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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 서종환
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수11
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자동차 외장 부품의 개폐 시스템 중 하나인 후드(Hood)에는 밀폐와 NVH 성능을 높이고 개폐 충격에 의한 범퍼 손상을 방지하기 위한 목적으로 웨더스트립(Weatherstrip)이 장착되어 있다. 후드 웨더스트립은 일반적으로 EPDM (Ethylene propylene diene monomer) 고무로 제조되며 후드가 닫혀 있을 때 패널에 작용하는 웨더스트립의 접촉 반력에 의해 후드 패널에 변위가 발생한다. 이는 설계 요구사항을 벗어난 부품 간의 간격과 단차(Gap and flush)를 유발하여 초기 품질 저하를 초래하므로, 개발 단계에서 유한요소해석(Finite element analysis)을 통해 후드 패널 변위량을 미리 예측하고 양산 시 장착 위치를 반드시 보정해야 한다.
본 연구에서는 기존에 개발된 차량 및 웨더스트립 부품에 기반하여 웨더스트립 접촉 반력에 의한 후드 패널 변위량을 신뢰성 있게 예측하고 소요 시간을 단축하기 위해 새로운 해석 방법을 제시하고자 하였다. 이를 위해 접촉 해석과 분포 하중 해석의 2가지 해석 모델을 작성하여 결과를 도출하고 실차 결과와 비교하였다.
먼저 접촉 해석의 경우, 웨더스트립의 시편의 단축 인장시험 결과를 활용하여 초탄성 모델을 선정하고 설계 요구 사항만큼 압축하여 해석을 수행하였다.
분포 하중 해석에서는 웨더스트립 부품 단위에서 압축 반력을 측정하고 유효 접촉 면적을 도출하여 분포 하중 값을 환산하였다. 이를 후드 패널 유한요소 모델에 직접 부여하여 해석을 수행하였으며, 도출한 결과를 접촉 해석 결과 및 실차 결과와 비교하였다. 후드 패널의 부상, 밀림을 기준으로 총 변위를 비교했을 때 접촉 해석과 분포하중 해석에서 각각 약 79%와 7.8%의 오차율을 보였으며, 각각 9시간 46분과 16분의 시간이 소요되었다. (8 Core CPU, 64GB RAM 기준)
또한 향후 설계 요구사항 변경으로 인한 웨더스트립의 단면 형상 변화에 대응하기 위하여 압축부의 두께, 폭, 높이 3 가지를 구조 인자로 설정하고 이에 따른 반력 변화 경향을 2D 유한요소해석을 통해 수치적으로 예측하였다. 그 결과, 각 구조 인자 변화에 따라 반력이 선형적으로 변화하였으며 두께가 두꺼울수록, 폭과 높이가 작을수록 증가하는 경향성을 확인하였다.
더불어 웨더스트립 사용시간 누적에 따른 노화 반응이 반력 변화를 야기할 수 있다. 이에 가속 열 노화 시험을 수행하고 아레니우스 모델(Arrhenius model)을 활용하여 수명을 예측하였다. 열 노화 시험은100 ℃, 125 ℃, 150 ℃에서 16, 24, 48, 72시간 동안 진행하였으며 설계 요구 반력의 50% 변화 지점을 한계 수명으로 설정하고 상온에서의 사용 수명을 도출한 결과 약 4000 시간임을 확인하였다.
본 연구를 통해 제시한 새로운 해석 방법을 활용하여 향후 트렁크 리드, 테일 게이트와 같은 타 개폐 부품에 확대 적용한다면 자동차 개폐 부품의 장착 품질 향상과 개발 시간 단축을 함께 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 기존에 개발된 차량 및 웨더스트립 부품에 기반하여 웨더스트립 접촉 반력에 의한 후드 패널 변위량을 신뢰성 있게 예측하고 소요 시간을 단축하기 위해 새로운 해석 방법을 제시하고자 하였다. 이를 위해 접촉 해석과 분포 하중 해석의 2가지 해석 모델을 작성하여 결과를 도출하고 실차 결과와 비교하였다.
