1. 서 론
2. MDB 특성 변화에 따른 NHTSA 경사 충돌 거동 변화
2.1. NHTSA 경사 충돌 MDB와 차량 해석 모델
2.2. NHTSA 경사 충돌 MDB 허니콤 특성 분석
2.3. MDB 중량에 따른 충돌 거동 변화
2.4. MDB 초기 속도에 따른 충돌 거동 변화
3. 운동량 및 운동에너지 측면에서 delta-V 등가성 연구
4. 결 론
1. 서 론
가까운 미래에 자율주행 자동차가 도입될 것으로 예측되는 가운데, 자율주행 자동차의 충돌 안전 성능 평가를 위한 시험법 연구가 관계 기관의 주도하에 진행되고 있다. 여러 가지 시험 방법 중 MDB(Moving Deformable Barrier)는 정면 및 측면 충돌 시험 용도로 널리 사용되고 있다.(1,2) 자율 주행차의 새로운 시험법에서도 MDB가 쓰일 가능성이 높은데, 기존 MDB에 대한 충분한 이해가 없이는 새로운 법규나 시험법에 이용될 MDB에 대한 능동적 연구가 어려울 수 밖에 없다.
아직 시험법이나 시행 일자가 확정되지는 않았으나 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administration, 미국도로교통안전국) 경사 충돌 MDB는(3,4) 가장 최근 개발되었기 때문에 기존의 MDB 개발에서 습득한 경험이 충분히 반영되어 있을 것으로 판단되어 NHTSA 경사 충돌 MDB를 본 연구 대상으로 선정하고 경사 충돌 시 MDB가 차량 충돌 거동에 미치는 영향을 연구하였다.
먼저 MDB 허니콤(honeycomb)의 압축 변형 거동을 검토하였다. 그리고 MDB의 중량과 충돌 속도의 변화에 따른 충돌 차량의 ACU(Airbag Control Unit)에서 측정한 최대 가속도와 delta-V(5) 측면에서 충돌 거동을 검토하였다. 또한 충돌 차량에 대해 동일한 수준의 delta-V를 유발하는 MDB의 중량과 충돌 속도의 관계에 대한 연구도 수행하였다.
2. MDB 특성 변화에 따른 NHTSA 경사 충돌 거동 변화
2.1. NHTSA 경사 충돌 MDB와 차량 해석 모델
NHTSA 경사 충돌 MDB 해석 모델은 LSTC(Livermore Software Technology Corporation)에서 제공한 것으로 Fig. 1과 같이 정규 중량은 2,486 kg이며 초기 충돌 속도는 90 kph로 충돌 대상 차량과 15도 경사로 35% 오프셋(offset)을 갖고 충돌하도록 설정되어 있다.
MDB의 전방에는 강성과 강도가 서로 다른 두 가지 허니콤이 설치되어있다. 각각의 허니콤은 Fig. 2와 같이 MDB 진행 방향으로 300 mm의 두께를 가지고 있다.
충돌 대상 차량은 NHTSA에서 제공한 2014년식 혼다 어코드 모델이다.(8) LS-Dyna MPP를 이용하여 충돌 해석을 진행했으며 집중 질량으로 처리된 더미와 해석 시 발생하는 추가 질량(added mass)를 합한 해석 중량은 1,753 kg이다.
2.2. NHTSA 경사 충돌 MDB 허니콤 특성 분석
MDB에서 변형을 허용하는 유일한 부위는 허니콤이다. MDB의 허니콤이 어떠한 기계적 특성이 있는지 알아보기 위해 56 kph 충돌속도의 고정벽 정면 충돌을 수행했다. Fig. 3과 같이 약 25 msec의 매우 이른 시간에 최대 변형 상태에 이른 뒤 리바운드(rebound)를 시작하게 된다. Fig. 4에서 보이는 바와 같이 MDB가 약 180 mm 변형하는 동안 평균 1,590 KN의 비교적 일정한 반력이 발생한다. 최대 변형 상태는 두 개의 허니콤 중 강성과 강도가 낮은 전방 허니콤이 절반 정도 균일 압축된 상태로 볼 수 있다.
