In this study, a study on the shape optimization of vehicle bushings with dual stiffness is proposed. The R&H (Ride and Handling) performance can be enhanced by the proper employment of dual stiffness which offers low stiffness or high stiffness depending on driving conditions. Also durability condition is one of the requirements in high performance cars and the importance of durability has also been highlighted in industry. In this study, the optimal design process of vehicle bushings of dual stiffness is proposed considering durability condition.
First, the shape optimization of vehicle bushing with dual stiffness is studied. The shape optimization is carried out changing control points in the design space. This optimization method can get optimal solutions using small number of design variables. Moreover, this method is convenient for considering inner contact effect because spline curve can define design boundary explicitly. The objective function and constraints for an optimal design are suggested and the shape optimization considering inner contact is proposed.
Secondly, the shape optimization of vehicle bushings with durability condition is presented. In general, a fatigue life of rubber is predicted by the maximum principal strain. Therefore this maximum principal strain is treated as a damage parameter and is included as a constraint in optimization formulation. However, when the maximum principal strain is directly used in constraints, the oscillation is occurred in optimization process and it is not guaranteed to converge. In this study, the constraint is redefined using P-norm and solution method of the problem is suggested.
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.
