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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 서명원
- 발행연도
- 2021
- 저작권
- 성균관대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
이용수11
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수소 버스의 구조는 상부에 수소시스템이 탑재된 형태로, 수소탱크와 고정용 브래킷으로 구성되어 있다. 주행 중 다양한 버스의 사고 유형을 비교했을 때 전복사고의 경우는 전복 시 운전자와 다수의 승객에게 치명적인 피해를 유발할 수 있다. 특히, 수소 버스의 경우는 전복 시 수소시스템이 지면과 충돌하여 2차 사고가 유발될 수 있다. 따라서 수소시스템의 안전성을 고려하는 것은 필수적이다.
미국과 유럽의 경우에는 관련 규정인 FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standard) 및 ECE R No. 66(Economic Commission for Europe Regulation No. 66)을 통해서 버스의 전복 안전성 평가 기준을 규정하고 있다. 하지만 수소시스템이 포함된 수소 버스의 전복 안전성 평가 기준은 미흡한 상황이다. 따라서 수소 버스의 전복 안전성을 평가하기 위한 선행 연구가 필요하다.
본 연구에서는 버스 상단의 수소시스템을 평가하기 위한 방법으로 등가 모델을 활용한 해석 방법을 제안하고자 한다. 모든 구성요소가 포함된 버스 기본 모델과 프레임 및 필러 등으로 구성된 스트럭쳐 모델의 FEM(Finite Element Model)을 구성하였다. 기본 모델에서 제거된 구성요소들을 대신할 수 있는 집중 질량을 부여하여 질량중심과 관성모멘트를 보상해 줄 방법을 고안하였다. 또한, 기본 모델과 집중 질량을 적용한 스트럭쳐 모델의 유한요소 해석 결과를 비교하였다. 전복 거동에 영향을 미치는 주요 구성요소를 선정하였으며 이를 제외하고 집중 질량을 적용한 등가 모델을 고안하여 기본 모델과의 전복해석 수행 결과를 비교하였다. 이를 통해 등가 모델을 사용하였을 때 기본 모델의 전복 거동을 모사하면서 해석 시간을 감소시킬 방법을 제안하였다.
상부 연료장치 브래킷의 안전성 향상을 위하여 구조 최적설계를 수행하였다. 앞서 제안한 등가 모델을 사용하여 해석을 수행하였고, 브래킷의 각 부위별 두께를 설계변수로 선정하였다. 전복 시 브래킷의 변형을 최소화하는 것으로 목적함수를 정의하였다. 중심합성계획법(Central Composite Design; CCD)을 사용하여 실험계획법(Design of Experiment; DOE)을 수립하였고 분산 분석(Analysis of variance; ANOVA)과 반응표면법(Response Surface Method; RSM)를 사용하여 Meta-model을 구성하였다. 이를 통하여 변형량 감소에 영향을 미치는 설계변수들을 추정하고 최종적으로 기존 브래킷 모델 대비 전복 무게가 증가하지 않고 변형이 감소하는 브래킷 구조 최적 안을 도출하였다.
본 연구 결과는 등가 모델을 통해 버스의 모든 구조물을 구축하지 않고, 상부 수소 연료장치의 거동을 평가할 방법을 제안하였으며, 연료장치 브래킷의 구조 최적설계를 통해 브래킷의 변형을 감소시킬 수 있는 설계의 방향성을 제시하였다.
미국과 유럽의 경우에는 관련 규정인 FMVSS(Federal Motor Vehicle Safety Standard) 및 ECE R No. 66(Economic Commission for Europe Regulation No. 66)을 통해서 버스의 전복 안전성 평가 기준을 규정하고 있다. 하지만 수소시스템이 포함된 수소 버스의 전복 안전성 평가 기준은 미흡한 상황이다. 따라서 수소 버스의 전복 안전성을 평가하기 위한 선행 연구가 필요하다.
