점용접 모자형 사각관의 충돌성능에 대한 신뢰도 기반 최적설계

Abstract

최근 유가 상승과 원자재 비용 상승 등으로 인하여 자동차업계에서는 연비 향상과 제작비용 감소의 두 가지 목표를 동시에 달성하고자 차체 경량화를 목표로 다양한 연구들을 진행하고 있다. 이와 동시에 점차 차량의 충돌 안전성에 관한 법규 및 상품성 평가가 강화되면서 차량 제작사들은 충돌 안전성능이 우수한 차량을 개발하고자 노력하고 있다. 차량의 정면충돌 시 충돌에너지의 대부분을 흡수하는 부재는 차량 앞부분에 설치되는 프런트 사이드 멤버와 차량 하부의 수많은 프레임 등이며 이러한 부재들을 효과적으로 설계함으로써 차량의 충돌성능 향상을 꾀할 수 있다. 이러한 종방향 부재는 사각관의 형태를 띄고 있으므로 주로 이를 단순화한 모자형 사각관(hat type member)을 이용하여 충돌성능에 관한 연구를 수행한다. 실제 모자형 사각관의 충돌 시에는 두 개의 강판을 고정시키고 있는 점용접부가 파단 되면서 충돌성능에 영향을 미치게 된다. 하지만 기존에 모자형 사각관에 대한 실험적, 이론적인 연구들의 경우 이러한 점용접의 파단을 체계적으로 고려하지 않고 있다. 특히 점용접부는 제작 시에 제어할 수 없는 다양한 불확실성에 의하여 정확한 파단 조건의 예측이 어렵기 때문에 설계 시 이러한 불확실한 용접점 파단의 영향을 고려하기 위해서는 신뢰도 기반 최적설계 기법을 도입하여야 한다. 본 연구의 목적은 반응표면법을 이용한 신뢰도 기반 최적설계 과정을 통하여 용접점 파단의 불확실성을 고려하면서 충돌 제한 조건을 만족하는 모자형 사각관의 최적 경량설계를 달성하는 것이다. 신뢰도 기반 최적설계를 위한 확률 변수의 도입은 반응표면을 구성하는 과정에서 계산량을 크게 증가시킴과 동시에 반응의 비선형성을 증가시키므로 기존의 반응표면법을 이용한 신뢰도 기반 최적설계 방법으로는 신뢰성 있는 최적해를 구할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 새로운 반응표면법을 적용한 신뢰도기반 최적설계 알고리즘을 제안하였다. 반응표면을 구성할 때에 불필요한 계산량을 최소화하고 용접점의 파단 여부를 고려한 새로운 반응표면법을 적용함으로써 최적해의 신뢰성을 확보할 수 있었다. 최종적으로 신뢰도 기반 최적설계 과정으로 구한 최적해와 확정론적 최적설계 과정으로 구한 최적해를 비교해보고 의미를 고찰하였다. 신뢰도 기반 최적설계를 수행하였을 경우 확정론적 최적설계를 수행하였을 때에 비하여 최적 질량이 증가하는 것을 확인하였고, 민감도 분석을 통하여 두 설계 방법이 서로 다른 설계방향을 제시하는 것을 확인하였다.