development of lightweight composite sub-frame in
TRANSCRIPT
![Page 1: Development of Lightweight Composite Sub-frame in](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042914/626a66e86e1db039e15cd855/html5/thumbnails/1.jpg)
Vol. 32, No. 1, 21-28 (2019)DOI: http://dx.doi.org/10.7234/composres.2019.32.1.021ISSN 2288-2103(Print), ISSN 2288-2111(Online)
Paper
๊ตฌ์กฐ ๋ฐ NVH ์ฑ๋ฅ์ ๊ณ ๋ คํ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์๋ธํ๋ ์ ๊ฐ๋ฐ
ํ๋ํ* ยท ํ์ฑ๊ท*โ
Development of Lightweight Composite Sub-frame in Automotive Chassis Parts Considering Structure & NVH Performance
Doo-Heun Han*, Sung Ha*โ
ABSTRACT: Recently, according to environmental regulations, the automobile industry has been conducting variousresearch on the use of composite materials to increase fuel efficiency. However, there has not been much research onlightweight chassis components. Therefore, in this research, the purpose of this study is to apply composite materialsto the sub-frame of chassis components to achieve equivalent levels of stiffness, strength, NVH performance and 50%lightweight compared to the steel sub-frame. First, the Natural frequency of steel and composite specimens wascompared to the damping characteristics of composite materials. Then, in this study, the Lay-up Sequence was derivedto maximize the stiffness and strength of the sub-frame by applying composite materials. And this lay-up Sequence isproposed to avoid heat shrinkage due to curing during manufacturing. This process was designed based on a FEMstructural analysis, and a Natural frequency and frequency response function graph was confirmed based on a modalanalysis. The prototype type composite sub-frame was manufactured based on the design and the F.E.M analysis wasverified through a modal experiment. Furthermore, it was fitted to the actual vehicle to verify the natural frequencyand the indoor noise vibration response, including idling and road noise. This result was confirmed to be equivalentto the steel sub-frame. Finally, the composite sub-frame weight was confirmed to be about 50% of the steel sub-frame.
์ด ๋ก: ์ต๊ทผ ํ๊ฒฝ ๊ท์ ์ ์ํ์ฌ ์๋์ฐจ ์ ๊ณ๋ ์ฐจ๋์ ์ฐ๋น๋ฅผ ๋์ด๊ธฐ ์ํด์ ๋ณตํฉ์์ฌ๋ฅผ ํ์ฉํ ๊ฒฝ๋ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ๋ค์ํ๊ฒ ์งํ๋๊ณ ์๋ค. ํ์ง๋ง ์ค์๊ณ ๋ถํ๋ค์ ๋ณตํฉ์์ฌ๋ฅผ ํ์ฉํ ๊ฒฝ๋ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ๋ฏธ์งํ๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ค์๊ณ ๋ถํ ์ค ์๋ธํ๋ ์์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ํ์ฉํ์ฌ ์คํธ ๋๋ฑ ์์ค์ ๊ฐ์ฑ, ๊ฐ๋ ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ NVH ์ฑ๋ฅ๊ณผ, 50%์ ๊ฒฝ๋ํ๋ฅผ ์ด๋์ด ๋ด๋ ๊ฒ์ด ๋ชฉํ๋ค. ์ฐ์ , ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ Damping ํน์ฑ์ ํ์ธํ๊ธฐ ์ํ์ฌ, ์คํธ๊ณผ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ํธ์ ํ์ฉํ์ฌ ๊ณ ์ ์ง๋์๋ฅผ 1์ฐจ ๋น๊ตํ์๋ค. ๋ณธ๊ฒฉ์ ์ผ๋ก ์๋ธํ๋ ์ ๊ฐ๋ฐ์ ๋ค์ด๊ฐ ๊ฐ์ฑ, ๊ฐ๋๋ฅผ ๊ทน๋ํ ํ ์์๋ Lay-up Sequence๋ฅผ ์ ์ํ์๊ณ , ์ ์๊ณผ์ ์ค ๊ฒฝํ์ ์ํ ์ด ์์ถ์ ํผํ ์ ์๋ Lay-up Sequence๋ฅผ ์ ์ํ์๋ค. ์ด ๊ณผ์ ์ ๊ตฌ์กฐํด์์ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ค๊ณ๋ฅผ ํ์๊ณ , Modal ํด์์ ๋ฐํ์ผ๋ก ๊ณ ์ ์ง๋์์ ์ฃผํ์ ์๋ต ๊ทธ๋ํ๋ฅผ ํ์ธํ์๋ค. ์ค๊ณ ์์ ๋ฐํ์ผ๋ก ํ๋กํ ํ์ ์๋ธํ๋ ์์ ์ ์ํ์๊ณ ๋จํ ๋ชจ๋ฌ ์คํ์ ํตํ์ฌ ๊ตฌ์กฐํด์ ์ค๊ณ ์์ ๊ฒ์ฆํ์๋ค. ๋์๊ฐ์ ์ค์ฐจ์ ์ฅ์ฐฉํ์ฌ ๊ณต์ง์ ํ์ธ ๋ฐ ์์ด๋ค๋ง, ๋ก๋ ๋ ธ์ด์ฆ ํฌํจํ์ฌ ์ค๋ด ์์ ์ง๋์๋ต ๋น๊ต๋ฅผ ํ์๊ณ , ๊ธฐ์กด ์คํธ ์๋ธํ๋ ์๊ณผ ๋๋ฑํ ์์ค์ ์ฑ๋ฅ์์ ํ์ธํ์๋ค. ์ต์ข ์ ์ผ๋ก ๊ฒฝ๋ํ๋ ๊ธฐ์กด ๋ถํ ๋๋น ์ฝ 50% ๋ฌด๊ฒ ๊ฒฝ๋ํ ํจ๊ณผ๋ฅผ ํ์ธํ์๋ค.