본 연구에서는 버스 상단의 수소시스템을 평가하기 위한 방법으로 등가 모델을 활용한 해석 방법을 제안하고자 한다. 모든 구성요소가 포함된 버스 기본 모델과 프레임 및 필러 등으로 구성된 스트럭쳐 모델의 FEM(Finite Element Model)을 구성하였다. 기본 모델에서 제거된 구성요소들을 대신할 수 있는 집중 질량을 부여하여 질량중심과 관성모멘트를 보상해 줄 방법을 고안하였다. 또한, 기본 모델과 집중 질량을 적용한 스트럭쳐 모델의 유한요소 해석 결과를 비교하였다. 전복 거동에 영향을 미치는 주요 구성요소를 선정하였으며 이를 제외하고 집중 질량을 적용한 등가 모델을 고안하여 기본 모델과의 전복해석 수행 결과를 비교하였다. 이를 통해 등가 모델을 사용하였을 때 기본 모델의 전복 거동을 모사하면서 해석 시간을 감소시킬 방법을 제안하였다.
상부 연료장치 브래킷의 안전성 향상을 위하여 구조 최적설계를 수행하였다. 앞서 제안한 등가 모델을 사용하여 해석을 수행하였고, 브래킷의 각 부위별 두께를 설계변수로 선정하였다. 전복 시 브래킷의 변형을 최소화하는 것으로 목적함수를 정의하였다. 중심합성계획법(Central Composite Design; CCD)을 사용하여 실험계획법(Design of Experiment; DOE)을 수립하였고 분산 분석(Analysis of variance; ANOVA)과 반응표면법(Response Surface Method; RSM)를 사용하여 Meta-model을 구성하였다. 이를 통하여 변형량 감소에 영향을 미치는 설계변수들을 추정하고 최종적으로 기존 브래킷 모델 대비 전복 무게가 증가하지 않고 변형이 감소하는 브래킷 구조 최적 안을 도출하였다.
본 연구 결과는 등가 모델을 통해 버스의 모든 구조물을 구축하지 않고, 상부 수소 연료장치의 거동을 평가할 방법을 제안하였으며, 연료장치 브래킷의 구조 최적설계를 통해 브래킷의 변형을 감소시킬 수 있는 설계의 방향성을 제시하였다.
목차
제1장 서론 11.1 연구 배경 11.2 연구 동향 31.3 연구 목적 51.4 논문 구성 7제2장 관련 이론 82.1 질량중심(Center of mass) 92.2 질량 관성모멘트(Moment of inertia) 102.3 기계적 에너지(Mechanical energy) 112.4 내부 에너지(Internal energy) 122.5 실험계획법(Design of experiment) 132.6 반응표면법(Response surface method) 14제3장 전복시험 조건 153.1 전복시험 규정 153.1.1 ECE R No. 66(Economic Commission for Europe Regulation No. 66) 153.1.2 자동차 및 자동차부품의 성능과 기준에 관한 규칙 183.1.3 버스 실차 전복시험 183.2 전복해석 조건 20제4장 유한요소 해석 224.1 유한요소 해석 조건 234.2 유한요소 모델 254.3 등가 모델 294.3.1 기본 모델과 집중 질량을 적용한 스트럭쳐 모델의 전복해석 결과 324.3.2 기본 모델과 등가 모델의 전복해석 결과 354.4 연료장치 브래킷 394.4.1 연료장치가 탑재된 버스모델 414.5 연료장치 브래킷이 탑재된 버스의 전복해석 결과 43제5장 연료장치 안전성 향상을 위한 브래킷 구조 최적화 465.1 브래킷 구조 최적화 문제 정식화 465.2 반응표면법을 위한 실험계획법 505.3 반응표면법 결과 분석 525.4 브래킷 구조 최적화 결과 62제6장 결론 및 향후 연구 과제 666.1 결론 666.2 향후 연구 과제 69참고문헌 70
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