CopyrightⒸ 2016 KSAE / 142-02pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149

DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2016.24.3.273

<기술 논 문>

Transactions of KSAE, Vol. 24, No. 3, pp.273-278 (2016)

273

분산 분석을 이용한 자동차 안 벨트 정 해석과 인장시험 상 성 개선

이 섭*1)․어 우1)․김 삼 성2)․김 두 용1)․송 택 림1)․이 경 상1)

우신세이 티시스템 기술연구소 선행개발 1)․우신세이 티시스템 품질보증 2)

Quasi-static Analysis of Vehicle Seatbelt Using Analysis of Variance and Improvement of Tensile Test Correlation

Kwangseop Lee*1)․Youngwoo Eo1)․Samsung Kim2)․Dooyong Kim1)

․Taeckrim Song1)․Kyeongsang Lee1)

1)Advanced Research & Development Team, Wooshin Safety Systems, 83 Gasan digital 1-ro, Geumcheon-gu,Seoul 08589, Korea

2)Quality Assurance Team, Wooshin Safety Systems, 295 Toseong-ro, Hyangnam-eup, Hwaseong-si, Gyeonggi 18589, Korea(Received 2 July 2015 / Revised 14 March 2016 / Accepted 29 March 2016)

Abstract : This study makes a relative comparison of the results of tensile test and quasi-static analysis using AGL(Adjuster Guide Loop) model that plays a role in adjusting the height of shoulder belt, of the components of the vehicle seatbelt system and attempts to propose a method of reducing the error rate of the quasi-static analysis technique effectively. This study selects two major factors affecting the result of an analysis, draws the result of analysis through the method of experimental design, one of the statistical techniques and understands the contribution rate of the major factors affecting the result of the analysis through ANOVA(Analysis of Variance).

Key words : Quasi static analysis( 정 해석), ANOVA(분산 분석), Inertia relief method( 성 제거법), Statistics technique(통계 기법), Tensile test(인장 시험), Seatbelt(안 벨트), Design of experiments(실험계획법)

1. 서 론1)

인장 시험은 통상 으로 수십 의 시간이 소요되

며, 이러한 실제 시험 소요 시간을 해석 경계 조건으로 동일하게 용한다면 LS-Dyna1)와 같은 동 외

연 (dynamic explicit) 알고리즘을 사용하는 로그램에서는 solving time이 무한 로 커지기 때문에 정

상 인 해석을 수행할 수가 없게 된다. 일반 으로

인장 시험과 같이 시간 증가량에 따라 제품이 변화

하는 거동을 분석해야 하는 해석은 동해석(dynamic analysis)으로 분류하고 있으며, 무한 로 증가하는

solving time을 폭 감소시키고, 해석 문제를 단순

*Corresponding author, E-mail: kwangseop.lee@wooshinss.com

화하기 해 동 하 의 향이 무시될 수 있을 정

도로 작다면 동해석을 정해석(static analysis)으로 단순화 시킬 수가 있다.2) 이러한 과정을 효과 으로

풀 수 있는 해석 방법으로는 정 해석(quasi static analysis)이 있으며, 일반 으로 이를 해석 으로 활

용하고 있다. 본 연구에서는 해석 조건으로 이러한 성의 동 효과를 최소화하기 한 주요 인자를

선정하고, 실험계획법(design of experiments)을 이용한 정 해석 결과를 분산 분석(analysis of vari-ance)을 통해 기여도를 악하 으며, 인장 시험 결과와 상 성 검증을 통해 해석 결과의 신뢰성을 향

상시켰다.3)

이 섭․어 우․김삼성․김두용․송택림․이경상

한국자동차공학회논문집 제24권 제3호, 2016274

2. 해석 모델 주요 원인 변수 선정

2.1 Fe Model본 연구에서는 자동차 안 벨트 시스템 구성품

Fig. 1의 AGL(Adjuster Guide Loop) 인장 시험을 주제로 선정하 으며, 이는 차량 B-Pillar에 장착되어 Fig. 2와 같이 button을 러 shoulder belt의 상, 하 높낮이를 조 하는 역할을 한다.본 해석에서 사용된 유한요소모델은 Fig. 3과 같

으며, Pre/Post process는 Hypermesh4)와 LS-Prepost5)

를 사용하 다. Solver는 동 외연 유한 요소 해

Fig. 1 AGL tensile test model of seatbelt system

Fig. 2 AGL Mechanism

Fig. 3 AGL quasi-static analysis model of seatbelt system

석 로그램인 LS-Dyna를 통해 정 해석을 수행

하 다. 경계 조건은 AGL 유한요소모델을 지그(jig)에 볼트(bolt)로 구속하고, 하 조건은 Z-Axis 방향으로 인자별 loading curve를 용하여 인장 시험을 묘사하 다.

