차량용 복합재 스트럿 구조물의 최적설계

Abstract

자동차 산업에 있어서, 구조물의 성능을 유지하면서 중량을 감소시키려는 목표는 업계의 가장 큰 이슈중의 하나이다. 높은 비강도(Specific strength) / 비강성(Specific stiffness) 특성을 갖고 있는 탄소 섬유 강화 플라스틱 복합소재는 차량연비 효율 증대 측면에서 중량감소 효과가 우수해, 차량 차체 구조(Vehicle Body Structure)에의 적용이 연구되고 시제품까지 나와있다. 최근에는 복합소재 제조 기술의 발전으로, 자동차 샤시 부품까지 제작이 가능하게 되었고, 복합소재를 이용한 샤시 구조물, 스트럿의 제작에 있어서 차량 요구특성인 구조 특성의 적합성이 사전 검증된 제품 설계가 필요하게 되었다. 본 연구에서는 유한 요소 해석을 통해 구조 특성의 적합성 검증을 하고자, 스트럿 제작에 사용된 복합소재의 인장시험을 통한 물성 데이터를 확보하였다. 그리고 Hypermesh를 이용해 다양한 방법으로 모델링된 유한요소 모델에, 확보된 물성 데이터를 적용해 상용 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 이용해 구조 해석을 실시하고, 복합소재를 사용한 스트럿 샘플의 구조 특성 시험과 비교를 통해 표준화된 유한 요소 모델을 제시하였다. 또한 이 표준화 모델을 이용해, 복합 소재 최적화가 가능한 상용 최적화 프로그램인 Optistruct를 이용해 복합소재의 파단지수인 Tsai-Hill 지수를 매개 변수로 한 복합소재 플라이(Ply)의 형상, 두께, 적층 순서의 최적화를 수행하였다.