Journal of Auto-vehicle Safety Association. 31 December 2022. 77-83
https://doi.org/10.22680/kasa2022.14.4.077

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 실사고 분석 연구

  •   2.1. Far-side 실사고 데이터 분석

  •   2.2. Far-side 실사고 상세조사 결과

  • 3. Far-side 측면충돌 해석

  •   3.1. Far-side 측면충돌 해석모델 구성

  •   3.2. Far-side 측면충돌 해석결과

  • 4. 결 론

1. 서 론

Far-side 충돌 사고는 두 번째로 높은 승객상해가 발생한다고 보고되고 있고,(1) 최신 기술의 승객보호 시스템이 적용된 자동차의 경우에도 측면 충돌 사고 시 승객상해의 정도는 심각한 것으로 분석되었다.(2) 그러나 Far-side 충돌 시 자동차의 안전도를 평가하는 구체적인 시험법과 안전기준은 현재 도입되지 않고, 실사고를 반영한 Far-side 충돌 사고의 승객 상해 위험도 평가와 인체 부위별 상해 평가 등의 연구는 진행되고 있다.(3)

Far-side 충돌 실사고 자료 분석으로, 측면충돌 속도 및 차체 최대 변형량(CDC, Collision Deformation Classification)은 승객의 머리, 가슴, 하지의 상해 발생 위험도(AIS, Abbreviated Injury Scale) 2 이상의 상해 발생 증가와 매우 연관성이 있는 것으로 분석되어 승객보호를 위한 Far-side 충돌 사고 연구의 필요성이 증대되고 있다.(4) 자동차 실사고 자료 분석으로 측면충돌 사고 시 Far-side 충돌에 의한 승객 상해가 보고되고 있으나 Far-side 충돌 시 승객 보호를 위한 구체적인 안전장치의 연구는 미비한 것으로 나타났다.(5) 또한 대한민국의 심층 자동차 사고 조사(KIDAS, Korea In-depth Accident Study) 데이터 분석으로 측면충돌 시 운전자뿐만 아니라 조수석 탑승자도 큰 상해가 발생하는 것으로 분석되었다.(5)

Far-side 충돌 조건의 안전기준에 대한 활발한 논의와 계획은 있으나 실행되고 있지는 않은 상황이며 유럽과 미국의 신차 안전도 평가(NCAP, New Car Assessment Program) 규정의 개정에서 언급되고 있다. 기존의 측면충돌 안전기준을 확장하여 충돌 방향 및 착석 승객 조건에서 운전석과 조수석의 양쪽을 모두 고려하는 방향으로 논의되고 있고, Global NCAP 및 대한민국의 자동차 안전도 평가계획에서도 Far-side 충돌시험 조건에 대한 도입이 언급되고 있다.(5,6) NHTSA(National Highway Transportation Safety Administration)는 측면충돌사고 사망자의 약 29%가 충돌 측면이 아닌 반대쪽에 착석한 승객인 것으로 보고하였고,(6) 자동차 측면충돌 사고 시 충돌 측면이 아닌 반대쪽 승객의 거동에 관한 연구는 초기 단계로 사고 유형 및 시나리오 등의 구체적인 연구가 필요한 실정이다.(7)

최근의 연구에서는 Sled Test와 같은 단순한 시험환경의 Far-side 충돌조건을 PMHS(Post-Mortem Human Subjects)와 ATDs(Anthropomorphic Test Devices)에 적용하여 Far-side 충돌 시 승객거동의 분석연구가 수행되고 있다.(8) Forman 등(9)은 Far-side 충돌 시나리오의 PMHS와 ATDs의 승객거동을 이해하는데 다양한 정보를 제공하였으나 단순한 시험환경으로 실제 자동차 실내에서의 승객거동을 분석하기에 제한점이 있는 것으로 나타났다.(10) 또한 제한적인 PMHS의 재현성 문제로 상해 기전 및 원인 분석 등에 한계도 보고되었다.(10)

