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- 저자 : 장성복(Sungbok Jang) (검색결과 6 건)
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전기자동차 플라스틱 배터리 팩 케이스의 측면 충돌 해석
장성복(Sungbok Jang),이용석(Yongsuk Lee),신철민(Cheolmin Shin),김경찬(Gyeongchan Kim),지우석(Wooseok Ji) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
전기자동차의 경우 내연기관 자동차와 마찬가지로 운행 중에 다양한 환경에 노출되며 도로에 있는 다양한 사물에 의해 차량 측면에 충격을 가하는 경우가 발생하며, 이 경우 배터리 팩 케이스 내부에 데미지를 가하여 배터리에 위해를 가할 뿐만 아니라 폭발로 이어져 차량 화재가 발생할 수 있다. 상기 측면 충돌로 인한 배터리 폭발을 막기 위하여 대부분의 배터리 팩은 케이스 외각에 충돌흡수 구조체를 부착하여 배터리에 가해지는 충돌에너지를 최소화하고 있다. 배터리가 측면 충돌에 대하여 안전성을 가지기 위해서는 배터리 팩 케이스 내부에 있는 횡부재가 충돌 흡수 구조체를 강건하게 지지하여 측면 충돌 시 충돌 에너지를 원활하게 흡수할 수 있게 설계되어야 한다. 본 연구에서는 불연속/연속/불연속 섬유가 혼합된 적층형 열가소성 복합재료를 적용한 배터리 팩 케이스에 대하여 측면 충돌 해석을 수행하였다. 복합재료는 커버 및 캐리어에만 적용되었고, FEM은 Fig.1과 같이 모델링 되었으며, 전체 289,625개의 요소가 사용되었다. 경계 및 하중 조건은 Fig.2와 같이 미국 교통부 충돌 실험 기준 (Rigid pole impact test, U.S.NHTSA, 2012)으로 설정되었다. 측면 충돌 해석 결과는 Fig.3에 나타낸 바와 같이, 충돌 흡수 구조체와 배터리 케이스 간의 분리가 확인되었다. 이로 인하여 배터리에 충돌에너지가 일부 가해지는 것을 확인할 수 있다. 본 해석을 통하여 측면 충돌 시 배터리 팩 케이스의 변형 형상, 충돌지점 등에 대한 예측을 할 수 있었으며, 향후에는 측면 충돌시의 하중의 전달 경로 등을 분석하여, 배터리에 가해지는 충돌 에너지를 최소화할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 추 후에는 본 연구결과를 바탕으로 하부 충돌(Ground Impact)에 대한 배터리 팩 케이스의 구조 건전성을 평가할 수 있을 것으로 기대된다.
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전기자동차 플라스틱 배터리 팩 케이스 캐리어의 압축 성형 해석
장성복(Sungbok Jang),이용석(Yongsuk Lee),신철민(Cheolmin Shin),이수영(Sooyoung Lee),지우석(Wooseok Ji) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
성형공정에 있어서, 성형결과를 예측하는 것은 매우 중요한 연구중의 하나이며, 해당 연구를 통하여 금형 설계 수정 비용 절감, 원재료 배치/성형 사이클 예측을 통한 원재료 절감 및 섬유 배향 예측을 통한 구조 건전성 확보에 기여할 수 있다. 본 연구에서는 불연속/연속/불연속 섬유가 혼합된 적층형 열가소성 복합재료를 적용한 배터리 팩 케이스 캐리어에 대하여 압축 성형 해석을 수행하였다. 일반적인 상용 성형해석 Tool은 유동해석 기반인 Moldflow 및 Moldex3D가 있으며, draping 해석 기반인 Pam-form 및 Aniform이 있다. 본 해석에 적용된 불연속(유동)/연속(비유동)/불연속(유동) 섬유가 혼합된 복합재료는 재질 특성 상 기존 상용 성형해석 tool로는 수행 불가능하여, Abaqus의 VUMAT을 이용하여 압축 성형 해석을 수행하였다. 빠른 해석 수행을 위하여, 소재와 금형면 과의 마찰은 없다고 가정하였다. 불연속 층은 점성 유동이 가능할 수 있게, Abaqus의 VUMAT을 이용하여 적용하였으며, 연속 층은 일반적인 구조해석 시 사용되는 선형 탄성 이론을 적용하여 모사하였다. 또한, 기존 캐리어 형상에서 원활한 성형을 위하여 Fig.1과 같이 형상 수정을 수행하였다. 불연속 층에 대한 지배적인 물성인 신장 점도는 Ref. [1]와 같이 디스크 형태의 압축치구를 이용하여 응력 및 변형률을 측정하여 계산되었다. 연속 층에 대한 물성측정은 일반적으로 복합재료 구조해석 시 적용되는 이방성 물성을 측정하여 적용되었다. 압축 성형 해석 결과에 대하여, Fig.2와 같이 압축 성형 공정을 4개의 Step으로 분리하여, 나타내었으며, Fig.3에 섬유배향 및 잔류응력 분포를 나타내었다. 성형된 파트의 모서리 부분에서 섬유가 45˚ 혹은 -45˚ 방향으로 정렬됨을 확인할 수 있으며, 이로 인해 모서리 굴곡 부에서 높은 전단 응력이 관측되는 것을 확인할 수 있다. 향후 본 연구에서 수행된 섬유 배향 예측 결과를 구조해석 시 반영하면 배터리 팩 케이스 캐리어의 구조 건전성 정확도를 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.
