차체 측면 구조 단순화 모델 및 초기 설계 검토 자동화 프로그램 개발 = Development of Vehicle Body Side Structure Simplified Model and Automation Program

국문 초록 (Abstract)

전세계적인 친환경 문제가 주목받으면서 각 산업 분야는 지속 가능한 발전을 위해 엄격한 규제에 부합하기 위한 변화를 추구하고 있다. 이에 따라, 최근 자동차 산업은 환경 규제 준수와 함께 PBV(Purpose Built Vehicle) 및 B-Pillarless 차량과 같은 탑승 공간을 극대화할 수 있는 미래 모빌리티 차량 수요가 증가하고 있는 추세이다. 환경 규제의 충족을 위해 완성차 업체들은 엔진 성능 개선, 구동력계의 효율성 증대, 공기저항 최소화 설계, 경량화, 친환경 자동차 개발 등 다양한 방법으로 대응하고 있다. 그러나 편의성 추구를 위한 PBV 및 Pillarless 차량과 같은 신개념 구조를 갖는 차량의 경우 B-pillar가 존재하는 기존의 차체 구조 설계 방법론에 의존하고 있어, 신개념구조의 차량을 설계하기 위해 상당한 인력과 비용이 필요하다. 이와 더불어, 이러한 신개념 차량은 국내 및 미국 FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standard), NCAP(New Car Assessment Program), 유럽의 EURO-NCAP 등의 안전도 기준을 만족해야 한다는 점이다. 이 모든 요구 사항을 충족시키기 위해, 완성차 업계는 환경 규제, 안전성, 신개념 구조 차량 개발에 필요한 인력, 비용, 시간을 과도하게 투입해야 한다는 어려움에 직면하고 있다. 따라서 본 연구에서는 단순화된 차체 구조 모델을 이용하여 차체의 강성 또는 강도의 변화를 효과적으로 계산하고 평가할 수 있는 수학적 예측 모델을 개발하고자 하며, 공학원리에 기반한 수학적 예측 모델을 통해 차체의 초기 컨셉 설계 프로세스의 효율을 높이고 설계 결과의 신뢰도를 확보할 수 있도록 한다. 추가로 수학적 예측 모델의 매개변수를 이용하여 측면 차체 구조의 초기 컨셉 설계 검토 자동화 프로그램을 통해 초기 컨셉 단계에서의 프로세스 효율을 확보하고 이를 설계 엔지니어들이 쉽게 활용하고 검토할 수 있도록 한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

As global environmental issues gain worldwide attention, each industrial sector is pursuing changes to comply with strict regulations for sustainable development. Under this backdrop, Consequently, there is a growing trend in the automotive industry for future mobility vehicles that maximize passenger space such as PBVs (Purpose Built Vehicles) and B-pillarless vehicles alongside adherence to environmental regulations. To comply these environmental regulations, automakers are employing various strategies, including improving engine performance, enhancing drivetrain efficiency, designing to minimize air resistance, reducing weight, and developing eco-friendly vehicles. However, vehicles with new concept structures like PBVs and pillarless vehicles, still rely on existing body structure design methodologies that include a B-pillar. Designing vehicles with these new concept structures requires considerable manpower and cost. Moreover, these new concept vehicles must satisfy safety standards such as domestic and U.S. FMVSS (Federal Motor Vehicle Safety Standards), NCAP (New Car Assessment Program), and Europe's EURO-NCAP. To fulfill all these requirements, the automotive industry faces the challenge of excessively investing manpower, cost, and time necessary for environmental compliance, safety, and the development of vehicles with new concept structures. Therefore, this study aims to develop a mathematical prediction model that can effectively calculate and evaluate changes in the stiffness or strength of the vehicle body using a simplified body structure model. Through this mathematical prediction model based on engineering principles, we seek to enhance the efficiency of the initial concept design process and ensure the reliability of the design outcomes. Additionally, by utilizing the parameters of the mathematical prediction model, we aim to secure process efficiency at the initial concept stage through an automated program for reviewing the initial concept design of side body structures, enabling design engineers to easily utilize and assess it.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 목적 4
• 1.3 연구 내용 6
• 2. Side frame 단순화 모델을 위한 특성 값 계산 8
• 2.1 단면 특성 계산 이론 9
• 2.1.1 Centroid 9
• 2.1.2 Second moment of inertia 10
• 2.1.3 Polar moment of inertia 12
• 2.2 단면 탄-소성 영역 판별 13
• 2.2.1 합성 단면 탄성 한계 모멘트 15
• 2.2.2 합성 단면 전소성 모멘트 17
• 2.3 합성 단면 해석 결과 검증 19
• 2.3.1 합성 단면 해석 결과 검증 19
• 2.3.2 합성 단면 탄-소성 영역 판별 결과 검증 23
• 3. 공학원리 기반 Side frame 단순화 모델 26
• 3.1 차량 구조 단순화 모델 연구 동향 26
• 3.2 굽힘에 의한 변형 에너지 27
• 3.3 Castigliano’s theorem 30
• 3.4 차량 주요 관심부 해석을 위한 Analytic 모델 구성 33
• 3.4.1 부정정 구조 해석 진행을 위한 General 형상 개발 33
• 3.4.2 축 하중, 굽힘을 고려한 수학적 모델 구축 35
• 3.4.3 주요 관심부 해석을 위한 하중 위치 정의 38
• 3.4.4 도어 처짐 계산을 위한 방법론 구축 42
• 3.5 차체 Side outer geometry 기반 중량/원가 계산 43
• 4. Side frame 단순화 모델 FE 비교 분석 46
• 4.1 Side frame 단순화 모델 및 FE 비교 분석 46
• 4.2 도어 처짐 결과에 대한 FE, 단순화 모델 비교 분석 49
• 5. 결 론 64
• Appendix 67