현궁 무기체계를 운용할 목적으로 선회 구동부를 포함한 터렛 시스템이 적용된 기갑수색용 소형전술차를 일부 개조하고 아래 Figure 2와 같이 FRP 재질의 현궁 전용 후방 밴을 탑재하는 차량이다. 기존의 기갑수색차량에서 연막탄 발사기 및 00화기 거치대 제거, 유도무기용으로 터렛 개조 개발, 유도무기 운용성을 고려한 FRP 후방밴 신규 개발, 유도탄 적재장치 적용, 전원 공급장치 선반 추가, 충전 및 전원공급용 전원시스템 일부 개조 등을 통해 소형전술차의 계열차(K153C1)로 개발되었다. 앞서 언급된 바와 같이 후방밴에 0발의 장입유도탄 적재 ․ 적하성을 확보하고 전원공급시스템 등 부수장치에 대한 접근성 확보를 위하여 Figure 2와 같이 후방 밴 양측과 후면에 대형 리드를 구성하였다. 이로 인한 개구 면적 과다로 FRP만으로 대형 구조물의 강성·강도를 확보하기가 곤란한 현실이었다.

본 개선 연구의 대상인 후방밴은 차량 후방에서 유도무기 0발과 관련 전원장치 등을 보관 ․ 탑재하기 위한 공간으로 차량의 중량을 고려하여 최초 FRP 재질을 위주로 구성되었다. 아래 Figure 3과 같이 유도탄을 보관하기 위한 전체 부피(장×폭×고 : 1485×2196×1127mm)가 매우 큰 형태로 측면 2개소 및 후방 1개소의 도어가 구성이 된다. 특히 해치 형태의 후면 리드는 유도탄의 적재·적하가 용이하도록 최초 2개의 힌지를 축으로 상 ․ 하 방향으로 약 66도까지 개방 가능하며 유도탄 발사 후폭풍을 고려하여 후방 경사형으로 되어 있다.

’16년 12월에 야전운용시험(Field Test)용 초도품 00대에 대하여 품질보증을 수행하였고 이러한 과정에서 후방밴의 강도와 강성 부족에 기인한 것으로 판단되는 내 ･ 외판 표면 균열, 후방문 개폐 시 힌지 장착 부 꿀렁임 및 가스리프터 장착용 브래킷 변형 등 아래 Figure 4와 같이 다수의 문제점들이 확인되었다.

현궁용 소형전술차량 후방밴 품질문제점에 영향을 미치는 인자를 명확히 분석하여 위험요인을 정확히 식별하고 그 극복방안을 모색하기 위하여 아래 Figure 5와 같은 QC 7 도구 중 “특성요인도”를 작성하였다. 이를 통해 후방밴 설계 시 사용군 운용 환경을 고려한 구조 안전율 부족으로 내·외판 균열, 후방 리드 장착부 꿀렁임 및 장착부 브래킷 변형 현상이 발생하였음을 알 수 있다. 또한 과거 시제차 개발 당시 공법은 작업자가 수작업으로 적층하는 핸드레이업(Hand lay-up) 공법으로 일체형 제작이 가능하였지만, 초도 생산 시에서는 양산성 확보를 위해 RTM(Resin Transfer Molding) 공법을 통해 분할 제작된 FRP 부품을 수지, 본드 및 퍼티를 이용하여 접합하는 방식으로 작업 방법이 변경된 점이 부수적인 인자로 작용하였다.

앞선 “2.3 연구 대상 문제 원인분석”에서 언급하였듯이 후방밴 전반적 강성·강도 부족을 해결하기 위해 아래 Figure 6과 같이 밴에 보강재를 추가하고 상호 연결구조를 적용함으로써 밴 바디 전체의 구조 강도･강성에 대한 설계 안전율을 높였으며, 아울러 FRP간 접합 방식을 보완하여 외판 균열을 예방하였다. 이 과정에 수반된 중량의 증가분은 공차중량 약 4.3톤 대비 1.2%(약 50kg)에 불과하고 연비시험의 기준이 되는 총중량 5.7톤은 변함이 없어 연비에 미치는 영향이 없다. 또한 군용차량은 험지 주행성, 등판성능 등 작전요구성능이 연비에 우선하기에 추후 운용간 크게 문제가 없을 것이라 판단하였다. 또한 부수적으로 후방 리드에 보강재(골조)를 추가하고 힌지 개소를 증대(2개소→3개소)하여 외력 및 자중에 대한 지지 구조를 개선하고 힌지부에 집중되는 하중을 분산시켜 설계 안전율을 추가로 확보 하였다.

