1. 서 론
2. 릴렉스 자세 승객안전해석 모델 개발
3. 충돌 유형별 속도별 파라미터 해석 구성
4. 충돌유형별 속도별 파라미터 해석 결과 분석
4.1. 50% 남성 승객거동해석 결과 분석
4.2. 5% 여성 승객거동해석 결과 분석
5. 결 론
1. 서 론
전기자동차의 보급 증가와 자율주행차의 개발 연구 등으로 인하여 기존의 운송수단으로의 자동차 개념에서 운전하지 않는 상태로 이동 공간을 활용하는 방안이 연구되고 있다. 자동차 광고에서도 차량에 운전을 맡기고 이동시간을 활용하는 장면을 보여주고 있다. 기존의 법규체계는 이중 정상자세에 대한 고려만을 하고 있어 한계를 보이고 이를 보완하기 위한 연구로 다양한 충돌유형과 착좌자세에서 승객의 상해변화와 상해 발생 요인에 관한 연구가 필요하다. 이동 시나리오별 착석 유형의 선호에 관한 연구에 따르면, 출퇴근 시와 같은 단거리, 주말여행 등과 같은 중, 단거리 여행, 휴가 시 각기 정상자세 105도, 120도 기울어진 좌석을 선호, 135도 기울어진 좌석을 선호하는 결과를 보인다.(1,2)
MADYMO 솔버기반의 정상자세 해석모델을 바탕으로 착좌 유형의 선호도에 따른 시트 각도와 편의성 증대를 위한 시트 트랙 위치의 조정 등을 반영한 승객거동해석 모델을 구성하고 정면, 옵셋, 경사 충돌모드 등의 다양한 충돌모드에 대한 해석을 통하여 착좌 자세가 승객의 상해에 미치는 영향을 연구하였다.
첫 번째로 릴렉스 자세 승객안전해석 모델을 개발하고 두 번째로 각 충돌 모드별, 속도별 파라미터 해석을 수행하고 마지막으로 해석 결과를 분석한다.
2. 릴렉스 자세 승객안전해석 모델 개발
정상자세의 기본 승객거동해석 모델은 MADYMO(3) Release 7.8 버전을 기반으로 구성하였다. 더미모델은 MADYMO Facet dummy model Version 4.3.1을 적용하였다.
이동 시나리오별 착석 유형의 선호에 관한 연구(1,2)에 따라 승객모델은 운전석/조수석 50% 남성, 운전석/조수석 5% 여성의 4가지이다. 시트 등받이 기울기 각도(Seat Back Tilting Angle)는 Base, Base +15도, Base +30도 세 가지이다.
시트 트랙 위치(Seat Track Position)는 Base, Base +50 mm, Base +100 mm의 세 가지이다. Fig. 1은 운전석 50% 남성 해석 모델이고, Fig. 2는 조수석 50% 남성, Fig. 3은 운전석 5% 여성, Fig. 4는 조수석 5% 여성 모델이다. 시트 등받이 각도와 시트 트랙 위치에 따른 승객모델의 초기 착좌 자세이다.
3. 충돌 유형별 속도별 파라미터 해석 구성
2장의 해석모델, 시트 등받이 각도 및 시트 트랙 위치에 따라 36개의 승객 안전해석모델을 구성하였다. 탑승자 상해연구를 위하여 기존의 법규(4)와 상품성 충돌시험모드(5)에 대한 속도별 차체 충돌해석을 수행하였다. 차체 충돌해석모델은 2014년형 Honda Accord 모델로 NHTSA에서 제공하는 해석 모델(6)을 기존의 연구(7)와 같이 수정하여 사용했다.
충돌시험모드는 정면충돌(Frontal rigid barrier), 30도 경사충돌(30% degree rigid barrier), 40% ODB(Offset deformable barrier)를 속도는 Table 1과 같이 하여 각 충돌시험모드별로 수행한 충돌해석결과로 추출한 가속도파형을 승객모델에 적용하여 해석하였다. Fig. 5는 각각의 충돌시험모드다.
Table 1.
Impact speeds of various crash test modes
| Mode | Level1 | Level2 | Level3 | Level4 | Level5 |
| Frontal rigid barrier | 20 Kph | 30 Kph | 40 Kph | 50 Kph | - |
| 30 deg rigid barrier | - | 30 Kph | 40 Kph | 50 Kph | - |
| ODB | - | 30 Kph | 40 Kph | 50 Kph | 60 Kph |
Fig. 6은 충돌시험모드에 따라 속도별로 차체 충돌해석으로 구한 가속도 파형이다. Fig. 7~9는 충돌 시험모드별 시간에 따른 승객거동의 모습이다.
