일상 생활에서 크고 작은 힘이 전달되는 상황이 빈번하게 발생합니다. 자동차 충돌사고는 매우 큰 힘이 작용하는 대표사례 중 하나로 속도가 빠를수록 차량의 파손이 심각하게 발생하는 모습을 쉽게 볼 수가 있습니다.
찌그러짐과 같은 대변형성에서는 외부에서 발생하는 큰 힘에 대하여 에너지를 흡수하는 효과를 얻을 수 있습니다. 서스펜션과 같은 스프링 구조에서도 대변형성을 이용해 충격력을 감소시키는 역할 하며, 이러한 원리는 다양한 설계에 반영합니다.
변형에 따른 에너지 흡수효과에 대한 설계에 필요한 이유는 무엇인가?
일상 생활에서 크고 작은 힘을 주거나 받는 상황이 나타납니다. 손으로 가볍게 치는 상황도 있고, 날아오는 물체에 부딪히거나, 심하면 자동차가 충돌하는 등 다양한 상황을 빈번하게 접하게 됩니다. 물체와 충돌하는 상황에서 우리는 자연스럽게 진행방향으로 움직이면서 천천히 받거나, 넘어지면서 힘을 분산하는 낙법 등 다양한 대처를 하고 있습니다. 그렇다면 구조물에서는 어떻게 할까요?
구조 설계를 할 때에는 외부의 힘에 대해서 충분히 변형될 수 있도록 풀어줌으로써 에너지를 분산하는 역할을 합니다. 자동차 충돌과 같이 매우 큰 힘에 대해서는 재료의 소성변형을 이용한 대변형성을 통해 에너지를 흡수량을 증가시키는 설계를 하기도 합니다. 실제로 자동차 추돌사고가 났을 때 반파 수준으로 차량이 찌그러지더라도 탑승자가 안전하게 살아남을 수 있도록 설계하는 것이 핵심 기술력이라고 이야기 합니다.
이러한 현상을 이용하여 구조물의 설계안에 따른 에너지 흡수량을 확인하고 전도방지, 안전성 등 목적에 맞는 최적의 형상안을 도출하는 목적으로 실험이나 CAE 해석을 수행하게 됩니다.
대변형성에 대해 해석적 접근은 어떻게 할 수 있을까요?
CAE 해석은 이상화된 가상 공간에 모델을 구축하고 사용자가 정의한 조건대비 변형결과를 표현하므로 반드시 주의해서 적용해야 합니다. 구조물의 대변형성에 대해 CAE 해석에 반영시 비선형성을 고려하여 해석을 수행합니다. 기하비선형은 15도 이상의 휨변형을 기준으로 고려여부를 판단하며, 이때 수반되는 재료의 소성변형과 접촉박리 현상을 추가로 고려하게 됩니다.
이번 해석 예제는 트랙터 차체 프레임에 대한 ROPS (Roll Over Protective Structure) 시험을 해석 모사하는 것으로,측면과 후면에 대한 하중을 고려하고 기하 및 재료비선형 고려한 상태에서의 충격 흡수량에 대해 확인하는 것을 목표로 합니다. 2D Shell + 3D Solid element 로 간단히 구성하여 검증한 결과와 재료곡선에 따른 차이점에 대해서 간단하게 알아보고자 합니다.
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