문건웅 등(11)은 Far-side 충돌 시 승객의 머리 보호 및 에어백의 전개성 확보를 위한 센터 사이드 에어백연구를 수행하여 운전자와 동승자 사이에서 에어백이 전개되어 에어백의 상부는 승객의 머리를 보호하고 에어백의 중앙부위는 승객의 어깨를 구속하며 에어백의 하부는 승객의 골반을 구속하여 승객의 상해를 개선할 수 있도록 하였다. 또한 김동섭 등(12)은 Far-side 충돌 시 센터 사이드 에어백 유뮤에 따른 인체상해 분석 연구로 승객 간 또는 자동차 내부 인테리어 접촉 정도를 분석하였다. 한편 박지양 등(13)은 다양한 더미 모델과 측면 충돌시험을 모사하는 Sled 모델을 적용한 충돌해석을 수행하여 운전석과 조수석의 승객 거동과 상해를 비교 및 분석하였고, 유사한 연구방법으로 안전벨트 유형에 따른 Far-side 승객 거동과 상해를 분석 연구를 수행하였다.(14)

본 연구에서는 측면충돌 실사고 자료를 분석하여 Far-side 충돌사고 시 승객의 상해 유형 및 기전을 분석하고, 더미 유한요소모델을 적용한 Far-side 충돌해석을 수행하여 측면충돌 경사각도에 따른 승객 거동 및 상해 분석을 연구하였다.

2. 실사고 분석 연구

2.1. Far-side 실사고 데이터 분석

KIDAS의 측면충돌 사고 데이터 분석으로 국내의 Far-side 실사고 경향을 파악할 수 있다. 2012년부터 2017년까지의 국내 심층조사 대상 교통사고 470건 중 측면충돌 사고는 90 건이며 Far-side 충돌사고의 승객은 총 60 명으로 조사되었고,(5) 김동섭 등은 국내 Far-side 충돌사고 중 MAIS(Maximum Abbreviated Injury Scale) 2 이상의 승객은 21 명이고 MAIS3 이상의 승객은 5 명인 것으로 보고하였다.(5) Far-side 충돌사고 시 발생하는 머리와 하지의 승객 상해 위험도가 Near-side 충돌사고 시 발생하는 상해 위험도보다 큰 것으로 보고하여 Far-side 충돌 시 승객의 머리와 하지 보호의 중요성을 언급하였다.(5)

한편 미국에서 발생한 Far-side 충돌 실사고의 사고유형, 승객의 상해 정도 및 기전 등을 분석하기 위해 2016~2020 CISS(Crash Investigation Sampling System)의 데이터를 분석하였다.

승객은 승용형 자동차의 운전자로 제한하였고 승객의 상해정도는 “Fatality”, 충돌방향은 측면으로 설정하여 얻은 총 108 건의 Far-side 사고를 분석하였다. 유효한 승객 및 상해 정보를 확인할 수 있는 27 건의 사고를 선택하고 세부 분석 내용을 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Occupant information of far-side accident cases in CISS database

Male Female
No. of Cases 21 6
Average age (year) 35.1 58.5
Average height (cm) 176.1 168.5
Average weight (kg) 82.4 90.8
Belt use 13 4
Belt use none or unknown 8 2
Airbag deployed 12 5
Airbag not deployed or unkown 9 1

남성 승객의 사고가 약 78%로 사상자의 대부분으로 나타났고 남성 승객의 평균 연령은 상대적으로 낮았고 성별에 따른 승객의 키와 몸무게 차이는 크지 않은 것으로 파악되었다. 안전벨트 착용과 에어백 전개의 사고 수가 다소 많았으나 남성 승객의 경우 에어백이 전개되지 않은 사고 건수도 적지 않은 것으로 파악되어 승객상해 저감을 위해 기존 에어백의 전개가 큰 영향을 미치지 않음이 파악되었다. 한편 사상자의 상해 부위와 구속장치와의 연관성을 Table 2에 나타내었고 KIDAS의 연구결과와 유사하게 대부분 머리와 가슴 부위의 상해로 사망에 이른 것으로 분석되었다. 안전벨트의 착용 또는 에어백의 전개에 따른 상해 부위와 상해 기전과의 연관성은 파악되지 않았다.