Key Words: ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ(Composite materials), ์ค์๋ถํ(Chassis Part), ์๋ธํ๋ ์(Sub-frame), NVH(Noise VibrationHarshness)
Received 14 December 2018, received in revised form 16 February 2019, accepted 20 February 2019
*
*โ
Department of Mechanical Engineering, Hanyang UniversityDepartment of Mechanical Engineering, Hanyang University, Corresponding author (E-mail: [email protected])
![Page 2: Development of Lightweight Composite Sub-frame in](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042914/626a66e86e1db039e15cd855/html5/thumbnails/2.jpg)
22 Doo-Heun Han, Sung Ha
1. ์ ๋ก
์ธ๊ณ์ ์ผ๋ก ์ง๊ตฌ ์จ๋ํ์ ๋๊ธฐ ์ค์ผ์ ์ธํ์ฌ ํนํ ์๋์ฐจ์ ๋ํ ์ฐ๋น ๋ฐ ํ๊ฒฝ ๊ท์ ์ ๊ฐํ์ํค๊ณ ์๋ค. ์๋์ฐจ์ ๋ฐฐ๊ธฐ๊ฐ์ค ๋ฐฐ์ถ ๊ฐ์์ ์ฐ๋น ํฅ์์ ํ๊ธฐ ์ํด์ ์๋์ฐจํ์ฌ๋ค์ ์นํ๊ฒฝ ์ฐจ์ ๋ํ ์ฐ๊ตฌ์ ๋์์ ๊ธฐ์กด ์๋์ฐจ ์์ฌ๋ณด๋ค ๊ฐ๋ฒผ์ด ๊ฒฝ๋ ์์ฌ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ์ฌ, ์๋์ฐจ ์ฐจ์ฒด๋ฅผ ๊ฒฝ๋ํ ์์ผ ๋ฐฐ๊ธฐ๊ฐ์ค ๋ฐฐ์ถ์ ๊ฐ์ํ๋ฉฐ, ์ฐ๋น๋ฅผ ํฅ์ ์ํค๋ ค ๋ ธ๋ ฅํ๊ณ ์๋ค[1]. ๊ทธ ๊ฒฐ๊ณผ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ์๋์ฐจ ๋ถํ๋ค์ ๊ฒฝ๋ํ๋ฅผ์ด๋ฃจ๋ ๋์์ ๊ธฐ๊ณ์ ์ฑ๋ฅ์ ๋ณด์ ํ ์ ์์๋ค. ์๋์ฐจ ๋ถ์ผ์ ํ์์ฌ์ ๊ฐํ ํ๋ผ์คํฑ์ ๋ํ ์ฌ๋ฌ ์ฐ๊ตฌ๋ค์ด ์งํ๋๊ณ ์๋ค. ๋ฐฑ๋ฏธ๋ฌ, ์คํฌ์ผ๋ฌ, ๋ฒํผ์ ๊ฐ์ ์ธ์ฅ๋ถํ๋ฟ๋ง ์๋๋ผ ๊ฐ์ฑ ๋ถํ์ธ Roof, A-pillar, B-pillar, Bumper Beam ๋ฑํ์์ด ๊ฐ๋จํ ๋ถํ์๋ง ์ ์ฉ๋๊ณ ์์ผ๋ฉฐ, ์นํ๊ฒฝ ์๋์ฐจ์ ์์ ์ฐ๋ฃํฑํฌ, ์ ๊ธฐ์๋์ฐจ์ ๋ฐฐํฐ๋ฆฌ ํฉ์๋ ์ ์ฉ ๋๊ณ ์๋ค[2,3].ํ์ง๋ง ์๋์ฐจ์ ์ค์ ๋ถํ์ ๊ฒฝ์ฐ ํ์์ด ๋ณต์กํ์ฌ์,๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ ์ฉํ๋ ๊ฒ์ ๋ฏธ์งํ ์์ค์ด๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ค์ ๋ถํ ์ค ์๋ธํ๋ ์์ ๋ํด์ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ์งํํ๋ค. ์๋ธํ๋ ์์ ์์ง ยท๋ณ์๊ธฐ, ๋ฉ์ธ ํ๋ ์, ๋ก์ด์๊ณผ ์ฐ๊ฒฐ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์, ์ถฉ๋ ํ ์คํธ์์ ์ฐจ๋์ ์์ง๋ฃธ๊ณผ ๋ฉ์ธ ํ๋ ์์ 1์ฐจ์ ์ผ๋ก ๋ณดํธํ๋ ์ค์ํ ์ญํ ์ ํ๋ฉฐ, ๋ ธ๋ฉด์ผ๋ก๋ถํฐ ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์์ง ๋ง์ดํธ, ์ฐจ๋ ํ๋ ์์ผ๋ก ๊ฐ์ข ํ์ค, ์ง๋, ์์์ ๋ฐ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ตฌ์กฐ์ ์ผ๋ก ํผํผํด์ผ ํ๋ฉฐ ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์์ ์ ๋ฏผ๊ฐํ ๋ถํ์ด๋ค[4].
Fig. 1๋ ์คํธ ์๋ธํ๋ ์์ ํ์๊ณผ ๋ถํ๋ฆฌ์คํธ๋ฅผ ๋ณด์ฌ์ค๋ค ์คํธ ์๋ธํ๋ ์์ ๋ฌด๊ฒ๋ ์ด 15.6 kg์ด๋ฉฐ, ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ CFRP(๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ)๋ฅผ ํ์ฉํ์ฌ 40% ์ด์์ ๊ฒฝ๋ํ ์คํธ ๋๋ฑ ์์ค์ ๊ฐ์ฑ ํ๋ณด, NVH ํน์ฑ ํ์ ํ๋ ๊ฒ์ด ์ฃผ ๋ชฉ์ ์ด๋ค.
2. ์ด ๋ก
2.1 Tsai-Wu ํ์ ์ด๋ก
๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ํ์์ ์์ธกํ๊ธฐ ์ํ ์ด๋ก ์ ์ต๋์๋ ฅ ์ด๋ก , Hashin, Tasi-Wu ์ด๋ก ๋ฑ ๋ค์ํ ์ด๋ก ๋ค์ด ์ฐ๊ตฌ๋๊ณ ์๋ค. ์ด์ค์์ Tsai-Wu ์ด๋ก ์ ๊ฐ์ฅ ๋ฒ์ฉ์ ์ผ๋ก ์ฌ์ฉ๋๋ ์ด๋ก ์ด๋ค. ํ๋ผ์ด์ ์ฌ์ ๋ฐฉํฅ ์๋ ฅ๊ณผ ํ ๋ฐฉํฅ ์๋ ฅ, ์ ๋จ ์๋ ฅ์ ์ํธ ๊ฐ์ญ์ ์ํ ์ํฅ์ ๋์์ ๊ณ ๋ คํ ์ ์๋ ํ์ ๊ธฐ์ค์ด๋ค. Tsai์ Wu๋ ์๋ ฅ์ฅ ๋ด์์ ํ์๋ฉด์ด ์ (1)์ ๊ฐ์ ํํ๋ก ๊ฐ์ ํ์๊ณ , ์ด๋ฅผ ํ๋ฉด์๋ ฅ๊ณผ ์ง๊ต ์ด๋ฐฉ์ฑ ์ฌ๋ฃ๋ก ๊ฐ์ ํ๋ฉด์ ์ (2)์ ํํ๋ก Tsai-Wu ํ์์์ ๋ํ๋ผ ์ ์๋ค.
(1)
(2)
, , (3)
, (4)
(5)
์ด๋, F12๋ ์ ์๋ ฅ ์ํ๋ฅผ ๋ฐ๋ biaxial test์ ์ํด ๋ค์ ์์ ํตํ์ฌ ๊ตฌํ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์๋ ฅ ๊ฐ๋ค์ ๋์ ํ์ฌ ๊ณ์ฐํ๋ฉด ์ (1)์์ ์ข๋ณ์ ๊ฐ์ด 1๋ณด๋ค ์ปค์ง๋ ํ์์ด ๋ฐ์ํ๋ค๊ณ ํ๋จํ๋ค[5].
