파형관 형태 충돌에너지 흡수장치의 최적설계

초록

최근, 자동차 및 철도 분야의 경량화, 고속화로 인하여 충돌안전분야의 중요성이 증가하고 있다. 박판관은 가볍고 에너지 흡수 효율이 좋아 충돌에너지 흡수장치로써 널리 이용되고 있다. 그러나, 통상적인 박판관은 PCF (Peak Crush Force)가 높게 유발되고 반복적으로 나타나는 피크하중 때문에 안정성이 떨어진다. PCF를 감소시키고 안정성을 높이기 위한 목적으로 파형관이 도입되었다. 파형관의 성능은 기하학적 형상에 따라 달라지기 때문에 최적 설계 기법을 활용하여 파형관의 성능을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서는 내충격성 해석에 기초한 형상설계 최적화를 수행하고 그 결과를 실험적으로 검증하였다. 파형관의 직경과 두께, 파형의 진폭과 파장을 설계변수로 고려하였으며, 적응 근사모델에 기반하여 최적설계의 해를 획득하였다. PCF를 제약조건으로 에너지 흡수(EA)를 최대화하는 최적 설계 문제는 CFE (Crush Force Efficiency)를 최대화하는 문제로 귀결되어 충돌에너지 흡수장치의 안정성을 매우 높일 수 있었다. 또한, 금속 3D 프린팅 기법을 사용하여 316L 강재로 파형관 튜브를 제작하고 정적 및 동적 압축 테스트를 수행했다. 시뮬레이션 결과와 실험 결과가 유사하다는 것을 보여줌으로써 개발된 최적 설계 기법의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 또한 정적 압축시험과 동적 압축시험의 비교를 통해 충격속도에 따라 충돌 거동이 달라지는 것을 확인할 수 있었다.