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전기자동차 플라스틱 배터리 팩 케이스의 PSD 진동 내구 해석
장성복(Sungbok Jang),이용석(Yongsuk Lee),신철민(Cheolmin Shin),김혜규(yegyu Kim),지우석(Wooseok Ji) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
주요 국가들은 온실가스를 감축하고, 석유의 의존도를 줄이면서 공기 질도 향상시키기 위한 다양한 방안들이 추진 중에 있으며, 이러한 정책의 일환으로 친환경 자동차 기술 개발의 필요성이 크게 대두되고 있다. 전기자동차 시장은 급성장세가 예상과 함께 배터리를 포함한 전기자동차의 높은 가격, 충전인프라 부족, 전기자동차의 짧은 주행거리 등 해결해야 할 과제들이 많으며 특히 주행거리의 확장을 위해서는 배터리 팩 케이스와 같은 주요 부품의 경량화 기술에 대한 중요성이 증대되고 있다. 그 일환으로 본 연구에서는 열가소성 복합소재가 적용된 배터리 팩 케이스의 PSD 진동 내구 해석을 수행하여 구조 건전성을 검토하였다. 진동 내구 해석은 초기 설계 단계에서 작용 하중에 대한 공진 발생 가능성과 구조물의 동적 특성을 고려하기 위하여 수행되며, 랜덤진동에 대한 실험치가 없는 경우에는 PSD 가진 이력을 이용하여 내구해석을 수행하는 것이 일반적이다. 해석 수행 시 사용된 PSD 진동 해석에 대한 요구도는 중국 규격인 GBT-31467을 참고하였으며, 해석 절차는 다음 순서와 같이, 1) 고유 진동수 해석 ➜ 2) 1g 조화응답해석 ➜ 3) PSD 진동 내구 해석 순으로 수행되었다. 고유진동수 및 1g 조화응답해석은 Abaqus를 이용하여 수행되었으며, PSD 진동 내구해석은 Fe-safe를 이용하여 수행되었다. 각각의 Step에 따른 해석결과를 Fig.1 ~ Fig.3에 나타내었다. 해석 수행 결과 Fig.3과 같이 배터리 팩 케이스에 커버와 캐리어는 안전한 피로수명을 보였으나, 횡부재와 캐리어의 연결부위에서 낮은 수명이 예측되었다. 이는 대부분 구조물의 피로해석에서 코너 및 체결 부에서 최대 응력이 도출되어 피로수명이 취약한 결과를 보이는 것과 대동 소이한 결과로 판단된다. 또한, 낮은 피로 수명을 보이는 취약한 연결 부를 보강하여 설계에 반영하면 플라스틱 배터리 팩 케이스에 대한 구조 건전성을 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
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LFT적용 플라스틱 테일게이트의 구조해석 및 설계최적화
이용석(Yongsuk Lee),장성복(Sungbok Jang),신철민(Cheolmin Shin) 한국자동차공학회 2021 한국자동차공학회 부문종합 학술대회 Vol.2021 No.6
자동차용 테일게이트(Tail gate)는 보통 SUV 차량의 트렁크 도어를 의미한다. 종전에는 철(Steel)로 만드는 것이 일반적이었지만 현재는 복합 소재(Composite)를 적용하여 개발하는 연구가 활발히 진행 중이다. 자동차의 경량화를 위해 많은 부품이 금속에서 복합재로 대체되는 상황이며 본 연구에서는 복합재료 중 LFT(Long Fiber Reinforced Thermoplastic)를 사용하여 금속이 아닌 플라스틱 테일게이트(Plastic Tailgate)를 개발하였다. 자동차용 테일게이트의 성능 요구도는 소재가 철(Steel)인 경우에 한정해서 만들어진 것이 대부분이라 플라스틱으로 소재 변경 시 추가 또는 삭제해야 할 부분이 존재하지만 본 연구에서는 테일게이트 성능에서 일반적으로 평사하는 굽힘(bending), 비틀림(Tortion), 로킹(Locking), 리프팅(Lifting) 총 4가지 경우에 대해 구조해석 기법을 적용하여 평가를 진행하였다. 굽힘(bending), 비틀림(Tortion), 로킹(Locking), 리프팅(Lifting)과 같은 강성 평가 방법은 실제 테일게이트를 열고 닫는 경우에 발생할 수 있는 상황을 반영하고 실제 시험에서는 보수적인 평가가 가능하도록 경계조건이 구성되어 있다. 