2.2 주요 원인 변수 선정 실험계획법

본 연구에서는 인장 시험을 효과 인 정 해석

으로 묘사하기 해 성 제거법(inertia relief method)6)

을 용하여 운동에 지를 최소화 시켰다. 성의

동 효과를 최소화하기 하여 최 하 도달 시

간에 해당하는 loading curve의 기울기와 damping global value를 주요 인자로 선정하 다.3)

2.2.1 Loading Curve 기울기

성에 한 해석 결과의 향도 분석을 해 첫

번째 주요 인자인 최 하 에 도달하는 loading curve의 기울기를 Fig. 4와 같이 3개 수 으로 분류

하 다.

2.2.2 Damping Global ValueLS-Dyna에서는 최 의 damping global value는 아

래의 평가식을 추천하고 있다.1)

(DS)critical = 2ω min

평가식에서 ω min은 모달해석(modal analysis)을

분산 분석을 이용한 자동차 안 벨트 정 해석과 인장시험 상 성 개선

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 24, No. 3, 2016 275

Fig. 4 Each levels of loading curve slop

Table 1 Modal analysis results

통해 얻어진 여러 개의 해석 결과 모드 에서 심

모드를 단하고, 그 가장 낮은 고유진동수에 해당하는 모드의 각속도 수치를 의미한다.본 연구에서는 LS-Dyna의 implicit code를 사용하

여 모달해석을 수행하 으며, Table 1, Fig. 5와 같이 모드 해석 결과를 도출하 다.

4차 모드의 고유진동수 677.64 Hz에서 인장 시험 결과와 가장 유사한 모드를 얻게 되었으며, 평가식을 통해 환산하여 damping global value의 인자 Table 2의 Level 3으로 선정하 다.

Level 1은 damping global value 유무의 차이를 분석하고자 선정하 으며, Level 2는 자동차 해석 분야에서 통상 으로 정 해석시 용되는 수치이다.

2.2.3 Design of ExperimentsTable 3과 같이 선정된 2개의 주요 인자를 바탕으

로 Table 4와 같이 L9(3수 2인자) matrix를 생성하고, 해석을 수행하 다. Level 2로 구성된 Case 05는 당사 기 해석 경계 조건을 나타낸다.

Fig. 5 Modal analysis results

Table 2 Each levels of damping global value

3. 인장 시험과 정 해석 결과 분석

3.1 인장 시험 결과 분석

AGL 인장 시험은 일반 으로 최상단, 단, 최하

Kwangseop Lee․Youngwoo Eo․Samsung Kim․Dooyong Kim․Taeckrim Song․Kyeongsang Lee

한국자동차공학회논문집 제24권 제3호, 2016276

Table 3 Each levels of main factors

Table 4 Orthogonal array

Table 5 Tensile test results of AGL

단으로 구분하여 실시하며, 본 연구에서는 최상단 장착 치(top position)를 기 으로 시험을 진행하

다. AGL 인장 시험 결과는 자가 사내에서 인장 시험을 통해 얻은 결과로 Table 5와 같이 총 3회 실시하 다.

3회 시험 결과 공통 으로 일(rail)과 슬라이더(slider)를 고정하는 핀(pin)이 이탈되면서 슬라이더가 시험 최상단 치에서 Fig. 6 ~ 8과 같이 시험후 최하단(bottom position)으로 이동하는 거동 특성을 나타냈다.본 연구의 시험 목 은 해석 결과의 신뢰성을 검

증하기 해 인장 시험 법규 하 인 14.7 kN보다 가혹 조건에서 제품의 한계 하 을 평가하고자 진행

Fig. 6 Tensile test 01 result of AGL

Fig. 7 Tensile test 02 result of AGL

Fig. 8 Tensile test 03 result of AGL

하 으며, 이는 법규 기 을 만족하는 제품이므로

실차의 충돌시험이나 법규내 하 의 정 시험에

서는 핀 이탈로 인한 슬라이더의 거동 특성은 나타

나지 않는다.

3.2 정 해석 결과 분석

AGL 정 해석은 인장 시험과 동일한 최상단

Quasi-static Analysis of Vehicle Seatbelt Using Analysis of Variance and Improvement of Tensile Test Correlation

Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, Vol. 24, No. 3, 2016 277

Table 6 FEA results of AGL

장착 치를 기 으로 진행하 으며, Table 6과 같은 결과를 얻게 되었다. 해석 결과는 resultant force를 통해 슬라이더를 고정하는 핀이 일에서 이탈

되는 시 을 기 으로 평가하 다.

