등가정하중을 이용한 충돌문제의 구조최적설계

Abstract

충돌문제는 승용차나 항공기의 사고 시 운전자나 동승자의 안전을 고려하여 설계에 반영하는 문제이다. 각국 정부나 보험회사 등은 이러한 충돌문제에서 승용차나 항공기의 설계 시에 탑승객의 안전을 고려하기 위한 조건들을 제시하고 있으며, 이러한 조건들의 상당수는 제작을 위한 법규로 제정되어 있다. 이러한 법규들이 제시하는 조건들은 구조물이 만족하여야 하는 충돌안전도이다. 이러한 충돌안전도는 구조물의 설계 시에 추구하여야 할 목적함수나 만족하여야 하는 제한조건으로 이용된다. 그러나 일반적으로 충돌을 고려한 문제는 큰 비선형성을 지닌 충격 및 충돌하중을 고려하여야 하는 문제로, 이러한 응답의 특징들은 민감도의 계산을 어렵게 만들어 최적설계 등의 적용이 힘들게 한다. 따라서 이를 효율적으로 고려할 수 있는 설계방법의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 충돌문제의 특성을 잘 표현하면서 설계의 과정에서 비선형동적 해석의 횟수를 줄일 수 있는 등가정하중법을 제안한다. 충돌문제는 비선형성이 큰 문제로 재료, 기하, 접촉의 세가지 비선형성 모두를 시간의 영역에서 고려하여야 한다. 따라서 본 연구에서 제안하는 등가정하중법은 선형 정적 최적화의 과정에서 재료 및 기하 비선형성을 표현하고, 접촉 시의 접촉력과 접촉면에서의 변형형상을 고려할 수 있어야 한다. 충돌문제는 승용차나 항공기 등의 충돌안전도를 고려하여야 한다. 이는 다시 말해서 외부에서 전달되는 충돌에너지나 인체의 상해 등을 고려한 설계문제를 풀어야 한다는 뜻이다. 본 연구에서는 충돌 문제에서 적용을 위해 변형에너지나 인체의 상해를 고려할 수 있는 등가정하중법을 제안한다. 제안한 최적화 기법을 다양한 작은 예제에 적용하여 그 정확성과 효율성을 검증하였다. 검증을 위해서 전통적인 최적화 방법인 유한차분법과 반응표면법 등을 사용하였다. 제안한 등가정하중법으로 얻은 최적해는 전통적인 최적화 방법들로부터 얻은 최적해와 비교하였을 때, 소요된 충돌해석의 횟수 면에서 더 좋은 결과를 보여주었다. 제안한 등가정하중법을 실제적 공학문제에도 적용하였다. 크래쉬 박스(Crash Box)나 무릎보호대(Knee bolster)등의 구조물들은 외부의 충돌에너지에 대해 최대한 많은 변형을 일으켜, 실내로 전달되는 에너지를 줄이기 위한 목적으로 추가되는 부품이다. 본 연구를 통해 제안한 변형에너지 응답의 고려를 위한 등가정하중법을 이러한 구조물에 적용하여 제한조건을 만족하면서 충돌에너지 흡수 효율이 높은 설계해를 적은 충돌해석의 횟수로 찾을 수 있었다. 또한 머리상해치 응답을 고려한 등가정하중법을 단순화한 승용차 모델의 기둥시험 문제에 적용하여, 인체상해의 최소화를 목적으로 하면서 침투변형 제한조건을 만족하는 유용한 최적해를 얻을 수 있었다. 이러한 예제의 적용을 통해 제안한 방법들의 우수성과 유용성을 증명하였다.; Crashworthiness is the issue that we should consider when designing a passenger vehicle or an aeroplane for occupants’ safety in a vehicle accident. The governments of countries in the world and insurance companies suggest conditions considering passengers’ safety in designing vehicles, and regulations in which many of the conditions are reflected have been enacted. The suggested regulations reflect the crashworthiness of structures in order to consider the passengers’ safety. Therefore, these conditions should be used as objective functions or constraints when designing a vehicle structure. However, it is difficult to apply gradient based optimization methods to a crash optimization problem because of large nonlinearities of the problems which should be considered in time domain. The nonlinearilties and oscillation of the responses make difficult to calculate the sensitivity information. Therefore, it is needed to develop a design method regarding the crash optimization problem. The present study suggests a crashworthiness design optimization using equivalent static loads (CDOESL) that could reduce the number of nonlinear analyses considering characteristics of the crash problem. Crash prblem is mainly the issue of nonlinearities in time domain and should be taken into consideration in the three nonlinearities, which are material, geometric and contact nonlinearities. Thus, equivalent static loads for applying the crash problem should be considered contact force, deformation shape on a contact boundaries and material nonlinearity and geometric nonlinearity in the process of the linear static response optimization. Crash problem should consider crashworthiness of the vehicles. That is, design problem should be solved regarding crash energy conveyed from the outside and injuries of the human body. In this research, it is proposed the crashworthiness design optimization method using equivalent static loads that could consider the strain energy and injuries of the human body in order to apply to crash problem. CDOESL is verified in terms of accuracy and efficiency by applying it to some small examples. For verifying the crashworthiness design optimization, traditioanl optimization methods such as finite difference method and response surface method are used. An optimum solution gained through the crashworthiness design optimization shows a better result in terms of the number of crash analyses comparing with the traditional optimization methods. The suggested crashworthiness design optimization methods using equivalen static loads are applied to practical engineering problems. An optimum solution satisfying the crashworthiness constraints could be found with a small number of crash analyses by applying it to automobile parts that would reduce conveyed crash energy into the human body in a car accident such as crash box and knee bolster. Also, the excellence and the usefulness of the suggested crashworthiness design optimization is proven by successfully applying it to the crash problem having intrusion constraint regarding minimizing the injury of human body.