1. 서 론
2. 측면 충돌시 차량 거동 평가
2.1. 90도 측면 충돌 시 차량 거동
2.2. 60도 및 120도 측면 충돌 시 차량거동
2.3. 경사 측면 충돌 각도 변화가 차량 거동에 미치는 영향
3. 측면 충돌 시 승객 상해
3.1. 90도 측면 충돌 시 승객 거동
3.2. 승객 거동 변수와 승객 상해치 간의 상관 관계
4. 결 론
1. 서 론
기존 인간 운전자에 의해 주행하는 자동차의 경우 사고 발생 시 책임이 운전자와 자동차 제조사 및 도로 관리 기관에 분산되나, 자율 주행 자동차의 경우 운전자에 대한 책임이 감소하는 대신 자동차 제조사와 도로 관리 기관에 대한 책임 비중이 더욱 커지게 된다.(1,2) 또한 동일 차종의 경우 동일 형태의 사고가 반복되어 발생할 수 있다는 문제로 자동차 충돌 안전에 대한 수동적 안전 조치(passive safety)는 기존 자동차 대비 더욱 강화될 전망이다. 기술적으로나 법제적 측면에서 자율 주행 차량이나 비자율 주행 차량의 수동적 안전 조치는 크게 다를 바 없다. 단지 앞서 설명한 바와 같이 도로 안전 관리 기관이나 자동차 제조사에서는 보다 다양한 충돌 상황에 대해서도 충돌 안전을 확보하자 연구를 진행중이다.
본 연구에서는 기존과 같은 전방 및 측면에 대한 90도 충돌 뿐 아니라 다양한 각도, 다양한 속도에 대한 연구를 수행하기 위하여 동일한 패밀리 세단 차량 두 대를 이용하여 차대차 90도 측면 충돌 뿐 아니라 60도 및 120도 경사 측면 충돌의 상황을 해석적으로 연구하였다. 경사 측면 충돌에 대한 공개 기술 자료를 찾을 수 없어 시범적으로 60도, 90도, 120도 측면 충돌을 해석적으로 수행하고 거동의 차이를 비교하였다. 충돌 전후 차량의 충돌 방향 직선 속도 변화값으로 차량에 전해지는 충격량 정도를 대표할 수 있는 물리량인 ΔV,(3) 차량의 회전 운동을 정량적으로 평가할 수 있는 요(yaw) 회전 속도, 롤(roll) 회전 속도 등을 Fig. 1과 같이 정의하였고, 차량 동적 거동 지표와 사이드 도어 침입량, 생존 공간 등의 차량 변형 거동을 충돌 각도별 및 위치별로 비교 평가하였다. 측면 충돌 시 차량의 동역학적 거동 및 차량 변형 거동이 머리상해, 흉부압박량 및 치골 하중 등의 상해치와의 상관 관계가 있는 지 검토하였다.
2. 측면 충돌시 차량 거동 평가
2.1. 90도 측면 충돌 시 차량 거동
본 연구에서는 차대차 측면 충돌 해석 목적으로 미국도로교통안전국(NHTSA)에서 제공하는 2014년형 혼다 어코드 해석 모델을 사용했다. 1개 차량 해석 요소의 개수는 약 2백 20만 개이며 LS-Dyna MPP를 이용하여 해석을 수행하였다. 1개 차량 해석 모델의 중량은 해석 시 발생한 추가 중량을 포함하여 1,712 kg이다. 동일 차량 두 대를 이용하여 실차 간 측면 충돌 양상을 평가하는데 연구 대상 차량은 ego, 충돌을 유발하는 차량을 traffic이라 부르기로 한다.
Ego 차량은 정지 상태, traffic 차량은 진행 방향으로 60 KPH의 초기 속도로, Fig. 2와 같이 ego 차량의 앞바퀴 중심, 힌지 필러, 뒷바퀴 중심뿐만 아니라 차량 무게 중심 위치와 기타 중요 위치 등 총 8개소에 대해 측면 충돌하고 이때 차량의 거동 변화를 관찰하였다.
