경량화를 위한 BIW 소재 최적설계

Abstract

최근 자동차 산업은 차량의 고성능 및 고연비 등이 지속적인 관심의 대상이 되고 있다. 그 중에서도 에너지를 절약하기 위한 대책으로 자동차의 구조설계에 관한 경량화 기술의 연구와 동시에 내구성 확보 및 원가 절감을 위한 연구가 활발히 수행되고 있다. 차체의 전체 중량을 줄이기 위한 경량화 방법으로는 부재의 형상이나 두께 등을 변경하는 방법과, 고강도강이나 알루미늄과 같은 이종 소재를 적용하는 방법 등이 있다. BIW (body in white)는 자동차 전체 무게의 30% 가량을 차지하기 때문에 BIW 경량화는 자동차 경량화에 큰 효과를 기대할 수 있다. 따라서 본 논문에서는 BIW 경량화를 위한 소재 및 두께 최적설계를 수행하였다. BIW 주요부재의 소재 및 두께를 설계변수로 선정하고 굽힘하중과 비틀림하중에 대한 정강성(static stiffness)을 설계 요구사항으로 고려하여 설계문제를 정식화하였다. 최적해를 구하기까지의 계산 비용을 감소시키기 위해 실험계획법(design of experiments; DOE)과 메타모델(metamodel) 기법을 사용하여 소재 최적설계와 두께 최적설계를 순차적으로 수행하도록 최적설계 전략을 수립하였다. 또한 설계 작업의 효율성 향상을 위해 프로세스 통합 및 설계 최적화 (process integration and design optimization; PIDO) 기술을 구현한 상용 프로그램 PIAnO를 사용하여 설계과정을 통합하고 자동화하였다. 실험계획법에 의해 소재 최적설계 단계에서는 직교배열법(orthogonal array; OA)을 사용하여 실험점을 선정하고 1차 회귀(linear polynomial regression) 모델을 생성하였고, 두께 최적설계 단계에서는 최적라틴방격추출법(optimal Latin hypercubedesign; OLHD)을 사용하여 실험점을 선정하고 단순 2차 회귀(simple quadraticpolynomial regression) 모델을 생성하였다. 진화 알고리즘(evolutionary algorithm; EA)을 사용하여 설계 요구사항인 정강성을 모두 만족하면서 소재 최적설계에서 중량을 46.7% 감소시킨 최적해를 도출하였고, 두께 최적설계 단계에서 중량을 0.8% 추가로 감소시킨 최적해를 도출하였다.