2.2 Natural Frequency
๊ณ ์ ์ง๋์๋ ์ด๋ค ๋ฌผ์ฒด๊ฐ ๊ฐ์ง๊ณ ์๋ ํน์ ์ ์ง๋์์ด๋ค. ์ธ๋ถ์์ ๊ฐํด์ง ์ง๋์ด ๋ฌผ์ฒด์ ๊ณ ์ ์ง๋์์ ์ผ์นํ ๋ ๊ณต์ง์ด ๋ฐ์ํ๋ค. ๊ณต์ง์ด ๋ฐ์ํ๊ฒ ๋๋ฉด, ์ง๋๊ณผ ์์์ด ๊ธ๊ฒฉํ๊ฒ ์ฆ๊ฐํ๊ณ ๊ถ๊ทน์ ์ผ๋ก ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ด ํ๊ดด๋ ์ ์๋ค. ๊ณ ์ ์ง๋์๋ ์ฃผํ์ ์๋ต ํจ์์์๋ถํฐ ๋์ถํ ์ ์๋ค. ์ฃผํ์ ์๋ต ํจ์๋ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ ๊ฐ์ง ์, ์ด์ ์์ํ๋ ์๋ต์ ์ ๋ฌํจ์๋ก์ ์ (6)์ ๊ฐ์ด ๋ํ๋ผ ์ ์๋ค.
(6)
์ฌ๊ธฐ์ ๋ ์ฃผํ์์๋ตํจ์, ๋ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์๋ต, ๋ ๊ฐ์ง ํจ์๋ฅผ ๋ํ๋ธ๋ค. ์ฃผํ์ ์๋ต ํจ์์ํ๋ ฌ ๋ ์ (7)์ ๊ฐ์ด ๋ํ๋ธ๋ค.
(7)
์ฌ๊ธฐ์ [K]๋ ๊ฐ์ฑ ํ๋ ฌ, [M]์ ์ง๋ ํ๋ ฌ์ ๋ํ๋ธ๋ค. ์ฃผํ์ ์๋ต ํจ์์ i, j ์์๋ ์ (8)์ ๊ฐ์ด ๋ํ๋ผ ์ ์๋ค.
Fiฯi Fijฯiฯj+ 1= i j, 1 2 โฆ 6, , ,=( )
F11ฯ12 F22ฯ2
2 F66ฯ62 F1ฯ1 F2ฯ1 2F12ฯ1ฯ2 1โฅ+ + + + +
F111
XtXc----------= F22
1YtYc----------= F66
1Sst
2-----=
F11Xt-----
1Xc-----โ= F2
1Yt----
1Yc-----โ=
F121
2ฯ2-------- 1 1
Xt-----
1Xc-----
1Yt----
1Yc-----+ + +โ โ
โ โฯโ1
XtXc----------
1YtYc----------+โ โ
โ โฯ2+=
ฯ1 ฯ2 ฯ3= =
X w( ){ } H w( )[ ] F w( ){ }=
H w( )[ ] X w( ){ }
F w( ){ }
H w( )[ ]
H w( )[ ] K[ ] w2 M[ ]โ( )1โ adj k[ ] w2 M[ ]โ( )
det k[ ] w2 M[ ]โ( )----------------------------------------= =
Fig. 1. Sub-frame Parts List
![Page 3: Development of Lightweight Composite Sub-frame in](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042914/626a66e86e1db039e15cd855/html5/thumbnails/3.jpg)
Development of Lightweight Composite Sub-frame in Automotive Chassis Parts Considering Structure & NVH Performance 23
์ฌ๊ธฐ์ ๋ r๋ฒ์งธ ๊ณ ์ ์น(eigenvalue) ์ด๋ฉฐ ๋ ๊ฐ๊ฐr๋ฒ์งธ ๋ชจ๋ํ์ ๋ฒกํฐ์ i, j ๋ฒ์งธ ์์์ด๋ค. ๊ณ ์ ์ง๋์๋ ์(8)์ ๋ถ๋ชจํญ์ด 0์ ๊ฐ๊น์์ง ๋ ์ฃผํ์ wr์ด ๋๋ค.
(8)
์ด๋ฐ ๊ณ ์ ์ง๋์๋ฅผ ์ธก์ ํ๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก ๋ชจ๋ฌ์คํ์ ํตํ์ฌ ์ธก์ ํ๋ค. ๋ชจ๋ฌ ์คํ์ ์ง๋ ์คํ์ ์ ๋ ฅ ๋ฐ ์ถ๋ ฅ ๋ฐ์ดํฐ๋ก์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ๋ดํฌํ๊ณ ์๋ ์ง๋(Mass), ๊ฐ์ฑ(Stiffness), ๊ฐ์ (Damping) ๋ฑ๊ณผ ๊ฐ์ ๋ชจ๋ฌ ๋งค๊ฐ ๋ณ์๋ฅผ ์ํ์ ์ผ๋ก ์ถ์ ํ ์ ์๋ค[6].
2.3 Frequency Responsible Function (FRF)
FRF๋ ๊ฐ์ง๊ณผ ์๋ต ๋น์ ๊ด๊ณ๋ก ์์ฑ๋๋ฉฐ, ์๊ฐ์ ๋ํ์๋ต๊ณผ ์์ ์ง๋ ์๋ต ๋๋ ์ถฉ๊ฒฉ ์๋ตํจ์๋ฐ์ดํฐ๊ฐ ํ์ํ๋ค. ์ด๋ก ์ ํด์์์ FRF๋ ์ฃผํ์ ์์ญ์ ๋์ด ์๋ต ์ ๋ณด๋ฅผ ์ ๊ณตํ๊ณ ์ ํ์์ํด์์์ ์ฃผํ์ ๋ฒ์ ์์ ์๋ฌผ๋ ์ด์ ์๋ต์ผ๋ก ๊ณ์ฐํ ์ ์๋ค. ๋ชจ๋ฌ ์คํ์ ์ ๋ ฅ๊ณผ ์๋ต๊ด๊ณ๋ก ์์ฑ๋ FRF๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ํน์ฑ์ ์์ธกํ ์์๋ค.
FRF๋ ์ฃผํ์ ์์ญ ์์ ๊ฐ๊ฐ์ ๋ชจ๋๋ฅผ ์ํ ๊ณ ์ ์ง๋์, ๊ฐ์ ๋น, ๋ชจ๋ ํ์์ ๋ดํฌํ๊ณ ์๋ค. ๊ณ ์ ์ง๋์๋ FRFGraph ์์์ Peak ํ๋ ์ง์ ์ด๊ณ , ๊ฐ์ ๋น๋ ์ด Peak ์ ์ฃผ๋ณ์์ Q-Factor๋ผ๋ ์ด๋ก ์ ํตํ์ฌ ๊ณ์ฐํ ์ ์๋ค[7].
