MSR(Modal Stress Recovery) 기법을 활용한 차량 개발 초기 단계 내구 민감도 해석

현대자동차 신재광 /책임

목차

1. 서론 - 연구배경 및 목적

2. 본론 - 모델링 - MSR 내구 해석 - 검증1 : MSR = MSM ? - 검증2 : VTL = VPG ?

3. 결론

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1. 서론

– 연구배경 및 목적

개발차종 대상내구시험 대상 내구시험 축소

대상시험을 위한 계측신호 감소

다양한 내구모드시험 추가

해석을 통한 내구 입력하중 예측 필요성 증대

플랫폼 공용화

1. 배경

[1.서론] 연구배경 및 목적

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[1.서론] 연구배경 및 목적

Damage Calculation

Signal Processing RLDA Force Prediction Durability

B/G Half

B/G

X/C

Damage Based Edit

2. 내구 해석 프로세스 X/C : 크로스컨츄리 B/G : 벨지안

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<24CH 가속 내구 시험>

[1.서론] 연구배경 및 목적

담당자 Flow 시험DATA 결과 해석단계

현재 이원화

(하중≠내구) 후행

(시험→해석) 필수 내구예측 3단계

개선 일원화

(하중＝내구) 선행

(해석→시험) 불필요

튜닝부품 설계가이드

1단계

3. 연구목적

현재 프로세스 : VTL + MSM

RLDA 계측 (B/G, X/C)

VTL (전달하중 해석) MSM 내구해석

내구 분석 하중 분석

신차 파생(공용)차 개선 프로세스 : VPG + MSR

MSR 내구해석

튜닝부품 설계 가이드

VPG (가상주행해석)

피드백

• 파라미터 민감도(VPG)

하중 + 내구분석

- 스프링/댐퍼/범프스토퍼/부시 강성 etc.

VPG (가상주행해석)

VPG 모델을 활용한 내구 해석 프로세스 개선

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2. 본론

– 모델링

VTL vs. VPG

[2.본론] 모델링

모델링 RLDA 정확성 가진방법 구속조건 장/단점

VTL 휠센터 직접 가진 필수

VTL > VPG

하중 경계조건 (구동력 제외) 해석 소요 시간 小

(시험 오차 O)

VPG 노면+타이어 필요 불필요 변위 실차주행 (구동력 포함) 시험 오차 X

(노면/타이어 필요)

VTL(Virtula Test Lab) : 가상시험실 해석 VPG(Virtula Proving Ground) : 가상주행해석

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타이어 모델

<참고자료 : LMS, Fundamentals of Modern Driving Dynamics, “5-LMSTraining_Ride_PUBLIC.pdf”, 2014 >

사이즈별 (14-19inch) F-Tire 모델 추가 진행

(-2015,12) 해석-시험 상관성 개선

<17인치 F-Tire 시험 vs. 해석 Correlation 결과>

<F-Tire 타이어 모델링 Process>

[2.본론] 모델링

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노면 모델

3D 실측 스캔 DATA

이용 가상노면 구성

내구로 남양 B/G 노면 스캔 (-2011.완료)

X/C, 승차감평가노면, CITY 노면 스캔 (-2013,완료) - 고주로/영국콘크리트/R&H노면/임팩트바 등 - X/C 이벤트 (6개 이벤트노면) - City로 (Sine Wave 노면등 4개 이벤트 노면)

[2.본론] 모델링

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[2.본론] MSR 내구 해석

MSR(Modal Stress Recovery) 내구 해석 Process

Nastran (Sol103)

.mnf .out(op2)

모델링(.mnf)

results (.out)

ADAMS Durabiltity Direct (.dac)

FE code (MSC Fatigue

/nCode FE-Fatigue)

Modal Stress Marix MSR = .out MSM = .op2

내구해석 모재부 : MSC Fatigue 용접부 : Seamweld

X

.fin/.fef/.fes/.fos

.fef/.fos 결과 파일을 ADAMS에서도 Posting 가능

Nastran (Sol112)

VPG/VTL Analysis

results (.op2) .Pch (.dac)

X

전달하중산출 및 좌표계 변환 (B.C.S : Body Coordinate System)

MSM(현재) MSR(개선)

하중 → .dac 파일 변환

하중 산출 불필요

MSR 내구 해석 기법 도입 배경 1. 소프트웨어 및 CPU 성능 향상 : ADAMS v2013 Post-Processing 메모리 용량 UP (v2005r2 대비) → 대용량 그래픽 처리 가능(Flex/Stress Contour등..) 2. 해석 소요 시간 단축 및 요소 기술 확보 : 시험 RLDA Data 불필요 : F-Tire / 노면 스캔을 통한 가상주행 요소기술 모델 확보 3. 프론트 로딩(Front Loading)을 통한 도면 출도전 설계 강건성 확보 : 도면 출도 전 선행 단계 튜닝 부품에 대한 내구 설계 가이드 제시

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MSR (Modal Stress Recovery) (Stress) = [Modal Stress Matrix] X [Modal Coordinates] - MSC. Fatigue 에서 - Modal Stress Matrix = .out (.op2) - Modal Coordinates = .dac (.pch) 에 대응

Theory of MSR

{x} is the vector of Physical displacements {q} is the vector of modal coordinates

{ε} is the strain vector {σ} is the stress vector [B ] is a function matrix of the FE geometry relating strains to displacement [E ] is the stress-strain relationship (constitutive equation based on the material properties)

Stress Vector

Strain Vector

Ortho-normalize,

Modal Synthesis Mehod 사용

[2.본론] MSR 내구 해석

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[2.본론] MSR 내구 해석

ADAMS Full-Car 모델구성 및 VPG 해석

<ADAMS Full-Car 해석 모델>

Driver Control : 직진주행 Step Size : 256Hz 속도 : 40kph,정속 타이어 : F-Tire 노면길이 : B/G (240m)