이 중 힌지 필러 후방 900 mm 지점은 차량의 무게 중심에 해당하는 위치이며 힌지 필러 후방 1,090 mm 지점은 US NCAP 타격 위치와 동일하다.(4) 그 결과 Fig. 3(+XXX mm = 힌지 필러 기준 후방 XXX mm 지점)에서 보이는 바와 같이 차량의 무게 중심에서 멀리 떨어진 앞바퀴 중심이나 뒷바퀴 중심 충격 시 ego 차량의 요(yaw) 회전이 가장 크게 발생하나 차량의 무게 중심을 타격하는 힌지 필러 후방 900 mm 지점 타격 시에는 ego 차량의 요(yaw) 회전이 미소하게 발생한다.
앞바퀴 중심에서 뒷바퀴 중심까지 총 8개 위치에 대해 측면 충돌을 수행하면서 Fig. 4와 Fig. 5와 같이 차량의 롤(roll)과 요(yaw) 속도, ΔVy와 같은 동역학적 특성뿐 아니라(3) 승객에게 직접적인 충격 및 상해를 유발하는 사이드 도어 침입량과 생존 공간(시험 후 B 필러와 시트 쿠션 중심까지 거리. 본 연구에서는 160 msec에서 측정)을 측정하고 비교하였다. 그 결과는 Table 1과 Fig. 6a, 6b에 정리하였다.
Table 1.
Characterisitcs of the ego vehicle 90° crash
충돌 시 차량에 전해지는 충격량에 해당하는 ΔVy는 힌지 필러를 타격할 때(2번 위치) 가장 크게 발생하고 힌지 필러에서 멀어질수록 감소하는 경향을 보인다. 힌지 필러는 차량에서 가장 큰 강성을 갖는 사이드 실(side sill) 및 프론트 사이드 멤버(front side member) 등 강성 부재가 서로 만나는 곳이어서 상대적으로 높은 수준의 ΔVy가 발생하나, 힌지 필러에서 멀어질수록 강성도 감소할 뿐 아니라 차량 무게 중심에서도 멀어져 순수 수평 이동 대신 회전이 쉽게 유발되어 ΔVy가 감소하는 양상을 보인다. 롤 회전과 사이드 도어 침입량 및 B 필러 변형은(생존 공간과 반대 거동) ego 차량의 무게 중심인 4번 위치를 타격할 때 최댓값을 보이고 타격 위치가 무게 중심에서 멀어질수록 감소하는 양상을 보인다. 하지만, 반드시 무게 중심에 일치한다고 해서 사이드 도어 및 B 필러의 침입량이 최대로 발생하는 것은 아니며 사이드 도어와 BIW의 보강 구조 및 형상에 따라 최대 침입이 발생하는 타격 위치는 변할 수 있다.
2.2. 60도 및 120도 측면 충돌 시 차량거동
정체나 신호 대기로 인해 정차되어 있는 차의 측면에 충돌이 발생하는 경우 90도 측면 충돌 상황이 발생할 수 있으나, 교차로에 진입하는 차량 간 충돌이 발생하는 경우는 정면 경사 충돌이나 측면 경사 충돌의 형태로 사고가 발생한다. 정면 경사 충돌의 경우 차대차 해석이나 시험을 고정벽 시험으로 대체해도 30도 경사 충돌까지 서로 유사성을 확보할 수 있어 해석 시간이나 시험 비용을 절감할 수 있다는 연구가 진행된 바 있다.(5)
본 연구에서는 측면 충돌 시 경사 각도의 변화에 의한 차량 거동 변화를 파악하기 위해 60도 및 120도 경사 측면 충돌을 수행하였다. 90도 측면 충돌과 동일한 위치를 타격하도록 traffic 차량의 중심선이 90도 충돌시 타격 위치와 동일 위치에 놓이도록, 초기 위치를 Fig. 7과 같이 설정하여 ego 차량의 앞바퀴 중심, 힌지 필러, 뒷바퀴 중심 뿐 아니라 차량 무게 중심 등 총 8개소에 측면 충돌 해석을 수행하고 차량의 거동 변화를 관찰하였다.
