이중강성을 갖는 자동차 부싱의 형상 최적설계에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 내부 접촉이 발생하는 자동차 고무 부싱에 대한 형상 최적설계의 연구를 수행한다. 자동차 부싱은 차체 연결부에 사용되는 방진재로써, 내부 및 외부 진동원으로부터 차량으로 전달되는 진동을 저감시키는 역할을 한다. 이러한 부싱은 최근 고성능 차량 개발로 인해 설계의 중요성이 부각되고 있으나, 체계적인 설계 방법론에 관한 연구가 부족하다. 고성능 차량 개발을 위해서는 R&H (Ride and Handling) 성능 개선이 중요하다. 이러한 R&H 성능은 이중 강성 (dual stiffness)을 가지는 부싱의 특성을 통해, 주행조건에 따라 낮은 강성과 높은 강성을 제공함으로써 개선 할 수 있다. 또한 차량 고성능화를 위해 부품의 내구성은 보장되어야 하며, 산업체에서도 이에 대한 중요성도 부각되고 있다. 일반적으로 차량이 험로를 주행 할 경우, 부싱은 반복하중으로 인해 파손이 발생할 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 내구성을 고려한 부싱을 설계를 하여야 한다. 본 연구에서는 앞서 언급한 두 가지 조건을 고려하여, 이중 강성 및 내구조건을 만족하는 부싱의 최적설계 과정을 제안하였다. 첫 번째 최적설계 방법으로는 형상 최적화 기법을 통하여, 자동차 부싱이 이중 강성 곡선을 가지도록 설계를 한다. 형상 최적화는 설계 공간 내의 제어점을 변경해가며 최적해를 도출 해 내는 기법이다. 이는 작은 수의 설계변수로 최적화 과정을 수행 할 수 있다는 점, 경계면을 명확히 나타냄으로써 접촉현상에 대한 최적화 과정을 잘 수행할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 이점을 고려하여, 최적설계를 위한 목적함수 및 제한조건을 제시한 후, 내부접촉을 고려한 부싱의 형상최적화 방법을 제안한다. 두 번째 최적설계 방법으로는 내구 제한조건을 추가하여 내구성을 고려한 부싱의 형상 최적설계를 진행한다. 일반적으로 고무는 최대 주 변형률 (maximum principal strain)을 사용하여 피로수명을 예측하며, 이를 제한조건으로 추가하여 최적설계를 진행한다. 하지만 최대 주 변형률을 제한조건으로 사용하면 최적화 과정 중 진동 (oscillation)이 발생하여 수렴성에 문제가 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 P-norm 개념을 도입하여 제한조건을 재 정의하고 최적화 과정을 수행하는 방법을 제안한다.