3. Sub-frame Material Development
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ ๋์์ธ ์๋ธํ๋ ์์ Damping ํน์ฑ์ด ์ค์ํ ๋ถํ์ด๋ค. ๋ํ ์๊ฐ๋ฅผ ๋ฎ์ถ๊ธฐ ์ํ์ฌ ๋ค์ํ ์์ฌ๋ฅผ ์ํธ์์ ์ํ์ฌ ์ ์ฉ์ ์๋ํ๋ค. ์ด ์ํธ์ ์ด์ฉํ์ฌ ์คํธ ๋๋นDamping ํน์ฑ์ด ์ด๋ป๊ฒ ๋ฌ๋ผ์ง๋์ง ํ์ธํ์๋ค.
3.1 Composite material design for sub-frame
๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ ์ฌ์ ์ Glade, ์ฌ์ ์ ํจํด, GSM(Gram perSquare Meter)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ๋์ง์ ๋ฐ๋ผ์, ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์ด๋ค ์ข ๋ฅ์
๋ ์ง์ ์ฌ์ฉํ๋์ง์ ๋ฐ๋ผ์ ์์ฌ์ ๊ฐ๋, ๊ฐ์ฑ์ด ๋ฌ๋ผ์ง๊ฒ ๋๋ค. ์ผ๋ฐ์ ์ผ๋ก Toray T700, T300, Zoltek์ ์นด๋ณธ ์ฌ์ ์ ์ํญ์ ๋ ์ง์ ์ฌ์ฉํ๋ค. ํ์ง๋ง ์ด๋ฌํ ์ฌ์ ์ ๊ฐ๊ฒฉ์์คํธ ์์ฌ ๋๋น ๋งค์ฐ ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์๋์ฐจ ๋ถํ์ ์ ์ฉํ๊ธฐ๋ถ์ ํฉํ๋ค๊ณ ํ๋จ๋์๋ค. ๋ฐ๋ผ์, ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ Zhongfu-shenying(์ค๊ตญ)์ SYT45s-12k ์นด๋ณธ ์ฌ์ ์, Cray valley ์ฌ์Epovia LSP-8020B ํด๋ฆฌ์์คํฐ ๋ ์ง์ ์ฌ์ฉํ์๋ค. SYT45s-12k๋ T700 ์ฌ์ 90% ์์ค์ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ตฌํํ๋ฉฐ, Epovia LSP-8020B ๋ ์ง์ ์ํญ์ 80% ์์ค์ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ตฌํํ๋ฉฐ, ๋ฐ๋ฉด ๋์ ํ์ ์ฌ๋ฃ์ ๊ฐ๊ฒฉ์ 50% ๋ฐ๋ฉด์ ์์ค์ผ๋ก ์ ๋ ดํ๋ค. ๋๋ ํด๋ฆฌ์์คํฐ ๋ ์ง์ ์ ์ ๊ณต์ ์ค ๊ธฐ๊ณต์ด ์ ๊ฒ ๋ฐ์ํ๋ฉฐํฌ๋ ๋ฐ์ ํ๋ฅ ์ด ์ ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ด์ ๊ฐ์ด ์ ์ ํ์๋ค. ๋
ํ, ์์ผ๋ก ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ์ฌํ์ฉ ์ฐ๊ตฌ๋ ํ๋ฐํ๊ฒ ์งํ์ค์ด๋ฉฐ, ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ Core์ ์ญํ ๋ก ์ ํฉํ์ง ํ๋จ์ ์ํด ELG ์ฌ์ Recycled Fabric๋ ๊ฐ์ด ๊ฒ์ฆํ์๋ค. ๊ฐ ๋ฌผ์ฑ์Table 1์์ ํ์ธ ๊ฐ๋ฅํ๋ค.
3.2 Specimen Modal Test
์์ ์ธ๊ธํ ๋ฌผ์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ๊ธฐ ์ํ์ฌ, ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์คํธ ๋๋น์์ ์ธ๊ธํ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ค์ด ๊ณ ์ ์ง๋์๊ฐ ์ด๋ป๊ฒ ๋ฌ๋ผ์ง๋์ง ํ์ธํ๊ธฐ ์ํด์ ์ํธ ๋ชจ๋ฌํ ์คํธ๋ฅผ ์งํํ์๋ค.
Fig. 2์ ์ํธ์ Geometry์ Boundary Condition์ ๋ํ๋ธ๋ค. Table 2๋ ์ํธ์ Case๋ฅผ ๋ํ๋ธ๋ค. ๋ณธ ๋ชจ๋ฌ ์คํ์์๋ 1์ฐจ ๊ณ ์ ์ง๋์์ ๋ฒค๋ฉ ๋ชจ๋ ํ์๋ง์ ๋ค๋ฃจ์๋ค.
wr2 ฮฆir ฮฆjr,
H w( )ij ฮฃr 1โn ฮฆirฮฆjr
wr2 w2โ( )
--------------------=
Table 1. Material Property
T700/Ep [7] SYT45s/PE [8] ELG/Ep [9]E1(MPa) 139,300 130,000 23,000E2(MPa) 9,900 9,000 23,000Nu12 0.28 0.299 0.28G12(MPa) 7,100 7,100 -G13(MPa) 7,100 7,100 -G23(MPa) 2,960 4,000 -X(MPa) 1,600 1,400 344Xโ(MPa) 1,600 1,400 361Y(MPa) 40 49 344Yโ(MPa) 246 199 361
Fig. 2. FEM Modeling & Boundary Condition
Table 2. Case Information for Specimen
Case Thickness[mm] Material Lay-up
Steel 2 Steel -NCF/Ep 2 T700/Ep [0/90/45/-45]sRecycled/Ep 2 Recycled/EP -NCF+Recycled/EP 4 T700+Recycle/Ep [0/90/45/-45]sNCF/PE 2 CF-SYT/P.E [0/90/45/-45]s
![Page 4: Development of Lightweight Composite Sub-frame in](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042914/626a66e86e1db039e15cd855/html5/thumbnails/4.jpg)
24 Doo-Heun Han, Sung Ha
Table 3์์๋ 1์ฐจ ๊ณ ์ ์ง๋์๋ฅผ ๋น๊ตํ์๊ณ St ๋๋น ๊ณ ์ ์ง๋์๊ฐ ์ฝ 1~40% ๋๊ฒ ์ธก์ ๋์๋ค. ํนํ CF-SYTs/P.E๋ฅผ ์ฌ์ฉํ NCF_2t ์ํธ์ T700/EP ์ฌ์ฉํ ์ํธ๋ณด๋ค ๊ณ ์ ์ง๋์๊ฐ ์ฝ 5% ๋ฎ์ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์๋ค. ์ด๋ NCT_2t_P.E ์์ฌ๋ T700/EP ๊ฐ์ฑ์ด ์ฝ 5% ๋ฎ๋ค๋์๋ฏธ์ด๋ฉฐ, Composite Sub-frame์ ๊ฐ๋ฐ ์ ๊ฐ๊ฒฉ, ๋ฌผ์ฑ ๋ชจ๋ ๊ฒ์ ๊ณ ๋ ค ์ ์ ํฉํ ์์ฌ๋ผ๋ ๊ฒ์ ์๋ฏธํ๋ค. Mode Shape๋ Fig. 3๊ณผ ๊ฐ์ ๋ฒค๋ฉ ๋ชจ๋ ํ์๋ง์ ๊ณ ๋ คํ์๋ค.