MDB 허니콤의 변형 거동이 실차 전방부 변형 거동을 어느 정도 반영하고 있는지 알아보기 위하여 본 연구에서 사용된 어코드 차량 해석 모델을 이용하여 56 kph 고정벽 정면 충돌 해석을 Fig. 5와 같이 수행하였다. 그 결과 Fig. 6과 같이 최대 하중은 약 550 mm 변형되었을 때 약 570 KN의 크기로 발생하고, 평균 하중은 325 KN 수준임을 확인하였다. 정면 충돌 시 평균 반력을 비교해보면 NHTSA 경사충돌 MDB의 반력은 어코드의 56 kph 고정벽 정면 충돌 정면 충돌 시 차량에 발생하는 평균 하중 대비 5배 정도 높다. 그러므로 NHTSA 경사충돌 MDB의 허니콤은 실제 차량의 전방부 강성을 반영하고 있다고 보기 어렵다. 하지만, 허니콤의 압축 강도가 실차와 유사하다면 허니콤이 완전히 압출될 수 있고, 강체인 MDB 프레임 부가 충돌 차량과 접촉하면서 변별력이 떨어지는 결과를 줄 수 있기 때문에 MDB의 허니콤은 충돌 대상 차량 중 가장 무겁고 높은 전방부 충돌 강성의 차량보다 높은 강성을 확보할 필요가 있다.
허니콤의 변형 거동을 연구하기 위해 Fig. 7과 같이 단순 압축 해석을 수행하였다. MDB의 허니콤만 분리하여 뒤쪽 허니콤의 한쪽 면은 고정하고 앞쪽 허니콤을 강체 평면으로 압축하며 반력을 관찰하였다. 허니콤을 구성하는 셀(cell)의 두께를 정규 두께 대비 85% 낮춘 것과 115% 높힌 허니콤의 Fd 곡선을 해석을 통해 구하였다.
Fig. 8과 같이 허니콤은 명확하게 2개의 단계를 갖고 압축된다. 즉 1단계에서 앞쪽 허니콤이 압축되는 동안 평탄한 압축 반력을 보이며, 앞쪽 허니콤이 완전히 압축된 다음 2단계로 뒤쪽 허니콤이 압축되기 시작한다. 뒤쪽 허니콤의 강도는 앞쪽 대비 3배 정도 높은데 앞쪽 허니콤과 달리 압축에 따라 반력이 지속적으로 증가한다. 압축 1단계 허니콤 강도는 허니콤 셀 두께에 비례하는 경향을 보이나 2단계에서는 이러한 두께에 따른 관계가 보이지 않는다. 예상과 달리 정규 대비 85% 셀 두께의 허니콤이 정규 두께(100%) 허니콤 대비 오히려 더 높은 반력을 보인다.
허니콤을 500 mm 압축시켰을 때 앞쪽 허니콤과 뒤쪽 허니콤의 압축 변형 양상을 Fig. 9와 같이 비교하였다. 앞쪽 허니콤은 완전 압착되어 허니콤 셀의 두께와 상관없이 서로 유사한 변형 양상을 보이지만 뒤쪽 허니콤의 변형 양상은 서로 다르다. 뒤쪽 허니콤의 변형 그림 중 밝은 부분은 허니콤이 순수 압축에 의해 변형된 영역이고 어두운 부분은 허니콤이 옆으로 쓰러지면서 경사 압축된 부분이다. 셀 두께가 정규 두께 대비 85%인 뒤쪽 허니콤의 경사 압축 영역은 전체 허니콤 면적의 25% 수준으로, 정규 두께나 115% 두께 경우의 경사 압축 영역인 12% 대비 두 배 높게 발생하였다.
기존 연구(6)에 의하면 Fig. 10a의 오른쪽에 보이는 바와 같이 알루미늄 재질의 허니콤이 경사 압축되는 경우 Fig. 10b와 같이 경사 압축은 5.8 KN 수준으로 순수 압축의 4.4 KN 대비 30% 정도 높은 강도를 보인다. 앞서 언급한 허니콤 2단계 압축에서 85% 셀 두께 허니콤이 정규 셀 두께 허니콤 대비 더 높은 압축 하중을 보인 것도 이와 같은 현상 때문으로 보인다.
차량 중량이나 충돌 속도가 비교적 낮아 뒤쪽 허니콤의 변형이 적은 경우에는 시험이나 해석 반복성이 좋고 결과가 일관적일 수 있으나 뒤쪽 허니콤에 비교적 큰 변형을 유발할 정도의 강한 충돌에서는 뒤쪽 허니콤의 순수 압축과 경사 압축이 혼합된 압축 거동으로 충돌 속도나 중량 변화에 일관적이지 않은 충격랑이 충돌 대상차에 전해질 가능성이 있어 보인다. 이에 대한 보다 광범위한 연구가 필요할 것으로 보인다.
