A study on reducing the deflection of circular tubes under transverse impact through slits

Abstract

Recently, with the development of transportation, the number of vehicles is increasing and the number of traffic accidents is also increasing. Accordingly, the issue of securing collision safety for passengers is rapidly emerging as a key issue. To ensure the passengers safety, the structure under impact must absorb the impact energy and minimize structural deformation that threaten the safety of passengers. Thin-walled structures are most widely used for structures subjected to impact loads and are used in airplanes, automobiles and trains. The deformation caused by the crash of thin-walled tube of a cowl cross bar used in a vehicle is investigated. The cowl cross bar causes permanent deflection due to transverse impact, which deflects towards the occupant and causes injury. The safety of the occupants can be ensured by reducing the permanent deflection towards the occupants. The material or geometry must be improved for thin-walled tubes to perform better in crashes. Existing research methods are all focused on the axial loading, and most of them improve collision performance, but bring additional weight increase. A recent trend in the automotive industry is to reduce weight and improve fuel economy. In this study, the tube deformation subjected to transverse loading was investigated through finite element analysis. Slit patterns are etched between the tube center and the impact plate to decrease the maximum displacement. By adjusting the aspect ratio, the number of slits, and the range of the patterned area, we investigated how the slits affect the tubes maximum deflection. We find that the thin longitudinal slits are effective in reducing the maximum displacement by making the impact energy dissipated by the cross-section into an elliptical shape. Carving slit patterns into the surface of the tube has the additional benefit of not significantly changing the bending rigidity and not increasing the weight.

최근 교통수단의 점진적인 발달로 인하여 도로 위의 차량이 증가하고 있으며 교통사고 또한 증가하고 있다. 이에 따라 탑승객의 충돌 안정성 확보 문제가 핵심 이슈로 급부상하고 있다. 승객의 안전을 확보하기 위해서는 충격을 받는 구조물이 충격 에너지를 흡수하고 승객의 안전을 위협하는 구조적 변형을 최소화하는 것이 필요하다. 충격 하중을 받는 구조에는 박판 구조들이 가장 널리 사용되며 비행기, 자동차, 기차와 같은 곳에도 사용되어오고 있다. 그 중에서도 본 연구에서는 차량에 사용되는 카울 크로스 바의 박판 튜브에 대해 초점을 맞추고 있으며 충돌로 인해 발생하는 변형에 대해 분석한다. 카울 크로스 바의 박판 튜브 구조는 횡방향 충격으로 인해 변형이 발생하고 이 변형이 탑승객 쪽을 향하게 되며 탑승객의 상해를 야기하게 된다. 이러한 구조는 충격으로 인해 발생되는 영구적인 변형을 줄임으로써 탑승객의 안전을 확보할 수 있다. 영구적인 변형을 감소시키기 위한 선행 연구들은 재료를 개선하거나 기하학적 구조를 개선하는 방식으로 진행되어오고 있다. 하지만 기존의 방식들은 고비용, 추가적인 무게 증가라는 문제점이 존재한다. 이에 본 연구에서는 슬릿 패턴을 이용하여 변형 모드를 조절하여 추가적인 무게 증가 없이 박판 튜브의 영구적인 변형을 감소시키고자 한다. 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 횡방향 충격을 받는 박판 튜브 구조의 변형에 대해 분석한다. 충격으로 인해 박판 튜브의 중앙부에 발생하는 최대 처짐을 감소시키기 위해 양쪽의 충돌부 사이에 슬릿 패턴을 새긴다. 슬릿 패턴의 종횡비, 두께, 개수 및 새겨지는 범위를 조절하여 슬릿 패턴이 박판 튜브의 최대 처짐에 미치는 영향에 대해 연구한다. 본 연구를 통해 종방향 슬릿이 충격 에너지를 소모하여 박판 튜브의 단면 형상을 타원형으로 변형시키는데 효과적이며 박판 튜브의 최대 처짐을 감소시킬 수 있는데 효과적이라는 사실을 도출하였다. 또한, 패턴을 새김으로써 박판 튜브의 굽힘강성이 크게 감소하지 않는다는 점과 추가적인 무게 증가가 없다는 장점이 존재한다.