자동차에 사용되는 리벳의 충돌시험

리벳은 자동차가 충돌할 때도 자동차의 새시를 신뢰성 있게 유지해야 한다. 이전에는, 리벳이 얼마나 많은 하중을 견딜 수 있는지를 정밀하게 예측하는 것이 어려웠다. 이제, 더 우수한 모델이 현실적인 예측을 가능케 한다.

자동차는 강철, 알루미늄, 마그네슘, 강화 플라스틱 등 다양한 종류의 물질로 제작된다. 이것들은 서로 신뢰성 있게 연결되어야 한다. 즉, 만약 조인트부가 충돌 상황에서 느슨해졌더라도, 승객들은 이전보다 더 큰 부상의 위험에 직면해서는 안 된다. 제작회사들은 완전하게 강철로 제작된 자동차를 위해 용접장치를 사용한다. 그런데 만약 당신이 강철을 알루미늄과 결합시키거나 강철을 플라스틱 재료와 결합시키고자 한다면, 기존의 용접 기술은 사용이 힘들 것이다. 그래서, 자동차 제작회사는 리벳과 같은 기계적인 연결부품을 사용한다.

매우 종종, 이 연결부는 약한 지점이다. 충돌 상황에서, 이것들은 전형적으로 제일 먼저 기능을 상실한다. 자동차가 약 3,000~5,000개의 조인트를 가지고 있기 때문에, 제작회사들은 이 위험을 줄이고자 노력하고 있다. 이것이 자동차 제작회사가 다양한 연결 지점이 사고 과정에서 이러한 스트레스를 견딜 수 있는지를 확인하기 위해 시뮬레이션을 시행하는 이유이다. 아직, 어떤 방식이 가장 안정적인지는 불명확하다. 많은 경우에, 계산을 통해 개별 결합 지점이 어떻게 잘 작동하는지를 명확하게 예측할 수 있지만, 모든 형태의 변형에 적용하기는 불가능하다. 만약 결합한 구성품이 구부러진다면(전문가들은 이것을 굽힘 하중(flexural load, bending load)이라고 부름), 시뮬레이션은 불확실하다. 예를 들어, 이러한 계산결과는 리벳이 실제 비상상황에서 실제로 견딜 수 있는 것 이상의 부하용량을 계산해 낼 수도 있을 것이다. 이러한 불확실성은 자동차 제작회사들이 매우 없애고자 하는 요소이다.

새로운 모델을 통한 현실적인 예측

독일 프라이부르크의 프라운호퍼 연구소 재료 메카닉스 IWM(Fraunhofer Institute for Mechanics of Materials IWM) 연구진들은 파더보른에 있는 재료 및 기술 조인트 실험실 LWF(Laboratory for Material and Joining Technology LWF) 그리고 베를린의 응용 컴퓨터과학 발전협회 GFaI(Association for the Advancement of Applied Computer Science GFaI)의 동료와 협력하여, 적어도 시뮬레이션 상에서라도 이 단점을 엄청나게 제거했다. “우리는 모델에 대한 추가 엔지니어링을 계속하여 리벳 성능을 더욱 신뢰성 있게 했는데, 그것은 느리고 빠른 굽힘 부하뿐 아니라 결합한 구성품이 움직일 때 서로 상대적으로 발생하는 인장력과 전단력도 해당한다”고 이 연구소 그룹 매니저인 실케 좀머(Silke Sommer) 박사는 설명했다.

이를 위해, 연구진들은 리벳과 연결된 다양한 재료에서 개별적인 샘플 구성품을 제작하여 스트레스를 적용했다. 그들은 다양한 방향으로 굽힘력을 주었고 다양한 속도로 밀고 당기기를 계속했다. 그다음, 그들은 리벳 포인트의 성능을 수학적인 방정식으로 통합시켰다. “이 방정식들은 예를 들어, 다른 재료와 밀도 등을 나타내는 다양한 매개변수를 포함하고 있다”고 좀머(Sommer) 박사는 말했다. 두 개 연구소 연구진들은 15개의 다른 재료 간의 결합에 대해 연구를 진행했다. 이 데이터에 기반을 두고, 응용 컴퓨터과학 발전협회 GFaI 동료는 다른 유사한 재료와 밀도 간의 결합에 대한 예측 연구를 진행했다.

만약 자동차 제작회사가 사고가 발생했을 때 리벳이 어떻게 작동되는지를 계산하기 원한다면, 일반적으로 그들은 먼저 충돌을 시뮬레이션한다. 자동차의 해당 포인트에는 어떠한 힘이 나타나는가? 만약 이 데이터가 알려진다면, 엔지니어들이 해당 지점이나 그 위치에서 인장력을 견딜 수 있는지를 각각의 리벳에 대해 결정할 수 있게 될 것이다. 이 모델은 완료되었고 자동차 제작회사들은 이미 이것을 사용하고 있으므로, 그들이 제작한 자동차는 더욱 안전해질 것이다.

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