2.3. MDB 중량에 따른 충돌 거동 변화
NHTSA 경사 충돌 시 MDB 중량 및 속도의 변화에 따른 충돌 거동 변화를 연구하였다. 2,486 kg의 정규 중량과 90 kph의 정규 속도에서 해석한 MDB와 차량의 상태는 Fig. 11a와 같다. MDB 무게 중심에서 측정한 대차 길이 방향 가속도와 delta-V 및 충돌 차량의 ACU(Airbag Control Unit)에서 측정한 차량 길이 방향 가속도와 delta-V는 Fig. 11b에 나타내었다.
MDB 중량 변화에 따른 충돌 거동을 평가하기 위해 충돌 차량과 같은 중량인 1,753 kg으로 맞춘 것부터 두 배 중량인 3,506 kg까지 8단계로 중량을 바꿔가며 MDB와 충돌 차량의 진행 방향 최대 가속도와 delta-V를 Table 1과 같이 정리하였다.
Table 1.
Maximum acceleration and delta-V of MDB and test vehicle with MDB weight change
Fig. 12a와 12b에서 보이는 바와 같이 MDB의 중량 증가에 따라 MDB의 최대 가속도와 delta-V는 모두 감소한다. MDB 중량이 2배 증가할 때 MDB의 가속도는 약 37% 감소하며 delta-V는 약 33% 감소한다. 반면 충돌 대상 차량의 최대 가속도와 delta-V는 MDB 중량 증가에 따라 증가하게 되는데 MDB 중량이 2배 증가할 때 차량의 최대 가속도는 54% 증가하며 delta-V는 33% 증가함을 알 수 있다.
2.4. MDB 초기 속도에 따른 충돌 거동 변화
MDB 충돌 초기 속도의 변화에 따른 충돌 거동 변화를 연구하기 위해 정규 속도의 70% 수준에서 130% 수준까지 10% 단위로 변경해가며 MDB와 충돌 차량의 진행 방향 최대 가속도와 delta-V를 Table 2와 같이 정리하였다.
Table 2.
Maximum acceleration and delta-V of MDB and test vehicle with MDB initial velocity change
Fig. 13a와 13b에서 보이는 바와 같이 MDB의 초기 속도 증가에 따라 MDB의 최대 가속도와 delta-V는 모두 증가한다. MDB 초기 속도가 86% 증가할 때 MDB의 가속도는 약 95% 증가하며 delta-V는 약 78% 증가한다. 충돌 대상 차량의 최대 가속도와 delta-V는 MDB 초기 속도 증가에 따라 증가하게 되는데 MDB 초기 속도가 86% 증가할 때 차량의 최대 가속도는 4배 증가하며 delta-V는 75% 증가함을 알 수 있다. 특히 동일 차량에 대해 충돌 차량과 MDB의 속도 변화에 따른 delta-V의 변화는 좋은 선형적 비례관계를 보여주고 있다.
3. 운동량 및 운동에너지 측면에서 delta-V 등가성 연구
정면 및 측면 충돌에서 충돌 방향의 충돌 차량 delta-V는 차량에 전해지는 충격량의 지표로서 승객 상해와 좋은 비례관계를 보인다.(5) MDB를 이용한 충돌 성능 평가 시 동일한 delta-V를 유지하는 MDB 초기 속도와 중량 관계가 존재하는지를 운동량 측면과 운동에너지 측면에서 검토하였다. MDB의 초기 운동량이 같도록 유지하면서 MDB의 속도를 정규 속도인 90 kph 대비 77% 수준의 낮은 속도에서 143% 수준의 높은 속도까지 증가시키고 중량은 동일운동량을 유지하도록 감소시켰을 때 delta-V의 변화는 Table 3과 Fig. 14와 같다. NHTSA 경사 충돌에서 동일한 초기 운동량을 유지하도록 MDB 초기 속도를 증가할 때 MDB 중량을 감소했으나, 충돌 차량의 delta-V는 속도의 증가에 따라 함께 증가하는 양상을 보인다. 따라서 운동량 측면에서 delta-V의 등가성은 보이지 않았다.
Table 3.