마지막으로 FRP 외판의 경우, 내측에만 유리매트 및 수지적층을 하고 외측은 외관 확보를 위해 퍼티 처리하던 것을 아래 Figure 7과 같이 외측에도 내측과 동일한 방식의 적층 연결구조를 적용함으로써 표면 전단 강성을 높여 비틀림 저항성을 증대시켰다. 또한 FRP 내판의 경우, 기존의 FRP 적층 대신에 확실한 접합 품질 확보를 위해 아래 그림과 같이 리베팅 구조로 결합 방법을 변경하였다.

위에서 제시한 방법으로 개선된 후방 밴을 제작하기 전 사전검증을 위하여 M&S(Modeling & Simulation) 기법을 활용한 전산해석을 수행하였다. 강성의 변화에 따른 주파수 천이를 확인하여 상대적 개선 여부 확인을 위한 동강성 해석과 구조물의 한쪽을 고정하고 반대쪽에 특정한 하중을 부여한 조건으로 실시하는 비틀림 해석을 진행하였고, 금번 양산간 문제 발생하였던 부분의 상대 개선 여부 확인을 위한 후방도어(리드) 개폐조건에서의 변위 해석을 실시하여 가스리프터부를 포함하는 FRP 구조물과 장착 브라켓의 강도를 개선 전·후 상대 비교하여 그 효과를 사전 검증하였다. 또한 군용차량 개발 시 일반적으로 요구되는 실차 32,000km 내구 주행시험에 상당하는 로드 프로파일로 차량 단위의 전산 내구해석을 실시하여 구조물의 수명을 상대 비교하여 개선 여부를 최종 검증하였다. 사전검증 항목은 아래 Table 1.과 같으며 해석결과가 만족스럽지 못할 경우에는 추가적인 설계변경과 해석을 통해 최적의 안을 도출하였다. 그 이후 개선 전･후 후방밴에 대해 개폐 내구시험(5만회) 및 후방밴 비틀림시험 등 실제시험(rig test)을 통해 개선방안의 실효성을 확인하였다. 일반적으로 도어 등과 같은 무빙류는 설계 적합성 평가를 위해 내구시험이 실시된다. 이는 일반 내구로 주행시험차에서 일정 주행구간마다 무빙파트의 작동 내구성을 확인하는 실차내구 시험과 도어 앗세이가 장착된 완성차 상태의 완성차 도어 개폐내구, 벨지안로 및 크로스컨트리로 주행 시 각 부분의 기능상 이상을 점검하는 주행 내구 등이 있다 Seo(2011). 본 연구에서는 무빙류의 주행 내구도를 평가하기 보다는 후방문을 개폐 시 가스리프터 장착부의 변형, 힌지부 꿀렁거림 등이 FRP 몸체의 변형에 미치는 영향이 매우 크다고 판단하여 완성차 장착상태와 동일한 조건을 구성한 test rig 를 구성하여 개폐 내구시험을 실시하되 그 목표는 민수 해치백 차량 기준으로 5만회로 설정하고 개선사양의 설계건전성을 확인하였다. 아울러 아래 그림에서 표시한 내용으로 품질문제 개선을 추진하였고 개선 전･후 시제품을 제작하여 M&S 및 실제시험을 통해 실제 개선 효과를 비교 분석하였다.