Fig. 7~9은 운전석 남성 기준으로 좌로부터 시트의 트랙 위치가 Base, Base +50 mm, Base +100 mm 일 때이다. 위에서부터 차례로 시트 등받이 각도는 각각 Base, Base +15도, Base +30도일 때이다. 각 충돌 모드별로 시트 트랙 위치 세 가지, 시트 등받이 각도 세 가지에 대한 9가지 조합에 대하여 해석한 승객 거동을 50 msec 간격으로 정리한 모습이다.
4. 충돌유형별 속도별 파라미터 해석 결과 분석
4.1. 50% 남성 승객거동해석 결과 분석
2절과 3절에서 정한 자율주행차의 착좌자세별 승객모델과 차체충돌해석으로 구한 가속도 파형을 적용하여 얻어진 상해치 결과를 정리하고 분석하였다.
Fig. 10은 정면충돌 시 운전석과 조수석의 HIC15를 비교한 결과이다. 시트 등받이의 각도가 커질수록 상해치가 증가하고, 시트의 위치가 뒤쪽으로 갈수록 상해치가 증가하는 경향을 보이고, 충돌속도가 증가 할수록 상해치가 증가하는 경향을 보인다.
Fig. 11은 30도 경사충돌 시 운전석과 조수석의 HIC15를 비교한 결과이다. 시트 등받이의 각도가 커질수록 상해치가 증가하고, 시트의 위치가 뒤쪽으로 갈수록 상해치가 증가하는 경향을 보인다.
Fig. 12는 Offset deformable barrier 시험모드에서 운전석과 조수석의 HIC15를 비교한 결과이다. 시트 등받이의 각도가 커질수록 상해치가 증가하고, 시트의 위치가 뒤쪽으로 갈수록 상해치가 증가하는 경향을 보인다. 특히, 고속 모드에서 시트각도가 증가하면서 스티어링 휠과 충돌하는 케이스가 발생하여 높은 상해치를 나타내는 경향을 보인다. 시트가 후방 위치하는 경우 벨트와 더미의 초기 구속력이 약해져, 이후 횡방향으로 더미의 거동이 증가하게 되고 스티어링 휠과 충돌하는 경우가 늘어난다.
Fig. 13~15는 세 가지 충돌시험모드에서 승객해석모델의 시트 등받이 각도, 시트 위치 및 충돌속도에 따른 BrIC(Brain Injury Criteria)결과이다. BrIC 상해치 경향도 HIC15 상해치 경향과 유사하게 시트 등받이 각도가 증가하면 상해치가 상승하는 경향을 보이며, 시트 트랙의 위치가 뒤로 갈수록 상해치가 증가하는 경향을 보인다. 또한, 충돌속도가 증가할수록 상해치도 증가한다.
승객 거동해석결과를 분석한 결과, 더미 자세 중에 뒤로 누운 자세에서 상해가 많이 발생하였고, 충돌 시 충돌속도가 50 Kph의 경우에 승객의 상해치 결과가 가장 높은 것으로 분석되었다. 이중, 자율주행차가 자율주행 중에 승객의 착좌자세에 따라 충돌사고 시 승객과 에어백 간의 거리관계가 중요한 것으로 판단되어, 충돌 직전(해석모델의 Time=0 ms) 운전석의 50% 남성 모델더미의 코와 스티어링 휠까지의 거리를 변수로 충돌속도가 법규 충돌속도인 50 Kph의 경우에 대하여 상해치 변화를 추가로 분석하였다.
Fig. 16은 운전석 더미의 코와 스티어링 휠까지의 거리(NS, Nose to Steering Wheel)를 나타낸다. NS는 근접영역, 정상영역, 원접영역으로 나눌 수 있다. 정상영역은 NCAP 및 법규 시험 자세 영역이고 근접영역은 정상영역 보다 짧은 OOP(Out of Position) 영역을 말한다. 원접영역은 자율주행 시 뒤로 기댄 편이자세(Relax Position)를 말한다.
Fig. 17은 조수석의 경우에 더미의 코와 에어백 도어 선단까지의 거리(NP, Nose to Passenger Airbag Door)를 나타낸다. 운전석과 마찬가지로 근접영역, 정상영역, 원접영역으로 나눌 수 있다.