본 연구에서는 완성 자동차 업체의 시험 조건에 따른 데이터를 기반으로 테일게이트의 구조해석을 진행하였다. 초기 설계 단계에서부터 외력에 따른 응력과 변형량을 평가함으로써 위상 최적화를 진행하였고 그 결과 기존에 금속으로 제작된 테일게이트와는 다르게 플라스틱 소재에 적합하게 두께 및 형상이 최적화 되었다. 본 연구에서는 구조해석 툴을 사용해 시험 방법을 고려한 FEM(Finite Element Model)(Fig.1)을 만들고 정적해석(Static Analysis)을 진행한 후, 각 조건별로 변위에 대한 결과(Fig.2)를 도출하였다. 해석 결과를 바탕으로 제품을 개발 한 후, 각 조건에 따른 실제 시험을 진행하고 시험결과와 해석결과의 상관관계를 검토함으로써 해석의 신뢰성을 확보하여 개발 제품에 대한 구조 건전성을 확보할 수 있을 것으로 기대한다.
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조규철(Kyuchul Cho),김효진(Hyojin Kim),박일주(Il-Ju Park),장성복(Sungbok Jang) 한국항공우주학회 2012 韓國航空宇宙學會誌 Vol.40 No.11
본 연구는 고효율 복합재 프로펠러를 개발하기 위하여, 항공기 프로펠러 효율 특성 해석을 수행하였다. 비선형 수치해석을 이용하여 프로펠러의 공력 특성을 분석하고, 풍동 실험결과와 비교 분석하였다. 유동해석코드는 비선형 유동방정식인 RANS(Reynolds Averaged Navier-Stocks)를 수치해석화한 코드를 사용하였다. 해석 결과, 수치해석을 통하여 얻어진 프로펠러의 추력 및 출력계수는 실험결과와 비교하여 다소 높게 분석되었으며, 추력과 출력의 비로부터 계산된 프로펠러 효율은 실험결과와 잘 부합하는 것으로 확인하였다. The analysis of aerodynamic characteristics for aircraft propellers is studied to develop high efficiency composite propellers. It is to verify the accuracy and reliability of predicting the efficiency characteristics of aircraft propellers by applying nonlinear numerical analysis. The numerical simulation method incorporated the CFD code, which is based on RANS (Reynolds Averaged Navier-Stocks) equation. The study includes a comparative analysis between the numerical simulation results and the wind tunnel test results of the full-scale aircraft propeller. The comparison shows that thrust and power coefficients of the propeller calculated by nonlinear numerical analysis are higher than those based on the results generated from the wind tunnel test. The efficiency of the propeller calculated by numerical analysis matches closely to the efficiency based on the wind tunnel test results. The verification results are analyzed, then, will be used in optimizing the design and manufacture of the subject aircraft propeller studied.
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