Fig. 9 FEA result of AGL on 0 msec

Fig. 10 FEA result of AGL on 42 msec

Fig. 11 FEA result of AGL on 53 msec

Case 05는 당사 기 용 해석 결과이며, 3회 시험 결과의 편차내 수 으로 신뢰성이 높음을 알 수

있었다. 한 재 해석 조건인 loading rate 0.375, damping global 0.10은 인장시험을 정 해석으로

히 묘사하고 있다는 것을 검증할 수 있었다. Case 05의 해석 결과 거동 특성은 Fig. 9 ~ 11과 같으며, 이는 최 하 도달 시 에서 일과 슬라이더

를 고정하는 핀이 이탈되면서 슬라이더가 최상단

치에서 최하단으로 이동하는 인장 시험 결과와

동일 수 의 거동 특성을 나타내었다. Case 03, 06, 09는 평가식에 의해 계산되어진 damping global value를 용한 결과로써 과도한 감쇠 향 때문에 30 kN 하 조건에서는 단이 발생하지 않아 시험 결과

비 많은 차이를 나타내었다. 평가식에 의한 damping constant는 AGL과 같은 여러 개의 트(part)로 이루어진 어셈블리(assembly)모델에는 합하지 않은

것으로 단되어진다.

4. 분산 분석을 이용한 기여도 분석

분산 분석은 평균값을 기 로 여러 집단을 비교

하고, 이들 집단간에 차이가 있는지 가설 검증을 통해서 상 계를 악하는 통계 분석 기법이다.본 연구에서는 독립변수가 2개인 경우 집단간 평

균 비교를 한 분석 방법 하나인 이원 분산 분석

(two-way analysis of variance)을 통해 앞서 선정된 2개의 인자가 해석 결과에 미치는 기여도를 검토하

다.Table 7은 분산 분석 결과를 나타내며, excel의

data분석(분산 분석:반복 없는 이원 배치법)을 이용

이 섭․어 우․김삼성․김두용․송택림․이경상

한국자동차공학회논문집 제24권 제3호, 2016278

Table 7 Results of two-way analysis of variance

하여 구한 수치이며, 기여율은 SS(factor)와 SS(total)의 비로 계산하 다.분산 분석 기여율 검토 결과 damping global value

(P2) 인자가 해석 결과에 미치는 기여도는 97 % 수으로 Loading Rate(P1) 기여도 1.7 % 비 매우 요한 인자로 검증되었다.

5. 결 론

본 연구에서는 자동차 안 벨트 시스템 구성품

AGL 인장시험을 효과 인 정 해석으로 묘

사하기 해 동 외연 유한 요소 로그램인

LS-Dyna를 이용하여 해석을 수행하 다. 해석 결과에 향을 미치는 2개의 주요 인자를 선정하여 통계 기법 하나인 실험 계획법을 통해 matrix를 생성하여 L9 모델의 해석을 수행하 으며, 당사 수 해

석 결과의 신뢰성을 확보하 다. 한 분산 분석을 통해 주요인자가 해석 결과에 미치는 기여도를

악하 다. 본 연구를 통해 다음과 같은 결론을 얻게 되었다.1) 분산 분석을 통해 Fig. 12와 같이 loading rate와

damping global value가 정 해석 결과에 미치

는 기여도를 검증하 으며, 이를 통해 인장 시험 결과와 해석 결과의 상 성을 확보하게 되었다.

2) 인장 시험 편차내 정 해석 결과 도출로 인하

여 당사 재 용 인 경계 조건의 신뢰성을 검

증을 하 으며, 재 조건은 정 해석의 특성

을 히 묘사하고 있음을 알게 되었다.3) 본 연구를 통해 확보되어진 주요 인자의 최 수

확립을 통해, 향후 타 해석 수평 개시시험 비 해석 결과를 보정하는데 있어 시간 단축

해석 신뢰성을 향상할 수 있게 되었다.7,8)

Fig. 12 FEA result of AGL

References

1) LSTC Inc., LS-Dyna Keyword User's Manual Ver.971 R6.1.0, 2012.

2) MIDAS IT., Technical Paper, http://www.midasit. com, 2015.

3) J. Kim and M. Song, “Quasi-static Seatbelt An-chorage Simulation Using by Taguchi Method,” KSAE Fall Conference Proceedings, pp.1605- 1609, 2005.

4) Altair Engineering, Altair Hypermesh User's Guide Ver.13, 2015.

5) LSTC Inc., LS-Prepost Training Manual, 2015. 6) J. Song, H. Park, H. Kang and S. Yang, “The

Analysis of Practical Dynamic Load of Struc-ture with Quasi-static Analysis and Inverse Problem,” KSAE Spring Conference Procee-dings, pp.651-657, 2001.

7) K. Lee, D. Kim, H. Yun and K. Lee, “Impro-vement of the Correlation between Sled FEA and Test of Vehicle Seatbelt System Using the Statistics Technique,” Transactions of KSAE, Vol.23, No.4, pp.454-461, 2015.

8) K. S. Lee, A Study on Improvement of the Correlation between Frontal Sled FEA and Test of Vehicle Seatbelt System, M. S. Thesis, Ajou University, Suwon, 2014.