충돌 이후 160 msec가 지났을 때 차량의 상태는 90도 측면 충돌과 크게 다르지 않다. 즉 Fig. 8과 같이 ego 차량의 무게 중심점인 +900 mm 위치를 타격했을 때 ego 차량의 요 회전은 가장 적게 발생하고 무게 중심에서 먼 곳을 타격할수록 ego 차량의 요 회전은 점점 크게 발생한다.
Ego 차량의 경우 타격 위치가 바뀜에 따라 차량 무게 중심에서 타격 위치간 거리가 상이하여 요 회전량이 달라지나, traffic 차량의 경우 거의 직선에 가까운 ego 차량의 측면에 경사 충돌이 발행하기 때문에 초기 접촉 위치와 무게 중심간의 거리가 타격 위치에 따라 변하지 않아 요 회전의 변화가 거의 발생하지 않는다.
90도 측면 충돌과 마찬가지로 60도 측면 경사 충돌에 대해서도 Table 2 및 Fig. 9a, 9b와 같이 차량의 ΔVy 최대 요 회전 속도, 최대 롤 회전 속도 등의 동역학적 거동 및 사이드 도어 침입량, 생존 공간과 같은 차체 변형 결과를 정리하였다. 전반적으로 최댓값이 발생하는 위치만 다소 바뀔 뿐 90도 측면 충돌과 유사한 경향을 보인다.
Table 2.
Characterisitcs of the ego vehicle 60° crash
앞의 두 해석 조건과 마찬가지로 120도에 대해서도 동일한 방법으로 해석을 수행하였다. 충돌 전 타격 위치는 Fig. 10과 같으며 160 msec에서 차량의 상태는 Fig. 11에 보여지고 있다.
Ego 차량의 요 회전 거동은 이전 90도 측면 충돌이나 60도 측면 충돌과 유사하여 차량의 무게 중심을 타격 시 ego 차량의 요 회전이 가장 작게 발생한다. 120도 측면 경사 충돌에 대한 결과도 동일한 방법으로 정리하여 Table 3에 정리하였고, 동역학적 거동과 차량의 변형 거동도 Fig. 12a, Fig. 12b에 도시하였다. 60도 경사 측면 충돌과 마찬가지로 전반적으로 최댓값이 발생하는 위치만 다소 바뀔 뿐 90도 측면 충돌과 유사한 경향을 보인다. 즉, ΔVy는 힌지 필러 타격 위치인 2번 위치에서 가장 큰 값을 보이고 멀어질수록 감소한다. 롤 회전 속도는 차량 무게 중심에 가까운 곳을 타격 시 최댓값을 보이고 사이드 도어의 침입량이나 B 필러의 변형은 차량의 무게 중심에 가까운 곳을 타격 시 가장 큰 값을 보인다.
Table 3.
Characterisitcs of the ego vehicle 120° crash
다만 60도나 120도와 같은 측면 경사 충돌의 경우 차량의 충돌 각도에 따라 traffic의 초기 접촉 위치가 조금씩 달라지기 때문에 60도의 경우에는 무게 중심인 4번보다 뒤쪽인 5번 위치에서, 120도의 경우에는 앞쪽인 3번 위치에서 차체의 최대 변형을 보여준다.
2.3. 경사 측면 충돌 각도 변화가 차량 거동에 미치는 영향
90도 측면 충돌, 60도 측면 충돌, 120도 측면 충돌 결과에서 나온 차량 동역학적 거동 및 차량의 변형 거동을 서로 비교하여 충돌 각도가 차량 거동에 미치는 영향을 비교 평가하였다.
60도나 120도 측면 경사 충돌의 경우 ΔVy 값이 90도 대비 90% 수준의 값을 보이는데 이는 Y 방향 초기 속도 성분이 90도 대비 87% 정도로 감소하기 때문이다(cos30o = 0.87). 롤 회전 속도, 사이드 도어 침입량 및 생존 공간도 같은 이유로 90 도에서의 값이 60도나 120도 대비 일정 비율로 높거나(회전속도, 사이드 도어 및 B 필러 침입량) 낮은(생존 공간) 거동을 보이게 된다.