4. Sub-frame FEM Analysis
4.1 FEM Modeling & Boundary Condition
๊ตฌ์กฐํด์์ ์งํํ๊ธฐ ์ ์ CADํ์์ ํด์ํ ์ ์๊ฒ ์ ์ฒ๋ฆฌ ๊ณผ์ ์ ์งํํด์ผ ํ๋ค. Cadํ์์ Element๋ฅผ ์์ฑํ์๊ณ , CAD๋ฅผ ๋จ์ํํ๊ธฐ ์ํด์, ์ค์ ์๋ธํ๋ ์์ 6๊ฐ์ ํํธ ์ฉ์ ์ CAE ํ๊ฒฝ ์์ ๊ตฌํํด์ฃผ์๋ค.
Fig. 4๋ ์ ํ ์์ ๋ชจ๋ธ๊ณผ ์ค์ ์๋ธํ๋ ์์ ๋ํ๋ธ๋ค. Mesh๋ Shell Type Mesh๋ก, Elements๋ ์ด 444,429๊ฐ๋ก S4Relements๋ฅผ ์ ์ฉํ์ฌ ์ ํ์์ ๋ชจ๋ธ๋ก ๊ตฌ์ฑํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์๋ธํ๋ ์์ ๊ณ ๋ฌด ๋ถ์ฌ์ ์คํธ ๋ถ์ฌ๋ ๊ฐ ๋ถํ์ ์ ํ๋จ์ค์ฌ ๋ถ๋ถ์ Reference point๋ฅผ ์์ฑํ๊ณ Abaqus์ Coupling๊ธฐ๋ฅ์ ์ด์ฉํ์ฌ Reference point์ ๊ณ ๋ฌด ๋ถ์ฌ์ ์คํธ ๋ถ์ฌ์ ์ ๋จ๋ฉด ์ฌ์ด์ Kinematic constraint๋ฅผ ๊ฐ๊ฐ ๋ถ์ฌํ์ฌ ๊ตฌ
ํํ์๋ค.ํ์ค ๋ฐ ๊ฒฝ๊ณ ์กฐ๊ฑด์ Fig. 5์ ๋ณด๋ฉด ํ์ธํ ์ ์๋ค. 4๊ณณ์๊ณ ๋ฌด ๋ถ์ฌ์ ์์น์ x, y, z์ถ ๋ณ์, ํ์ ์ ๊ตฌ์ํ์๊ณ , 8์ ์์ Force x, y, z๋ฐฉํฅ, Moment x, y, z ๋ฐฉํฅ์ผ๋ก 6๊ฐ์ง์ ์๋ก ๋ค๋ฅธ Multi Direction Load์ ๊ฐํ์๋ค.
4.2 Steel Sub-frame static analysis
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ๋ณตํฉ ์ฌ๋ฃ๋ก ์คํธ์ ๋์ฒดํ๊ธฐ ์ ์, Steel Sub-Frame์ ๋ํด์ Static Analysis Simulation์ ์งํํ์๋ค. ์ด6๊ฐ์ง์ ํ์ค์ ๋ํด์ ๊ตฌ์กฐํด์์ ์งํํ์๋ค. Fig. 6์ SteelSub-Frame์ ํด์๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ Stress Contour๋ก ๋ํ๋ธ ๊ฒ์ด๋ค.Contour๋ฅผ ํตํด์ ์ฃผ๋ก ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ค๋ฅธ์ชฝ ๋ณด๋ค๋ ์ผ์ชฝ์ ๋ํฐ ํ์ค์ด ์์ฉํ๋ค๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์๋ค.
Table 4๋ 6๊ฐ์ง ํ์ค์ ๋ํ ๊ฒฐ๊ณผ์ด๋ค. Stress ๊ฐ์ Von
Table 3. Natural Frequency of Specimen
Case 1st Natural Frequency (Hz)Steel 72NCF/Ep 87Recycled/Ep 77NCF+Recycled/EP 114NCF/PE 81
Fig. 3. Mode Shape at 1st Natural Frequency
Fig. 4. Sub-frame FEM Modeling
Fig. 5. Sub-frame Load & Boundary Condition
Fig. 6. Comparison of Stress Contour, Steel sub-frame
Table 4. Case result of sub-frame in 6 load
Case Stress (MPa) Failure Index Disp (mm)Load 1 669 0.838 1.916Load 2 641 0.822 1.381Load 3 120 0.154 0.286Load 4 157 0.201 0.365Load 5 247 0.317 0.496Load 6 651 0.835 1.402
![Page 5: Development of Lightweight Composite Sub-frame in](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042914/626a66e86e1db039e15cd855/html5/thumbnails/5.jpg)
Development of Lightweight Composite Sub-frame in Automotive Chassis Parts Considering Structure & NVH Performance 25
Mises Stress๋ฅผ ์๋ฏธํ๊ณ , Disp๋ Displacement๋ฅผ ์๋ฏธํ๋ค. ๋ชจ๋ F.I ๊ฐ์ 1 ์ดํ๋ก ์์ ํ๋ค๋ ๊ฒฝํฅ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ์ด๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก Load 1, Load 2, Load 6๊ฐ Sub-Frame์๊ตฌ์กฐ์ ์ผ๋ก ํฐ Damage๋ฅผ ๊ฐํ๋ ๋ ํ์ค ์กฐ๊ฑด์ด๋ผ๊ณ ํ๋จํ์๋ค. ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์๋ธํ๋ ์์ ๊ตฌ์กฐ์ ์ค๊ณ ์ ์ด 3๊ฐ์งํ์ค์ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ง์ค์ ์ผ๋ก ๊ฒํ ํ๊ณ , ์คํธ ์๋ธํ๋ ์์ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์๋ธํ๋ ์ ์ค๊ณ ์ ๊ธฐ์ค์ด ๋๋ค.
