유한요소법을 이용한 자동차휠 설계 형상 변화에 따른 구조강도 영향 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The automobile is a major transportation system that consumes fossil energy as a symbolic product of modern industrialization. Lightweight design of automobiles is one of the important tasks to be solved through research and development. A vehicle wheel is a major substructure for driving a vehicle, and is classified as a safety-related component among automobile parts. The main material of vehicle wheels is aluminum alloy and is manufactured using low-pressure casting. The degree of weight reduction and structural function of the wheel directly affect stability and braking performance during vehicle driving.

In this paper, the effect of various numbers of spokes on the stress and deformation generated in wheel manufacturing during the wheel manufacturing process was reviewed through the related equations suggested in previous studies. Structural analysis was performed by the finite element analysis program by applying the same radial pressure condition and axial load to the equivalent model with the same wheel mass and different spoke numbers. In the related equation proposed in the previous study, the reduction in the number of spokes is structurally advantageous during the manufacturing process, but in the results of the analysis with pressure applied to the equivalent model, the structural stability increased as the number of spokes increased. It was confirmed that the number should be set to 9 or less. As a result, the basic model of the wheel for optimization was studied by selecting the number of spokes as 9.

Based on the selected 9-spoke model, the wheel of the currently commercialized passenger car was set as the basic model, and it was designed in a similar shape using Autodesk’s Inventor, a 3D modeling program. In addition, the optimization model was obtained by applying a phase optimization technique to reduce the weight of the wheel model, dividing it into a design exclusion area and a phase optimization design application area. The unevenness, edges, or sharp fillets of the model by the optimization process were redesigned using Inventor to facilitate manufacturing and prevent stress concentration.

The mass of the basic model and the redesigned model was compared to confirm the degree of weight reduction of the wheel. Structural analysis was performed with ANSYS for the basic model and the redesigned model with the boundary condition applied to the center hub and the load condition applied between the rim and tire taking into account the effect of the rotational force by the wheel material and axle. By comparing and reviewing the maximum deformation and stress values obtained from the analysis results and the location of occurrence, a design technique that can maintain structural stability and reduce the wheel mass was suggested.

국문 초록 (Abstract)

자동차는 현대공업화의 상징적 산물로서 화석에너지를 소모하는 주요 교통시스템의 일부이다. 자동차의 경량화 설계는 연구 개발을 통해 해결하여야 할 중요한 과제중의 하나이다. 차량용 휠은 자동차의 주행을 위한 주요 하부 구조로서, 자동차 부품들 중에서 안전에 관련되는 부품으로 분류된다. 차량용 휠의 주 재료는 알루미늄 합금이며 저압주조법을 사용하여 제조한다. 휠의 경량화 정도와 구조 기능은 차량 주행 과정 중의 안정성, 제동성 등에 직접 영향을 준다.

본 논문에서는 휠의 제작과정에서 다양한 개수의 스포크가 휠 제조에서 발생되는 응력과 변형량에 미치는 영향을 선연구에서 제안된 관련식을 통해 검토하였다. 휠의 질량이 동일하며 스포크 수가 서로 다른 등가모델에 반경방향의 압력조건과 축방향 하중을 동일하게 적용하여 유한요소해석 프로그램에 의해 구조해석을 수행하였다. 선연구에서 제안한 관련식에서는 스포크 수의 감소가 제작과정에서 구조적으로 유리하지만 등가모델에 압력을 가한 해석의 결과에서는 스포크 개수가 많을수록 구조적 안정성이 증가되었으며, 축방향 하중을 가한 해석의 결과에서는 스포크 수가 9개 이하로 설정해야 함을 확인하였다. 따라서 최적화를 위한 휠의 기본 모델은 스포크 수는 9개로 선정하여 연구를 진행하였다.

선정한 9-spoke 모델을 기반으로 상용화된 승용차의 휠을 기본 모델로 설정하였고, 이를 3D 모델링 프로그램인 오토데스크社의 인벤터(Inventor)를 활용하여 유사한 형상으로 설계하였다. 또한, 휠 모델의 경량화를 목표로 위상최적화 기법을 적용하여 림과 휠의 두께 및 특성을 고려한 설계 제외영역과 위상최적화 설계 적용 영역으로 구분한 후 설정된 영역에 최적화 과정을 ANSYS로 수행하여 최적화 모델을 얻었다. 최적화 과정에 의한 모델의 요철, 모서리 또는 굴곡진 부분은 제조가 용이하고 응력집중이 발생되지 않도록 인벤터를 사용하여 재설계하였다.

휠의 경량화 정도를 확인하기 위해 기본 모델과 재설계 모델의 질량을 비교하였다. 기본 모델과 재설계된 모델을 대상으로 휠의 재질, 차축에 의한 회전력의 영향을 고려하여 중앙 허브에 적용한 경계 조건, 림과 타이어 사이에 작용하는 하중 조건을 부여한 구조해석을 ANSYS로 수행하였다. 해석결과로부터 얻은 최대 변형량 및 응력 값과 발생 위치를 비교 및 검토하여 구조적 안정성을 유지하고 휠의 질량을 감소시킬 수 있는 설계 기법을 제시하였다.