Table 2.

Number of fatality accidents according to injury body regions and restraint systems

Body regions Head Neck Chest Etc.
Airbag & Belted 5 2 6
Airbag & Unbelted 2 2 1 6
Belted 2 1
Total cases 9 2 4 12

2.2. Far-side 실사고 상세조사 결과

2016~2020 CISS의 Far-side 충돌 실사고 데이터 분석으로 머리와 가슴 부위의 상해로 사망에 이른 경우가 대부분인 것으로 분석되었으며 총 9 건의 머리 상해 중 2 건과 총 4 건의 흉부 상해 중 2 건을 상세 분석하여 Table 3Table 4에 나타내었다.

Table 3.

Analysis of head injury cases

Cases 1-18-2017-054 1-20-2018-105
Occupant Female (44 yrs) Male (25 yrs)
Restraint Belted Airbag & Belted
Serious injury Brain stem transection Brain stem compression
Injury pattern https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T3_1.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T3_2.jpg
Delta V* 69 / 23 / -64 65 / -22 / -62
Scene https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T3_3.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T3_4.jpg
Vehicle photos https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T3_5.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T3_6.jpg

* Total, longitudinal and lateral velocities (km/h)

Table 4.

Analysis of chest injury cases

Cases 1-10-2020-048 1-21-2020-100
Occupant Female (51 yrs) Male (52 yrs)
Restraint Airbag & Unbelted Belted
Serious injury Thoracic laceration (Aorta) Thoracic cavity injury
Injury pattern https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T4_1.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T4_2.jpg
Delta V* Unknown 36 / -12 / -34
Scene https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T4_3.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T4_4.jpg
Vehicle photos https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T4_5.jpghttps://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_T4_6.jpg

* Total, longitudinal and lateral velocities (km/h)

Case No. 1-18-2017-054의 사고는 44세 여성 운전자의 사고로 에어백은 미전개 되었고 안전벨트는 착용한 경우로 머리 상해(Brain stem transection, Vascular injury)와 흉복부 상해(Aorta laceration, Liver laceration, Diaphragm rupture) 등이 주요 사망원인으로 조사되었다. Total Delta V는 69km/h 이며 충돌 시 23km/h(Longitudinal direction) 및 -64km/h(Lateral direction)의 방향별 속도가 보고되었다. 차량 좌표계 기준으로 약 -20 deg. Oblique Far-side 충돌로 계산된다. 충돌사고로 조수석 부위의 침입이 크게 발생하여 운전자의 머리부위가 자동차의 오른쪽 구조물(도어 또는 B-pillar)과 접촉했을 것으로 추정된다.

한편 Case No. 1-20-2018-105의 사고는 25세 남성 운전자의 사고로 에어백은 전개 되었고 안전벨트는 착용한 경우로 머리 상해(Brain stem compression, Cerebrum brain edema)와 흉부 상해(Long contusion, Ribcage fracture) 등이 조사되었다. Total Delta V는 65km/h 이며, -22km/h(Longitudinal direction) 및 -62km/h(Lateral direction)의 방향별 속도가 조사되었다. 차량 좌표계 기준으로 약 +20 deg. Oblique Far-side 충돌로 분석된다. 충돌사고로 조수석 부위의 침입이 크게 발생하여 운전자의 머리부위가 자동차의 오른쪽 구조물(도어 또는 B-pillar)과 접촉했을 것으로 추정된다. 머리 상해로 사망한 두 가지 경우에서 매우 유사한 크기의 Delta V가 보고되었고 충돌 시 경사 각도는 차이가 있었다.