4.3 Composite sub-frame static analysis
Steel Sub-frame์ ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก 3๊ฐ์ง CompositeSub-frame ์ค๊ณ ํ์ค์ ์ ์ ํ์๋ค. ์ด ์ค๊ณ ํ์ค์ ๋ง์กฑ์ํฌ ์ ์๋๋ก ์ค๊ณํ์๊ณ Table 5๋ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ 4๊ฐ์ง์ Lay-up sequence Case ์ค๋ช ์ ๋ํ๋๋ค. ์์ Lay-up Sequence๋์ ์๊ณผ์ ์ค ๊ฒฝํ์ ์ํ ์ด ์์ถ์ ํผํ ์ ์๋๋ก ๋์นญ์ด๋๋๋ก ์ ์ธตํ์๋ค.
Table 6๋ฅผ ๋ณด๋ฉด Steel Sub-frame์ F.I ๊ฐ ๋ณด๋ค CompositeSub-frame์ F.I๊ฐ ๋ฎ์ ๊ฒ์ ํ์ธํ์ฌ, ๊ฐ๋์ ์ธ ์ธก๋ฉด์4์ผ์ด์ค ๋ชจ๋ ์ข๋ค๊ณ ํ์ธํ ์ ์๋ค. CF_0์ ๊ฒฝ์ฐDisplacement์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ํ๊ท ์ ์ผ๋ก ๋ค๋ฅธ CompositeSub-frame ์ผ์ด์ค์ ๋น๊ตํ์์ ๋ 20% ๊ฐ์ฑ์ด ์ ๊ฒ ํ์ธ๋์๋ค. ๊ทธ ์ด์ ๋ ์ฌ์ ์ Ply angle์ด ์ฌ์ ์ผ๋ก ์ ๊ณ , ๋ชจ๋0(UD)๋ก ์ ์ธตํ ์ผ์ด์ค์ด๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ค. ์ด๋ ๊ฐ๋์ ์ธ ์ธก๋ฉด์์๋ CF_45๊ฐ ๋ ํผํผํ๋ค๊ณ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ํ์ง๋งDisplacement ๊ฐ์ CF_45 ์ผ์ด์ค ๋ณ๋ก 8~25% ๋ ํฐ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ๊ฐ์ฑ์ ์ธ ์ธก๋ฉด์์ ์ข์ง ์๋ค๋ ๊ฒ์ํ์ธํ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ํตํด์ CF_45๊ฐ ๊ฐ์ฅ SteelSub-frame๊ณผ ์ฑ๋ฅ์ด ์ ์ฌํ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์๋ค.์ถ๊ฐ์ ์ผ๋ก ๊ฐ์ฑ์ ๋์ด๊ธฐ ์ํด์ ์ ํ์ ๋๊ป๋ฅผ ๋๊ป๊ฒ ํ๋ ๋ฐฉ๋ฒ์ด ์๋ค. ํ์ง๋ง ๊ทธ๋ ๊ฒ ๋๋ค๋ฉด ๊ฒฝ๋ํ ํจ๊ณผ๊ฐ
์๋ค. ๋ ๋ค๋ฅธ ๋ฐฉ๋ฒ์ Core๋ฅผ ์ฌ์ฉํด์ ๋๊ป๋ฅผ ์ฆ๊ฐ์ํค๋๋ฐฉ๋ฒ์ด ์์ง๋ง ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ฌ์ฉํ๋ ์ ์ ๋ฐฉ์์๋ ์ ํฉํ์ง ํ๋ค.
4.4 Composite sub-frame modal analysis
Steel ๋๋น Composite Sub-frame์ ๊ณ ์ ์ง๋์๊ฐ ์ด๋ป๊ฒ๋ฌ๋ผ์ง๋์ง ํ์ธํ๊ธฐ ์ํด์ ์์ Table 5์ ์ผ์ด์ค์ ๋ํ ๋ชจ๋ฌ ํ ์คํธ๋ฅผ ์งํํ์๋ค. ๋ชจ๋ฌ ํ ์คํธ ์์๋ ๋ฒค๋ฉ ๋ชจ๋ ํ์์ ํด๋นํ๋ ๊ณ ์ ์ง๋์์ ๋ํด์ ๊ณ ๋ คํ์๋ค. Table7์ ๊ณ ์ ์ง๋์๋ฅผ ์ ๋ฆฌํ ํ์ด๋ค. Steel ๋๋น Composite Sub-frame์ 1์ฐจ ๊ณ ์ ์ง๋์๋ ์ฝ 20 Hz ์ ๋ ์์ง๋ง, 2์ฐจ ๊ณ ์ ์ง๋์๋ถํฐ๋ Steel์ ๊ณ ์ ์ง๋์ ๋ณด๋ค ์ปค์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ์ด๋ ํด๋น Mode ์ ๋ณํ๋๋ ๋ถ๋ถ์ด ๊ฐ์ฑ์ด ๋๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ฉฐ, ์ฆ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ์ ์ด๋ฐฉ์ฑ ์ฑ์ง์ ์ํ ๊ฒ์ด๋ค. Fig.15์ Mode shape์ด๋ฉฐ ๋ชจ๋ Bending ํ์์ ๋๊ณ ์๋ค. Steel
Table 5. Case information of composite sub-frame
Case Thickness Lay-up SequenceSteel 2 mm -CF_0 4 mm [0]9
CF_30 4 mm [0/30/-30/90/0/90/-30/30/0]CF_45 4 mm [0/45/-45/90/0/90/-45/45/0]CF_60 4 mm [0/60/-60/90/0/90/-60/60/0]
Table 6. Result of sub-frame in load 3 cases
Load 1 Load 2 Load 6Case F.I Disp F.I Disp F.I DispSteel 1.20 1.91 0.82 1.38 0.83 1.40CF_0 0.70 2.96 0.58 2.18 0.61 2.37
CF_30 0.72 2.41 0.54 1.68 0.59 2.04CF_45 0.68 2.14 0.54 1.54 0.55 1.54CF_60 0.69 2.35 0.52 1.78 0.54 2.06
Fig. 7. Sub-frame displacement contour
Table 7. Result of sub-frame Natural frequency
Case 1st NF (Hz)
2nd NF(Hz)
3rd NF(Hz)
4th NF(Hz)
5th NF(Hz)
Steel 206 316 423 484 533CF_0 167 329 424 500 538
CF_30 169 333 435 510 545CF_45 173 339 448 523 566CF_60 171 336 440 515 548
Fig. 8. Sub-frame mode shape
![Page 6: Development of Lightweight Composite Sub-frame in](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042914/626a66e86e1db039e15cd855/html5/thumbnails/6.jpg)
26 Doo-Heun Han, Sung Ha
Sub-frame์ ์ ์ธํ ๋๋จธ์ง ์ผ์ด์ค ์ค์์ ๊ณ ์ ์ง๋์๊ฐ๊ฐ์ฅ ๋์ ๊ฒ์ CF_45์ด๋ค. ์ต์ข ์ ์ผ๋ก Case CF_45์ ์ ์ธต์์์ ๋๊ป๋ก Composite Sub-frame์ ์ ์ํ์๋ค.