Fig. 18, 19는 50 Kph 속도의 정면충돌 운전석과 조수석의 승객 거동해석결과이다. NS나 NP의 거리에 따라 주요 상해치 변화를 분석하여 보면 정상 착좌 자세 근처의 특정 존을 중심으로 근접영역(근접 OOP영역, Out of Position)으로 가거나 정상 영역에서 원접 영역 쪽으로 더미의 착좌위치가 이동하면 HIC15와 BrIC 값이 증가하는 경향을 보인다. 즉, 자율주행 시 승객이 편이자세(Relax position)에 위치할 경우 Fig. 7~9의 승객거동와 같이 에어백과 승객의 거리가 멀어서 더미 거동 초기에 에어백과의 접촉을 통한 에너지 흡수를 못 하게 되고 에어백 압력이 많이 상실된 상태에서 에어백과 머리와 접촉이 발생하여 정상위치일 경우처럼 머리를 충분히 보호해 주지 못하는 결과를 보여준다. 이와 같은 승객거동으로 인하여 현재의 에어백 시스템으로는 자율주행차의 운행 중 편이자세에서 충돌사고 발생 시 일반적인 정상자세의 자가 운전 시보다 상해가 증가할 것으로 예측된다.
4.2. 5% 여성 승객거동해석 결과 분석
Fig. 20~22는 세가지 충돌시험모드에서 시트 트랙위치와 시트 등받이 각도 변화에 대한 승객해석모델의 HIC15 결과이다. 정면충돌의 경우 시트 등받이 각도가 커질수록 시트의 위치가 뒤로 갈수록 충돌속도가 높아질수록 상해치가 상승하는 경향을 보인다. 30도 경사충돌의 경우도 정면충돌과 같은 경향을 보인다. Offset deformable barrier의 경우는 다른 변수보다 충돌 속도의 영향이 크다.
Fig. 23은 정면충돌의 경우 BrIC 결과이다. 운전석 시트 등받이의 각도나 시트 위치의 영향이 크며 충돌속도의 영향은 상대적으로 시트 등받이 각도가 커질수록 속도가 증가할수록 상해치도 증가한다. 조수석은 시트 등받이 각도가 커질수록, 시트 위치가 뒤로 갈수록, 충돌속도가 높을수록 상해치가 증가하는 경향을 보인다.
Fig. 24는 30도 경사충돌에서 시트 트랙위치, 시트 등받이 각도 및 충돌 속도에 따른 승객거동해석결과로 구한 BrIC 값 이다. 시트의 위치에 따른 변화가 각도에 따른 변화가 비슷하다. 충돌속도가 증가할수록 상해치도 증가하는 경향을 보인다.
Fig. 25는 Offset deformable barrier 시험모드에서 다른 시험 모드와 같이 시트의 변수와 충돌 속도에 따른 BrIC 해석 결과이다. 다른 두 가지 충돌의 경우와 비슷한 경향을 보이지만 상해치의 변화량은 상대적으로 작다. 충돌 속도가 증가하면 BrIC 값도 증가하는 경향을 보인다.
5% 여성승객의 해석결과도 50% 남성의 승객거동해석 결과와 마찬가지로 더미 착좌자세 중에 뒤로 누운 자세에서 상해치가 높아지는 경향을 보였다. 4.1절의 50% 남성승객의 해석결과 분석처럼 정면충돌 해석결과 중 상해치가 가장 높은 충돌속도 50 Kph에 대하여 NS, NP의 거리에 따라 다시 분석하면 Fig. 26, 27과 같다. Fig. 26은 운전석, 조수석의 HIC15 분석 결과이고, Fig. 27은 운전석, 조수석의 BrIC 분석결과이다. 5% 여성도 정상착좌자세에서 운전의 경우보다 자율주차행차가 자율주행시 승객이 편이자세(Relax position)를 취할 경우 충돌사고시 상해치가 증가하는 경향을 보여준다.
Fig. 28은 5% 여성더미의 근접자세, 정상자세, 편이 자세에서 더미 머리의 합력 가속도를 보여준다. 근접자세에서 더미의 가속의 최대치가 정상자세보다 높고 빠르게 나타나는 것을 알 수 있으며, 편이자세에서는 에어백과 머리의 초기 거리가 멀어서 에어백이 조기에 머리를 보호해 주지 못해서 후반부의 가속도가 높이 증가하는 결과를 보인다.
5. 결 론
본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
1) 더미 착좌자세별 상해변화 결과를 정리하였다.
2) 세가지 충돌시험 모드에 대한 승객거동해석결과 정상자세위치에서의 상해치보다 자율주행차의 편이자세 조건에서 HIC15와 BrIC 등과 같은 머리에 관련된 상해치가 증가하는 경향을 보여준다.
3) 기존의 정상자세 조건에서 NCAP(New Car Assessment Program)의 성능개선에 최적화된 구속장치 시스템은 자율주행차의 자율주행 중 긴급제동 또는 충돌사고에 의해 발생할 수 있는 근접자세 및 편이자세와 같이 에어백과 먼 거리 혹은 가까운 자세에서 상해가 증가하는 결과를 나타내고 있다. 그러므로 자율주행 모드의 탑승자 자세를 고려한 새로운 구속장치 및 구속장치의 작동 조건(에어백 전개 조건)에 대한 설계가 필요한 것을 알 수 있다.