Delta-V of MDB and test vehicle with same momentum
NHTSA 경사 충돌 시 MDB의 초기 운동에너지가 변하지 않도록 MDB의 속도를 증가할 때 중량은 감소하면서 delta-V를 측정하였다. Table 4와 Fig. 15에 보이는 바와 같이 정규 속도인 90 kph 대비 88% 수준의 낮은 속도에서 120% 수준의 높은 속도까지 비교했을 때 delta-V는 단 3%의 변화만을 보여 본 연구에서 검토한 속도 구간에서는 delta-V가 운동에너지 측면에서 등가성이 있음을 보여주고 있다.
Table 4.
Delta-V of MDB and test vehicle with same kinetic energy of NHTSA oblique impact
본 연구의 주제에서는 벗어나지만 이러한 등가성이 NHTSA 경사 충돌에서만 발생하는 현상인지 아니면 다른 충돌 상황에서도 있는지 알아보기 위하여 KNCAP(Korean New Car Assessment Program)의 AE-MDB(Advanced European Mobile Progressive Deformable Barrier) 측면 충돌을 추가로 검토하였다. Fig. 16의 해석 결과에서 보이는 바와 같이 KNCAP AE-MDB 측면 충돌(7) 해석을 수행하고 MDB의 무게 중심에서 측정한 delta-V와 차량의 ACU에서 측정한 delta-V를 Table 5에 정리하고 Fig. 17과 같이 경향성을 평가해보았다.
Table 5.
Delta-V of MDB and test vehicle with same kinetic energy of KNCAP AE-MDB side impact
| Velocity ratio V/Vorg (%) | MDB weight ratio (%) | MDB Delta-V (m/sec) | Vehicle Delta-V (m/sec) |
| 70 | 204 | 5.9 | 7.6 |
| 80 | 156 | 7.6 | 7.7 |
| 90 | 123 | 9.5 | 7.7 |
| 100 | 100 | 11.4 | 7.5 |
정규 충돌 속도인 60 kph에서 70% 수준까지 10%씩 감소하고 동일한 운동에너지를 유지하도록 정규 중량인 1,400 kg에서 중량을 증가시켜가며 delta-V를 측정하였다. 속도가 30% 변화할 때 delta-V의 변화는 3%에 머물러 측면 AE-MDB 충돌에서도 운동에너지 측면에서 delta-V는 좋은 등가성을 보여주고 있다. 따라서 정지하고 있는 충돌 대상 차량을 같은 운동에너지를 유지토록 MDB 중량과 MDB 초기 속도를 변경하면 충돌 대상 차량에서 발생하는 충돌 심각도, delta-V는 유사하게 발생하는 것으로 보이나, 단 두 가지 경우에서 발생한 결과이므로 보다 많은 충돌 모드와 차량을 이용한 검증이 필요하다.
4. 결 론
본 연구에서는 NHTSA 경사 충돌 MDB의 기계적 특성이 충돌 차량의 충돌 심각도에 미치는 영향을 충격량의 척도인 delta-V의 관점에서 비교 검토하였다.
MDB 허니콤의 강성과 강도는 실차를 그대로 반영한 것이라 보기는 어려우며 본 연구에서 이용된 어코드 차량의 전방부 구조 대비 약 5배 높은 강도를 보이고 있다. 이 정도로 충분한 강성과 강도를 보유해야만 고중량, 고강성 차량의 충돌 시험에서도 MDB의 강체 프레임 부분까지 충돌 대상 차량이 접촉하는 문제를 피해 변별력 있는 충돌 성능 평가가 가능할 것으로 보인다.
MDB 허니콤은 비교적 강성과 강도가 낮은 앞쪽 허니콤과 상대적으로 높은 강성과 강도의 뒤쪽 허니콤으로 구성되는데, 뒤쪽 허니콤의 경우 압축 변형 시 불안정성이 발생할 수 있어 고중량 및 고강성 차량과 같이 높은 충돌 심각도가 유발될 수 있는 충돌의 경우 결과의 일관성이 제한적일 수 있어 추가 연구가 필요하다.
MDB의 중량 증가와 속도 증가 모두 충돌 대상 차량의 선형적 delta-V 증가를 유발한다.
NHTSA 경사 충돌과 KNCAP AE-MDB 측면 충돌에서 정규 속도 기준 30% 정도 속도 변화에 대해 MDB의 초기 운동에너지가 같게 유지되면 충돌 차량에서 발생하는 delta-V의 변화는 충분히 작아 운동에너지 측면에서 좋은 등가성을 보여주고 있다. 하지만, 이를 일반화할 수 있는 이론적 기반은 아직 없어 추가적인 연구가 필요하다.