5. Composite sub-frame manufacture
5.1 Sub-frame Redesign
๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ ์ฉํด์ ์๋ธํ๋ ์์ ์ ์ํ๊ธฐ ์ํด์๋Steel Sub-frame๊ณผ ํ์์ ๋์ผํ๊ฒ ์ ์ํ ์ ์๋ค. ์ด๋ ์ ์, ์ ํฉ, ๊ฐ๊ณต์ ๋ฌธ์ ๋๋ฌธ์ด๋ค. ๋ํ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์์คํ ๋จ์์ ๊ฐ๋ฐ์ด ์๋, ๋จํ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ๊ฐ๋ฐ ํ ๊ธฐ์กด ์์คํ ๊ณ์ ์ฅ์ฐฉ์ ํ์ฌ ์์ถฉ ์ฑ๋ฅ์ ๊ฒํ ํ๋ค. ๊ทธ๋ ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ต์ํ์ ํ์ ๋ณ๊ฒฝ์ ํด์ผ ๊ธฐ์กด ํ ๋ถํ๊ณผ์ ๊ฐ์ญ์ ํผํ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ธฐ์กด ์คํธ ์๋ธํ๋ ์์ ํ์์ ์ต์ํ๋ณ๊ฒฝํ์๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ ํฉ ๋ฐฉ์์ Bonding ์ฒด๊ฒฐ ๋ฐฉ์์ ์ฌ์ฉํ์๋ค. ๋ชจ๋ Bonding Area๋ฅผ ์ฆ๊ฐ์ํค๊ธฐ ์ํด ๋ณ๊ฒฝํ์๋ค.
5.2 Sub-frame Manufacture
์๋ธํ๋ ์์ ์ ์ํ๊ธฐ ์ํด์๋ ๋ชฐ๋๊ฐ ํ์ํ๊ณ , ๋ณธ์ฐ๊ตฌ์์๋ FRP ๋ชฐ๋๋ฅผ ์ ์ํ์๋ค. FRP ๋ชฐ๋๋ฅผ ํ์ฉํ์ฌ, Infusion ๋ฐฉ์์ผ๋ก Part ๋ณ Sub-frame์ ์ ์ํ์๋ค. Fig.10์ ์ ์ ์์๋ฅผ ๋ํ๋ธ๋ค. Fig. 11์ ์์ฑ๋ Composite Sub-frame์ ๊ฐ ํํธ ๋ํ๋ธ๋ค. ์์ฑ๋ ํํธ์ ๋ณธ๋ฉ์ ํ์ฌ ์ต์ข ์ ์ผ๋ก Composite Sub-frame ์ ์์ฑํ์๋ค. Fig. 12๋ ์์ฑ๋ Composite Sub-frame์ด๋ค.
6. Experiment
6.1 Specimen Modal Experiment
3.2 ์์์์ ์ํธ ํด์์ ๋ํ ์ํธ ์คํ์ ์งํํ์๋ค.Table 2์์ 1~4๋ฒ๊น์ง P.E๋ฅผ ์ฌ์ฉํ Specimen ์ข ๋ฅ ์คEpoxy ๊ณ์ด์ ์ํธ์ ๋ํด์ ์คํ์ ์งํํ์๋ค.
Fig. 13์ ์คํ๊ณผ FEM ํด์์ FRP ๊ทธ๋ํ์ด๋ค. ๊ณ ์ ์ง๋์ ์ผ๋, y์ถ ์์ ๋ ๋ฒจ์ด ํผํฌ๋๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ๋ํ ์คํ๊ณผ FEM ํด์์ ๊ฒฝํฅ์ฑ์ด ๋์ผํ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. FEM ํด์๊ณผ ์คํ์ ๊ณ ์ ์ง๋์ ๋น๊ต์, ํ๊ท 1~3% ์ค์ฐจ๋ฅผ ํ์ธํ ์ ์์๋ค. ๊ทธ ์์ธ์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ฃ ์ ์๊ณต์ ์์๋ฐ์ํ ์ ์๋ Void, Lay up angle ๋ฑ ๊ด๋ จ ์ธํฐํ์ด์ค ๋ฌผ์ฑํธ์ฐจ์ ์ํ ์ค์ฐจ๋ก ์์ํ๋ค.
6.2 sub-frame Modal Experiment
๋ณธ ์คํ์์๋ Modal ์คํ์ ํตํด์ ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ๋ฅผ ๊ฒ์ฆํ์๋ค. ๋ณธ ์คํ์์๋ ๊ฐ์๋ ์ผ์ ํ์ ์ 18๊ฐ ์ฌ์ฉํ์๋ค.Fig. 14๋ ์๋ธํ๋ ์์ ์ผ์ ๋ถ์ฐฉ ์์น๋ฅผ ๋ณด์ฌ์ค๋ค. ์คํ์ Steel Sub-frame์ ์ง์ Composite Sub-frame๋ฅผ ์งํํ์๋ค. Table 7์ Steel & Composite Sub-frame์ ์คํ๊ณผ ํด์์
Fig. 9. Sub-frame redesign
Fig. 10. Manufacture Method
Fig. 11. Composite sub-frame parts
Fig. 12. Composite Sub-frame
![Page 7: Development of Lightweight Composite Sub-frame in](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042914/626a66e86e1db039e15cd855/html5/thumbnails/7.jpg)
Development of Lightweight Composite Sub-frame in Automotive Chassis Parts Considering Structure & NVH Performance 27
๊ณ ์ ์ฃผํ์๋ฅผ ๋น๊ตํ ํ์ด๋ค. Steel Sub-frame์ ๊ฒฝ์ฐ 1์ฐจ,2์ฐจ ๋ฒค๋ฉ ๊ณ ์ ์ง๋์๋ ํ๊ท 1~3% ์ค์ฐจ ๋ฐ์ํ์๋ค.Composite Sub-frame์ ๊ฒฝ์ฐ 1์ฐจ, 2์ฐจ ๋ฒค๋ฉ ๊ณ ์ ์ง๋์๋ํ๊ท 2~5% ์ค์ฐจ ๋ฐ์ํ์๋ค. ์ค์ฐจ๊ฐ ๋ฐ์ํ ์ด์ ๋ ์ ์ ์Part ๋ณ ์ ํฉ์ ๋ณธ๋ฉ ๋ฐฉ์์ ์ด์ฉํ์ฌ ์ฒด๊ฒฐํ์๋ค. FEMModeling ์ Abaqus์ Tie ๊ธฐ๋ฅ์ ์ด์ฉํด์ Part ๋ณ ์ฒด๊ฒฐ์ํ์๋ค. Tie๋ Part ๋ณ ๊ฐ์ ๋ก ์ฒด๊ฒฐํ๋ ๋ฐฉ์์ผ๋ก ์ด ์ฐจ์ด๋ก์ธํ์ฌ์ ์ค์ฐจ๊ฐ ๋ฐ์ํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์ ์ ๊ณต์ ์ ๋ฐ์ํ๋ Void, ์์ ์์ ์ํ ๋ฏธ์ธํ Lay-up sequence ๊ฐ๋์ ๋คํ๋ฆผ์ ์ํด์ ์ค์ฐจ๊ฐ ๋ฐ์ํ๊ฒ์ผ๋ก ์์๋๋ค. ๋ํ, ์คํ์ ํตํ์ฌ Damping Ratio๋ฅผ ์ถ์ถํ์๋ค. ์ด๋ฅผํตํด์ Steady State Modal Analysis๋ฅผ ํตํด์ ์ถ๊ฐ์ ์ผ๋กFRF Graph (Frequency Response Function)๋ฅผ ๋์ถํ์๋ค.Fig. 15(a)๋ ์คํ์ ํตํด์ ๋์ถํ FRF ๊ทธ๋ํ์ด๋ฉฐ, y์ถ ์์ ๋ ๋ฒจ์ด Steel ๋๋น 10 ์ ๋ ์ฌ๋ผ๊ฐ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๋ค. ๊ณ ์ ์ฃผํ์ ๋ณ Peak๊ฐ ๋ฐ์ํ๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์๊ณ , ๊ทธ๊ณณ์ด ๊ณ ์ ์ง๋์๋ฅผ ๋ปํ๋ค. Fig. 15(b)๋ FEM ํด์์ ํตํด์์ป์ ๊ฒฐ๊ณผ์ด๋ฉฐ, Fig. 15(a)์ ๊ฐ์ด ๊ณ ์ ์ง๋์์, ๊ทธ๋ ๊ทธ๋
ํ๊ฐ Peak ํ์์ด ๋ฐ์ํ๋ ๊ฒ์ ๋ณด์ ๊ฒฝํฅ์ฑ์ด ๋์ผํ๊ฒ๋ํ๋ฌ๋ค๊ณ ํ๋จ๋์๋ค.