먼저 접촉 해석의 경우, 웨더스트립의 시편의 단축 인장시험 결과를 활용하여 초탄성 모델을 선정하고 설계 요구 사항만큼 압축하여 해석을 수행하였다.
분포 하중 해석에서는 웨더스트립 부품 단위에서 압축 반력을 측정하고 유효 접촉 면적을 도출하여 분포 하중 값을 환산하였다. 이를 후드 패널 유한요소 모델에 직접 부여하여 해석을 수행하였으며, 도출한 결과를 접촉 해석 결과 및 실차 결과와 비교하였다. 후드 패널의 부상, 밀림을 기준으로 총 변위를 비교했을 때 접촉 해석과 분포하중 해석에서 각각 약 79%와 7.8%의 오차율을 보였으며, 각각 9시간 46분과 16분의 시간이 소요되었다. (8 Core CPU, 64GB RAM 기준)
또한 향후 설계 요구사항 변경으로 인한 웨더스트립의 단면 형상 변화에 대응하기 위하여 압축부의 두께, 폭, 높이 3 가지를 구조 인자로 설정하고 이에 따른 반력 변화 경향을 2D 유한요소해석을 통해 수치적으로 예측하였다. 그 결과, 각 구조 인자 변화에 따라 반력이 선형적으로 변화하였으며 두께가 두꺼울수록, 폭과 높이가 작을수록 증가하는 경향성을 확인하였다.
더불어 웨더스트립 사용시간 누적에 따른 노화 반응이 반력 변화를 야기할 수 있다. 이에 가속 열 노화 시험을 수행하고 아레니우스 모델(Arrhenius model)을 활용하여 수명을 예측하였다. 열 노화 시험은100 ℃, 125 ℃, 150 ℃에서 16, 24, 48, 72시간 동안 진행하였으며 설계 요구 반력의 50% 변화 지점을 한계 수명으로 설정하고 상온에서의 사용 수명을 도출한 결과 약 4000 시간임을 확인하였다.
본 연구를 통해 제시한 새로운 해석 방법을 활용하여 향후 트렁크 리드, 테일 게이트와 같은 타 개폐 부품에 확대 적용한다면 자동차 개폐 부품의 장착 품질 향상과 개발 시간 단축을 함께 달성할 수 있을 것으로 기대된다.
목차
제 1 장 서론 11.1. 연구 배경 및 목적 11.2. 이 론 41.2.1. 고무 재료의 일반적 특성 41.2.2. 고무의 가교 (Crosslink) 71.2.3. 변형률 에너지 밀도 함수 (Strain energy density function) 91.2.4. 뮬린스 효과 (Mullins effect) 121.2.5. 발포 고무의 기계적 성질 (Rubber foam) 141.2.6. 가속 열 노화 (Accelerated heat aging) 171.2.7. 아레니우스 모델 (Arrhenius model) 18제 2 장 실험 및 유한요소해석 222.1. 실험 조건 및 방법 222.1.1. 단축 인장 시험 222.1.2. 웨더스트립 압축 반력 시험 242.1.3. 열 중량 분석 시험 (Thermogravimetric analysis, TGA) 262.1.4. 가속 열 노화 시험 272.1.5. 팽윤 시험 (Swelling test) 282.2 유한요소해석 방법 292.2.1. 후드 패널 변위 해석모델 구축 292.2.2. 웨더스트립 구조 인자 변경 해석 33제 3 장 결과 및 고찰 353.1. 웨더스트립 기계적 물성 시험 결과 353.1.1. 단축 인장시험 결과 및 초탄성 재료물성 모델 선정 353.1.2. 웨더스트립 압축 반력 시험 결과 373.2. 유한요소해석 결과 383.2.1. 후드 패널 변위 해석 결과 383.2.2. 웨더스트립 구조 인자 변경에 따른 반력 변화 예측 433.3. 열 중량 분석 시험 결과 463.4. 가속 열 노화시험 결과 473.4.1. 노화 시간 및 온도에 따른 웨더스트립 반력 시험 결과 473.4.2. 아레니우스 모델을 이용한 사용 수명 예측 523.5. 팽윤 시험 결과 55제 4 장 결론 58참고문헌 63Abstract 65
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