Optimal Section Design for Metal Press Door Impact Beam Development by 3-Point Bending Analysis

3점 굽힘 하중 해석을 통한 금속 판재형 도어 임팩트 단면형상 최적설계

Abstract

A case study was performed in order to develop well-designed of thin plate door impact beam. The conventional impact beam was consisted of steel-pipe welded two brackets on the both side, which causes low productivity and high cost. In order to overcome those disadvantage, it is necessary to develop a new type of door impact; thin plate impact beam. The thin plate impact beam was not needed a welding procedure, which can lead low cost and high productivity. In order to maximally resist from an external force, the cross-section design should be well designed. 6 different cross-section design were proposed based on engineer's experience. Three point bending test was simulated those 6 different impact beam and compared the reaction forces. Among them, one case was chosen and redesigned for detail design.

금속 일체형 판재 도어 임팩트 빔 개발을 위해 단면 형상의 최적설계를 진행하였다. 기존의 도어 임팩트는 충격을 흡수하는 강관과 양쪽에 브라켓을 용접하여 자동차에 설치하는 구조로 이루어졌다. 하지만, 브라켓을 설치하기 위한 용접작업은 생산성을 떨어뜨리고 생산단가를 증가시키는 과정이다. 이러한 단점을 극복하기 위해 일체형 판재 도어 임팩트 빔의 개발은 반드시 필요한 공정이다. 본 논문에서는 일체형 판재 도어 임팩트의 단면 형상을 수치해석의 방법으로 제안하는 연구를 진행하였다. 외부 충격에 대한 반력 하중 및 생산성을 고려하여 엔지니어의 직관적인 설계 형상 6가지에 대하여 수치해석을 진행하였다. 객관적인 비교를 위해 3점 굽힘 하중 실험을 모사하는 유한요소해석을 진행하였다. 형상과 치수가 상이한 6가지의 단면 형상 중 최적의 형상을 선정하고, 상세 설계를 위해 단면형상의 높이와 폭의 치수를 변화시키며 해석을 진행하였다. 이를 통해, 일체형 판재 도어 임팩트의 최적의 단면 형상을 제안하였다.

Fig. 1. The location of impact beam for an automobile [2]

Fig. 2. The current-production of impact door beam

Fig. 3. Three point bending analysis model

Fig. 4. The cross-section shape of the proposed impact beam

Fig. 5. Reaction forces of the various type of profiles and the original case

Fig. 6. Von Mises Stress contour at the maximum reaction force

Fig. 7. Reaction forces for various width and height of Case 3

Fig. 8. A variety of different dimensions of Case 3: the changes of width and height of forming shape

Table 1. Material properties of impact door beam