2.2 절에서 설명한 바와 같이 롤 속도, 사이드 도어 및 생존 공간 곡선의 꼭짓점이 90도 측면 충돌 대비 60도 측면 충돌에서는 뒤쪽으로 이동하고, 반대로, 120도 측면 충돌에서는 앞쪽으로 이동한다. Fig. 14에서 충돌 각도에 따른 초기 접촉 위치를 보여주고 있는데, 60도 충돌의 경우 무게 중심인 힌지필러 후방 900 mm에 초기 접촉하는 조건은 힌지필러 후방 1,590 mm를 타격하는 경우이며, 120도 충돌의 경우에는 반대로 힌지필러 무게 중심보다 앞쪽인 힌지필러 후방 550 mm 지점을 겨냥하고 타격하는 조건이 된다.
30도 이내의 경사 각도를 가지고 측면 충돌이 발생할 때 경사각은 ego 차체 거동에 큰 영향을 미치지 못하고 단지 traffic 차량의 측면 방향(Y 방향) 성분의 크기만이 측면 충돌 시 차량의 동역학적 거동 뿐 아니라 차체 변형에 영향을 주는 것으로 보인다. 90도로 측면 충돌을 할 때가 가장 가혹하기 때문에 충돌 시험 시 다양한 경사각에 대한 검토는 별도로 필요하지 않을 것으로 판단된다.
3. 측면 충돌 시 승객 상해
3.1. 90도 측면 충돌 시 승객 거동
90도 측면 충돌 상황에서 승객의 상해치를 평가하기 위해 Madymo PSM(Prescribed Structural Motion) 기법을 이용한 객실부 측면 승객 해석 모델을 구성하였다. 측면 충돌 시 FEM(finite element method, 본 연구에서는 LS-Dyna MPP를 이용함)을 이용해 계산된 시간에 따른 차체의 변형 거동을 Madymo에서 변위 경계 조건으로 이용하여 더미의 거동을 해석하는 방법이다.(6~8)
탑승자와 직접 접촉이 발생하는 시트와 내장재 등은 변형이 가능한 해석 요소를 이용해 모델을 구성했다. 더미는 국내 상품성 평가에서 표준으로 사용하는 WorldSID-50M을 이용하였고 커튼 에어백과 측면 에어백을 넣어 Fig. 15와 같이 해석모델을 구성하였다.
LS-Dyna를 이용하여 차체 차대차 측면 충돌 해석을 수행했을 때 B 필러 및 사이드 도어의 최대 침입량이 발생하는 75 msec 시점을 기준으로 Fig. 16a의 힌지 필러 타격, Fig. 16b의 차량 무게 중심 타격, 및 Fig. 16c와 같이 힌지 필러 후방 2,090 mm 지점을 타격했을 때 더미 거동을 도시하고 서로 비교할 수 있도록 하였다. Fig. 16b와 같이 차량 무게 중심부를 타격했을 때 발생하는 B 필러 및 사이드 도어의 침입에 의해 더미에 직접적인 상해가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 반면에 Fig. 16a, 16c와 같이 차량의 앞부분과 뒷부분 타격 시에는 차체의 침입에 의한 직접 타격은 거의 보이지 않으며 단지 차량의 요나 롤 회전에 의한 더미의 쏠림이 크게 나타나고 있다.
본 연구에서는 머리 상해치(HIC 15)와 흉부압박량(chest deflection) 및 치골 하중(pubic force) 등 세 변수를 대표값으로 선정하고 Fig. 17a~17c와 같이 서로 비교하였다.
HIC15의 경우 차량의 무게 중심인 4번 위치에서 최댓값을 보이나 무게 중심에서 비교적 멀리 떨어진 7번이나 8번 위치에서도 비교적 높은 상해를 보이는데 이는, 비교적 큰 요 회전으로 인하여 커튼 에어백과 머리의 충돌 시 상대속도가 증가하여 머리 상해치가 증가하는 것으로 보인다. 단, 머리와 에어백 간의 상대속도를 적절하게 정의하고 정량적으로 측정하는 것은 더욱 면밀하게 진행되어야 하기 때문에 본 연구에서 다루기는 어렵고 별도의 추가적인 연구가 필요하다.