신규 설계된 단품이나 조립체에 대한 안전성 평가를 위하여 전산해석을 실시하고자 할 때는 외력이나 구속조건에 대한 정보가 부재하기 때문에 차량의 급정지/급회전/노면의 충격하중 등을 모사한 조건을 만들어 해석을 수행한다. 이와 같은 강도해석은 통상 자중대비 장착되는 중량물이 많은 프레임이나 BIW(Body In White)상태의 조립체 평가 시에 많이 활용되는데, 문제가 되는 현궁차량의 후방밴의 경우는 밴 구조물에 중량물이 장착되는 구조물이 아니고 품질문제 발생 부위가 출하 후 3,000km 이전에 발생한 문제이므로 차량 주행 중 발생한 문제라기보다는 밴바디 구조물의 강성수준이 상대적으로 낮고 특정 반복하중에 의한 결함으로 판단할 수 있었다. 따라서 다음의 4가지 해석 케이스를 만들어 밴바디 강성 증대 확인과 특정부위 품질문제 발생여부 재연 가능성 확인 및 개선 전후의 결과 차이를 분석하여 품질문제 해결을 도모하고자 하였다. ①밴 바디에 대한 동강성 해석을 통하여 강성의 변화에 의한 주파수 천이여부 확인과 강성 증대량을 확인하였고, ②증대된 강성을 실제 시험을 통하여 평가 시 어떤 형태로 나타날 것인지를 판단하기 위하여 후방밴에 대한 비틀림 해석을 수행하였다. ③후방 도어부의 품질문제 확인을 위하여 후방도어 개폐시에 가해지는 하중을 물리적인 수식모델을 통하여 얻은 후 이 하중을 이용하여 모델에 입력 후 해석을 수행하였다. ④마지막으로 내구수명의 증가 여부를 판단하기 위하여 국방규격에서 명시한 차량내구도 조건인 32,000km 실 주행상태를 모사한 내구해석을 실시하여 내구수명 증대량을 확인하였다. 해석을 위한 모델링은 HyperMesh(V12.0)을 이용하였고, 강도해석은 ABAQUS(V614)로 내구해석은 fe-safe(V6.4)를 이용하여 수행하였고, 결과는 HyperView(V12.0)으로 포스팅하였다. 해석에 사용된 Element수는 38만~197만개 수준이며 Node수는 40만~196만개 수준이다.

최초 개선 방안을 설정하고 컴퓨터 전산해석을 통해 세부 사항을 셋팅한 후 개선 전·후 부품을 제작하여 비틀림 시험(비틀림 변위, 개폐 변위)과 개폐 내구시험(5만회)을 실시하였다.

먼저 상대적인 비틀림 강성의 개선 효과를 확인하기 위해 아래 Figure 13과 같이 운전실(BIW)과 결합되는 전면 부위는 고정하고 바닥은 미 고정 상태에서 후방의 한쪽 끝단에 일정 하중(20kgf)을 부여했을 때 변위를 측정하였다. 이후 후방 도어를 개폐 할 때 밴 몸체의 부위별 변위를 측정하여 상호 비교하였다.

시험 결과, 아래 표와 같이 전산해석 결과와 유사하게 후방 밴 단품의 비틀림 강성이 개선된 것과 후방 도어 개폐 조건에서의 변위 또한 모두 큰 개선 효과를 확인할 수 있었다.

마지막으로 민수 승용 해치백 차량 기준으로 개폐 내구시험 5만회를 실시하였고 개선 전 사양에서는 아래 Figure 14에서 확인 가능하듯이 문제로 기 식별된 후방 도어와 바디 유동으로 개폐 간 간섭, 가스리프터 장착 브라켓 주변 바디부 균열 및 파손 현상이 재현되었으며, 개선 후 제품에 대해서는 Figure 15의 내용으로 동일 현상이 발생하지 않아 충분한 내구수명을 확보한 것으로 판단하였다. 다만 개선 후 사양 개폐 내구시험간 도어 웨더스트립 일부 구간에서 비정상 마모 현상이 관측되었으나 분석결과 제조산포로 인한 갭실부 치수 편차에 원인이 있는 것으로 판단되어 이를 수정하고 1.5만회를 추가하여 총 6.5만회 개폐 내구시험을 실시하였다. 그 결과 시험간 돌발로 발생한 웨더스트립 마모 및 기존에 확인된 주요 품질문제점은 발생하지 않았다.