흉부 상해로 승객이 사망한 사고, Case No. 1-10-2020-048의 사고는 51세 여성 운전자의 사고로 에어백은 전개 되었고 안전벨트는 미착용한 경우로 흉부 상해(Aorta laceration, Ribcage fracture, Hemopneumothorax)와 머리 상해 및 골반과 대퇴부 골절 등이 주요 상해로 조사되었다. 안전벨트 미착용으로 충돌사고 시 운전자가 시트에 구속되지 않고 차실 내 움직임이 상대적으로 커지면서 변형된 조수석 부위(도어, B-pillar, Roof side rail)와 접촉했을 것으로 추정된다.

Case No. 1-21-2020-100의 사고는 52세 남성 운전자의 사고로 에어백은 미전개 되었고 안전벨트는 착용한 경우로 흉부 상해(Hemopneumothorax, Sternum fracture) 등이 조사되었다. Total Delta V는 36km/h 이며, -12km/h(Longitudinal direction) 및 -34km/h(Lateral direction)의 방향별 속도가 조사되었다. 차량 좌표계 기준으로 약 -20 deg. Oblique Far-side 충돌로 계산된다. 충돌 시 운전자는 자동차의 오른쪽 구조물(도어 또는 B-pillar)과 접촉했을 것으로 추정되며 상대적으로 작은 Total Delta V에 비해 과도한 침입량이 사고 사진을 통해서 확인되었다.

3. Far-side 측면충돌 해석

3.1. Far-side 측면충돌 해석모델 구성

본 연구에서는 승객-시트 유한요소모델에 Oblique Far-side 충돌조건을 적용하여 충돌해석을 수행하고 측면충돌 각도에 따른 승객 거동 및 상해 분석을 연구하였다. 승객모델은 University of Virginia, Center for Applied Biomechanics에서 제공하는 NHTSA THOR(Test Device for Human Occupant Restraint) FE(Finite Element) model(version 2.7, released September 2019)을 사용하였고 시트 모델은 NHTSA에서 제공하는 중형 승용차(Accord) 모델의 시트를 사용하였다. 한경희 등(15)이 적용한 특성값의 프리텐셔너와 로드리미터 기능이 구현된 안전벨트 모델을 적용하여 Oblique Far-side 충돌해석을 위한 승객-시트 유한요소모델(총 요소 수: 603,867)을 Fig. 1과 같이 구성하였다. Forman 등(9)이 보고한 충돌 각도(±30 deg.)와 충돌 심도(14g)를 반영하여 Far-side 경사충돌 속도조건을 Fig. 2(a)와 같이 구성하여 시트 레일 모델에 적용하였다. 한편 Forman 등(9)이 제안한 충돌 심도는 Delta V로 환산하면 약 34km/h로 보고되었다.

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Fig. 1

Occupant-seat FE model for far-side impact simulation

3.2. Far-side 측면충돌 해석결과

미국의 Far-side 충돌 실사고 데이터 분석으로 머리와 가슴 부위의 심각한 상해로 운전자가 사망한 경우가 대부분인 것으로 나타났고, 총 4 건의 사고를 상세 분석하여 충돌 각도는 약 -20~+20 deg. 의 Oblique Far-side 충돌 조건인 것으로 분석되었다. 이러한 Oblique Far-side 충돌 조건은 Forman 등(9)의 선행연구 결과(±30 deg.)와도 유사하며 본 연구에서 구성한 Far-side 충돌해석 모델로 충돌각도에 따른 승객거동과 상해치를 계산하였다. Fig. 2는 충돌 후 200 msec 이 지난 시점의 승객거동을 X-Y 평면에서 보여주고 있다. 경사 30 deg. 충돌속도 모델(Fig. 2(b))과 Y 방향 충돌속도만 적용된 모델(Fig. 2(c))의 흉부와 상지의 거동은 유사한 것으로 나타났으나 경사 -30 deg. 충돌속도 모델(Fig. 2(d))의 흉부는 Z 방향 회전량이 많고 시트와의 접촉으로 시트의 편심된 변형이 계산되었다. 한편 Y-Z 평면의 승객거동은 Fig. 3에서 보여주고 있고 충돌 경사에 따른 승객거동의 차이점 및 과도한 머리와 흉부의 움직임이 경사 -30 deg. 충돌속도 모델에서 나타났다. 경사 충돌속도에 따른 머리, 흉부 및 골반의 움직임은 Fig. 4와 같다. 경사 -30 deg. 충돌속도 모델의 머리와 흉부의 움직임이 다른 두 모델의 결과와 차이가 있고 특히 머리의 Z 방향의 변위가 약 112mm 증가하는 것으로 계산되었다. Fig. 5의 머리 가속도-시간 그래프에서도 경사 -30 deg. 충돌속도 모델의 가속도 결과가 다른 두 모델의 결과와 차이가 있음을 알 수 있다.