흉부 압박량과 치골 하중의 거동은 서로 크게 다르지 않아 사이드 도어 침입량이나 B 필러 침입량이 가장 크게 발생하는 차량 무게 중심 위치인 4번 위치를 traffic이 충돌하는 조건에서 최곳값을 보이고 있다.
3.2. 승객 거동 변수와 승객 상해치 간의 상관 관계
90도 측면 충돌 상황에서 ΔVy, 롤 속도, 요 속도와 같은 차량의 동역학적 거동과 사이드 도어 침입량, 생존 공간 등의 차량 변형 거동과 승객 상해치간의 상관관계를 검토하였다. 먼저 육안으로 차량 거동 변수들의 그래프와 상해치 그래프를 비교하고 어느 정도 상호 관련성이 보이는 변수간의 상관성을 R2(결정계수)값을 이용하여 평가하였다.
먼저 ΔVy와 상해치 그래프를 비교했을 때 상관 관계가 나타나지 않는데 Fig. 18a과 같이 ΔVy와 HIC15간 상관성 평가를 수행하고 R2 값을 구했을 때 값은 0.0019로 낮은 상관성을 갖는다. Ego 차량 무게 중심에 충돌이 발생했을 때에는 높은 ΔVy와 롤 속도가 발생할 뿐 아니라 상대적으로 큰 사이드 도어와 B 필러의 침입량으로 인해 가장 높은 HIC 15값을 보이게 된다. 그러나 커튼 에어백 작동으로 인하여 머리 부위의 보호 성능이 일정 수준 확보되어 HIC 15는 비교적 작은 값을 보일 뿐 아니라 타격 위치에 따른 분명한 경향성은 보이지 않는 것으로 판단된다.
Fig. 13d에 도시한 바와 같이 타격 위치에 따른 사이드 도어 침입량 변화와 Fig. 13e의 타격 위치에 따른 생존 공간 변화는 Fig. 17b의 타격 위치별 흉부 압박량과 Fig. 17c의 타격 위치별 치골 하중과 유사한 경향을 보이고 있다. 즉, 차량 무게 중심인 4번 위치에서 최댓값을 보이고(B 필러 침입량과 반대 거동을 보이는 생존 공간은 최솟값을 보임) 무게 중심에서 멀어질수록 감소하는 거동을 보인다(생존 공간은 반대로 증가). Fig. 18b~18d와 같이 사이드 도어 침입량, 생존 공간 등의 차량 변형 거동과 흉부 압박량 및 치골 하중 간의 상관성 평가를 해보았을 때 R2 값은 0.8 수준으로 좋은 상관성을 보이고 있다. 생존 공간과 치골 하중간 상관성에서 R2은 0.47 정도로 비교적 낮게 나오나 다소간의 상관관계는 있는 것으로 보인다.
이상의 상관성 평가에서 확인한 바와 같이 측면 충돌에서는 사이드 도어 및 B 필러 침입량, 특히 사이드 도어 침입량은 승객 상해에 지배적 인자임을 확인할 수 있었다.
4. 결 론
측면 충돌 시 경사 각도에 의한 차량 거동을 검토하고, 차량의 동역학적 거동 및 차량의 변형 거동이 승객 상해에 미치는 영향을 분석하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
1) 90도 직각 측면 충돌과 60도 및 120도 측면 경사 충돌을 비교했을 때 경사 각도는 차량의 동역학적 거동이나 변형 거동에 큰 영향을 주지 않고 경사 충돌 시 측방향(Y방향) 속도 성분의 크기만이 영향을 준다.
2) 차체의 여러 위치 중 차량의 무게 중심에 가까울수록, 승객에 가까운 곳을 타격할 수록 승객 상해치는 높게 발생한다.
3) 측면 충돌 시 승객 상해 거동에 지배적인 영향을 미치는 인자는 사이드 도어 침입량 및 승객 생존 공간(B 필러 침입량)이며, 커튼 에어백과 더미와 상호 작용에 따라 HIC15는 차량의 동역학적 거동 혹은 변형 거동으로 예측한 바와 다른 거동을 보일 수 있다.