<ADAMS Full-Car VPG 해석(Von-Misses)>

- 유연체(Flex) 모델 : 총 4개 전륜 : 스태빌라이져바(중공) / 크로스멤버 후륜 : 스태빌라이져바(중실) / 크로스멤버

<ADAMS Full-Car VPG 해석(결과)>

해석 조건 결과

Modal Stress Matrix → (.out)

Modal Coordinates → (.dac)

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크로스멤버 스태빌라이져

전륜

후륜

ADAMS Durability 를 이용한 Hot Spot 비교(ADAMS Steel 물성 사용)

[2.본론] MSR 내구 해석

1st

2nd 3rd

4th

1st

1st

1st

Hot Spot : 응력 기준 1st → 4th 취약부 Node (Max. Principal) ▷내구 취약부 위치와 동일

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크로스멤버 스태빌라이져

전륜

후륜

ADAMS Durability 를 이용한 응력 이력 비교 (Damper 강성±30%)

[2.본론] MSR 내구 해석

+30% : 274Mpa (-1%) Org : 277Mpa -30% : 280Mpa (1%)

+30% : 495Mpa (-10%) Org : 548Mpa -30% : 607Mpa (+11%)

+30% : 365Mpa (-5%) Org : 384Mpa -30% : 413Mpa (+8%)

+30% : 242Mpa (-11%) Org : 271Mpa -30% : 306Mpa (+13%)

응력이력: 1st 취약부 응력비교 Node (Max. Principal) ▷내구 지수(수명) 증감률과 유사함

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크로스멤버 스태빌라이져 모재부 용접부 모재부

전륜

후륜

MSC.Patran Fatigue 모듈을 이용한 내구 해석

[2.본론] MSR 내구 해석

모재부 : Crack Initiation / 용접부 : SEAM_weld ▷응력이력(최대응력) 증가율과 유사함.

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[2.본론] MSR 내구 해석

검증

VTL

MSM

VPG

MSR

현재 개선

하중해석

내구해석

하중해석

내구해석

MSM : Modal Superposition Method (모드 기여도) MSR : Modal Stress Recovery (응력이력)

<MSM 해석 방법>

?

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[2.본론] 검증1

검증1 : MSR = MSM ?

Aset (123456)구속 → INT NODE

4-Point

4-Point

Mode 구성 MSR MSM

Normal

(Rigid) 20 (6)

20 (6)

RBE2(구속) 8 8

Residual 8*6=48 8*6=48

R.Vector 6 0

Total 74 68

내구해석 74-6=68 68-6=62

<MSR vs. MSM 모드개수 비교>

50%

크로스멤버

CTBA

Normal Residual

50%

97% 3%

모드개수 - MSR > MSM + 6 모드별 기여도(.dac) 비교 - Normal : 동일 - Residual : 차이 내구해석 - MSR : Full 모드 사용 - MSM : 하중 변환시 BCS변환에 의한 Rigid 모드 6개 제외

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검증1 : MSR = MSM ?

[2.본론] 검증1

전체 Damage보다 커지는 방향

<크로스멤버>

<CTBA>

※ 모드 기여도 계산 : 해당 모드 제외 후 전체 모드 대비 계산

구속조건↑ Residual 모드의 영향도↑ (크로스멤버 – Force(경계조건), CTBA - Mode)

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Normal Residual

[2.본론] 검증1

검증1 : MSR = MSM ? 하중 : VTL (벨지안 800m), 내구 : MSM vs. MSR

모재부 용접부

MSR MSM MSR MSM

크로스멤버 (전)

크로스멤버 (후)

CTBA

내구 취약부- 동일 위치, 모재부 수명 - MSR > MSM (+10%↑), 용접부 수명 - MSM > MSR (-10%↓)

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[2.본론] 검증2

검증2 : VTL = VPG ? 하중 : VTL(800m) vs. VPG(240m), 내구 : MSR

모재부 용접부

VPG VTL VPG VTL

크로스멤버 (전)

스태빌 라이져(전)

CTBA

내구 취약부- 동일 위치, 모재부 수명 - MSR > MSM (+10%↑), 용접부 수명 - MSR > MSM(+20%↑)

VTL (Virtual Test Lab.) → 시험자/시험환경 변수 고려 VPG (Virtual Proving Ground) → 타이어/노면 모델 정확성 필요

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3. 결론

– Summary

[3.결론] Summry

1. ADAMS Full-Car MBD(Multi-Body-Dynamics)모델을 구성하여 실제 내구(벨지안)노면에 대한 VPG 하중 해석 및 MSR 내구 해석을 진행하였고 설계 초기 단계 내구 검토를 위한 개선 프로세스를 제시하였음.

2. 가상 주행 해석을 활용한 내구 민감도 해석을 통해 도면 출도 전 차량 내구 개발 방향을 제시함으로써 Front Loading을 강화할 수 있음.

3. 향후 요소기술확보(타이어/노면) 및 소프트웨어 개선을 통해 해석 효율성 및

결과의 신뢰성을 향상 시킬 수 있고, 실차 시험과 해석의 상관성 확보를 바탕으로 차량 개발 과정에서 공수(비용) 절감 및 해석의 기여도를 높일 수 있음.

4. 또한, 가상차량 해석을 활용한 다양한 필드(실 사용자) 조건 재현하고 내구 문제의 근본 원인과 개선 방향을 찾아내는데 유용한 Tool로서 활용 기대됨.

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감사합니다 !!