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_F2.jpg
Fig. 2

Occupant behaviors @ 200 msec

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_F3.jpg
Fig. 3

Occupant behaviors during far-side impact simulations

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_F4.jpg
Fig. 4

Body region (Head, T1, T12 and Pelvis) trajectories

https://static.apub.kr/journalsite/sites/kasa/2022-014-04/N0380140410/images/kasa_14_04_10_F5.jpg
Fig. 5

Head acceleration-time histories

또한 경사 충돌각도의 민감도를 확인하고자 -10 deg.와 -20 deg.의 Oblique Far-side 충돌해석을 수행하였고 신체 부위별(머리, T1, T12, 골반) 움직임을 Fig. 6에 나타내었다. 전체적으로 경사 충돌각도 -20 deg. 모델과 -30 deg. 모델 간의 신체부위별 움직임의 차이가 가장 큰 것으로 계산되어 경사 충돌각도에 따른 승객거동의 민감도를 확인하였다.

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Fig. 6

Body region trajectories

총 다섯 충돌해석 모델의 승객 상해치를 계산하여 Table 5에 나타내었다. 충돌 경사각도 -20 deg.~30 deg.의 충돌해석 모델에 비해 승객 거동 정도가 크게 계산된 충돌 경사각도 -30 deg. 모델의 상해치는 경사각도가 없는 모델(Oblique 0 deg.)의 상해치에 비해 약 209%(HIC36)와 136%(최대 흉부가속도) 수준인 것으로 계산되었다.

Table 5.

HIC and max. chest acceleration comparison

Models HIC36 Max. Chest G
Oblique 30 deg. 182.8 30.7
Oblique 0 deg. 139.2 71.1
Oblique -10 deg. 179.3 66.1
Oblique -20 deg. 193.5 53.5
Oblique -30 deg. 290.5 96.4

4. 결 론

본 연구에서는 Far-side 충돌 시 승객 안전도를 파악하기 위해 Far-side 실사고의 사고유형, 상해부위, 상해기전 등을 상세하게 분석하였고, 실차 모델 조건의 승객-시트 유한요소모델로 Oblique Far-side 충돌해석을 수행하여 충돌 경사각도에 따른 승객의 움직임과 상해치를 계산하였다.

Far-side 충돌사고 시 차실 내 오른쪽 구조물의 침입으로 운전자의 머리와 흉부가 접촉하여 중대한 상해가 발생한 것으로 파악되어 머리와 흉부의 상해 감소를 위한 센터사이드 에어백 등의 적용 및 검증 연구가 요구된다.

또한 Far-side 경사충돌 해석결과 분석으로 승객의 움직임과 상해치가 큰 변화를 보이는 임계 충돌 경사각도가 도출되어, 본 연구 내용은 Far-side 충돌 경사각도를 고려한 승객 보호장치 및 시트 개선설계 연구에 기본 자료로 활용될 수 있다.

Acknowledgements

본 연구는 경일대학교 2021학년도 교원연구년제에 의하여 지원되었음.

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