7. ๊ฒฐ ๋ก
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ Sub-frame์ ์์ฌ๋ฅผ ๊ฐ์ฌ์์ ๋ณตํฉ ์ฌ๋ฃ๋ก ๋์ฒดํ ์ ์๋ ๋ค์ํ ์ค๊ณ ๋ณ์๋ค์ ์ ์ํ์์ผ๋ฉฐ ์ค์ ์ ์ ๋ฐ ์คํ์ ํตํ์ฌ ์ด๋ฅผ ๊ฒ์ฆํ์๋ค. ์์ฝํ๋ฉด ๋ค์๊ณผ ๊ฐ๋ค.
1. Sub-frame์ cost effective๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ๊ฐ์ฑ, ๊ฐ๋๋ฅผ ๊ทน๋ํํ ์ ์๋๋ก ๋ค์ํ ์ฌ๋ฃ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ์ํธ Test๋ฅผ์งํํ์๊ณ , ์ด๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ์์ฌ๋ฅผ ์ ์ ํ์๋ค. ๊ทธ๋ฆฌ๊ณ ์ ์ ์ค๊ณ๋ฅผ ํตํ์ฌ Composite Sub-frame์ Thickness์ Lay-up Sequence๋ฅผ ๊ฒฐ์ ํ์๋ค.
2. FRP Mold & Composite Sub-frame์ ์ง์ ์ ์ํ์ฌ์, ๋ชจ๋ฌ ์คํ์ ํ์๋ค. ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ์ 2~10%์ ์ค์ฐจ๋ฅผ ํ์ธํ์๊ณ , ํด์์ ์ ํ์ฑ์ ๊ฒ์ฆํ์๋ค.
3. Sub-frame์ ์์ฌ๋ฅผ Steel์์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ก ๋์ฒดํ ๊ฒฐ๊ณผ, ์ฝ50% ๊ฐ๋ ๋ฌด๊ฒ ๊ฒฝ๋ํ ํจ๊ณผ๋ฅผ ํ์ธํ์๋ค.์ด์์ผ๋ก, Sub-frame์ ์์ฌ๋ฅผ ๊ฐ์ฌ์์ ๋ณตํฉ์ฌ๋ก ๋์ฒด๊ฐ๋ฅ์ฑ์ ํ์ธํ์๋ค.
ํ ๊ธฐ
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ๋ ํ๋์๋์ฐจ๊ฐ ์ง์ํ๋ ์ฐ๊ตฌ๊ณผ์ ๋ก ์ํ๋ ๊ฒ์ด๋ฉฐ, ์ง์์ ๋ํด ์ง์ฌ์ผ๋ก ๊ฐ์ฌ๋๋ฆฝ๋๋ค.
Fig. 13. Compare FRF graph between experiment & FEM
Fig. 14. Sub-frame Modal Experiment
Fig. 15. Compare FRF graph between experiment & FEM
![Page 8: Development of Lightweight Composite Sub-frame in](https://reader034.vdocuments.site/reader034/viewer/2022042914/626a66e86e1db039e15cd855/html5/thumbnails/8.jpg)
28 Doo-Heun Han, Sung Ha
REFERENCES
1. Palencia, J.C.G., Furubayashi, T., and Nakata, T., โEnergy Useand CO2 Emissions Reduction Potential in Passenger Car FleetUsing Zero Emission Vehicles and Lightweight Materialsโ,Energy, Vol. 48, No. 1, 2012, pp. 548-565.
2. Cheon, S.S., Jeong, C.-H., Ham, S.-W., and Kim, G.-S., โDevel-opment of the Piecewisely-integrated Composite BumperBeam Based on the IIHS Crash Analysisโ, Composites Research,Vol. 31, No. 1, 2018, pp. 37-41.
3. Kong, C., Park, H., and Park, K., โPaper : A Study on StructuralDesign of Natural Fiber Composites Automobile Body PanelConsidering Impact Loadโ, Composites Research, Vol. 28, No. 5,2015, pp. 285-290.
4. Brown, J.C., Robertson, A.J., and Serpento, S.T., โMotor VehicleStructures: Concepts and Fundamentals, 8, 2001.
5. Tsai, S.W., and Wu, E.M., โA General Theory of Strength forAnisotropic Materials,โ Journal of Composite Materials, Vol. 5,1971, pp. 58-80.
6. Blevins, R.D., and Plunkett, R., โFormulas for Natural Fre-quency and Mode Shapeโ, 1980, pp. 461-462.
7. Tsai, S.W., and Melo, J.D.D., โA Unit Circle Failure Criterion forCarbon Fiber Reinforced Polymer Compositesโ, Composites Sci-ence and Technology, Vol. 123, 2016, pp. 71-78.
8. Zhongfu Shenying Carbon Fiber Co., Ltd., China, SYT45 CFProperty, 2018.
9. ELG Carbon Fiber ; Recycled Carbon Fibre: A New Approachto Cost Effective Lightweighting, 2017.