선별하는 작업인 효과분석을 실시하여 성능지수에 유의한 11개의 설계 변수를 최종 선정하였다. 효과분석으로 추출한 설계 변수로 Kriging 메타 모델 타입과 ISCD-Ⅱ 실험계획법을 사용하여 확정론적 최적화 수행을 위한 메타 모델을 근사화 하였다. 마지막으로 근사화 한 메타 모델을 이용하여 최적의 설계안을 찾아가는 Iteration 과정을 4번 수행하였다. 최적화 수행 결과 4개의 성능지수에 대한 구속조건 중 4개 조건을 만족하면서 차체 중량은 4.19kg 경량화 되는 설계안을 도출해 낼 수 있었다.
본 연구를 진행함으로써 향후 개발 될 전기자동차 차체의 설계 변경에 대한 방향성을 제시할 수 있는 근거가 될 것이라 기대한다.

목차 (Table of Contents)

• 1.서론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 개요 및 내용 3
• 2.전기자동차용 차체의 해석적 성능 분석 5
• 2.1 정적 강성 5
• 2.1.1 해석 모델 구축 6
• 2.1.2 해석 결과 8
• 2.2 동적 강성 10
• 2.2.1 해석 모델 구축 10
• 2.2.2 해석 결과 11
• 3.전기자동차용 차체의 정적 및 동적강성 시험 검증 12
• 3.1 강성 시험 개요 및 항목 12
• 3.1.1 정적 굽힘 강성 측정 시험 12
• 3.1.2 정적 비틀림 강성 측정 시험 14
• 3.1.3 동적 강성 측정 시험 15
• 3.2 정적 강성 시험 평가 16
• 3.2.1 굽힘 강성 시험 16
• 3.2.2 비틀림 강성 시험 21
• 3.3 동적 강성 시험 평가 25
• 3.4 강성 시험 결과 31
• 3.4.1 정적 강성 시험 31
• 3.4.2 동적 강성 시험 37
• 3.5 해석과 시험 상관성 분석 39
• 4.일반 차체와 전기자동차 차체 비교 40
• 4.1 설계안 비교 40
• 4.2 강성 비교 42
• 5.전기자동차 차체 성능 개선 설계 44
• 5.1 효과분석 44
• 5.2 확정론적 최적 설계를 위한 메타 모델 구성 51
• 5.3 최적화 문제 정식화 52
• 5.4 최적화 과정 및 결과 54
• 6.결론 57
• 7.Reference 60
• 8.Abstract 62