1. 서 론
2. Sled 시험을 위한 180° 50% Offset 56 km/h 실차 충돌안전성평가 선행연구 결과 분석
2.1. 해석 연구
2.2. 시험 펄스 및 인체모형
3. Sled 기반 충돌안전성 평가방법 개발
3.1. 시험 조건
3.2. 정합성 분석 결과
3.3. 결과 비교
4. 신개념 안전장치 평가
4.1. 신개념 안전장치의 종류
4.2. 시험 결과
5. 결 론
1. 서 론
자율주행자동차(이하 “자율차”라 한다) 탑승객은 기존 자동차보다 높은 실내 자유도를 가질 것으로 예상되며, 운전에서 벗어난 승객들은 더욱 편한 자세로 탑승할 것이다. 연구 결과(1,2)에 따르면 몸통각도가 증가할수록 인체상해가 증가하고 Submarine 발생 위험이 높아진다.
이에 지난 연구(3)에서 자율차 승객의 자유로운 착좌를 고려하여, 정상착좌(몸통각도 25°)가 아닌 젖힘 자세에서의 충돌 안전성 연구를 진행하였다. 해당 연구는 자율차 충돌시나리오, 승객착좌 등(3)을 기반으로 Fig. 1에 따라 3가지 방법으로 시험을 수행하였다. 먼저 Fig. 2와 같이 자율차 대표 충돌 시나리오(150° 경사 차대차 충돌) 시험 조건으로 충돌시험(4)을 하였으며, 인체모형은 상해가 높을 것으로 예상되는, 몸통 각도 45°~50°의 착좌(3)를 기반으로 수행하였다. 경사 충돌로 인하여 발생된 차량 요잉 현상과 젖힘 자세로 인하여 에어백까지의 거리가 멀어져 차의 회전 방향으로 인체모형 회전이 심해졌고 에어백에 정상적으로 안착하지 못했다. 이러한 거동 때문에 뇌상해지수인 BrIC(Brain Injury Criterion)과 DAMAGE(Diffuse Axonal Multi-axis General Evaluation)의 상해가 증가하는 경향을 볼 수 있었다.
하지만 충돌 시 발생하는 차량 요잉 현상으로 경사 충돌시험을 Sled로 재현하기 어려웠다. 연구결과 운전석의 경우 BrIC과 DAMAGE에서 각각 6.5%와 17.5% 정도 차이가 발생하였으며, 동승석의 경우 실차충돌과 달리 에어백에 전혀 접촉하지 못했다.(5) 이는 차체가 장비에 고정되어 발사되는 특성 때문에 펄스와 차체의 회전만으론 요잉 현상을 반영하지 못하였기 때문이다.
두 번째, 자율차 대표 충돌시나리오 외 기존 자동차를 대상으로 하는 가장 대표적인 충돌 시나리오(현행 자동차안전도평가에서 시행)인 180° MPDB(Mobile Progressive Deformable Barrier) 충돌 시나리오를 적용하여 Sled 기반 자율차 충돌안전성 평가 연구를 수행하였다.
자율차에 적용되는 충돌안전장치가 다양한 착좌 조건, 충돌 시나리오 등에 따라 안전성을 확보하는지 평가해야 하는데, 무수한 시험 조건들을 모두 실차 시험으로 평가하기엔 소요시간, 평가 장비의 제한성, 무엇보다도 막대한 시험비용 소요라는 현실적 문제점이 발생한다. 때문에 지난 연구5)에 이어 이번 연구에서는 180° MPDB 충돌시험이 Sled 기반 평가로 재현이 가능한지 여부를 검토하였고, 젖힘 자세 탑승객의 자율차 안전장치 평가를 통해 도출된 Sled 기반 자율차 안전장치 평가방법이 적절한지를 확인하였다.
2. Sled 시험을 위한 180° 50% Offset 56 km/h 실차 충돌안전성평가 선행연구 결과 분석
실차 충돌 시험을 반영한 Sled 시험을 위해선 충돌 특성을 먼저 분석 및 반영하여야 한다. 이를 위해 선행 연구(3)에서 충돌 각도 및 펄스 등의 시험 조건 도출을 위한 해석 연구를 수행하였다. 연구결과 도출한 적절한 시험방법은 다음과 같다.
2.1. 해석 연구
180° MPDB 50% Offset 충돌에서 충돌차의 요잉 현상이 발생하였다. 해당 현상을 Sled 장비에 반영하기 위하여 수많은 경우의 수를 시험하기는 어렵다. 그래서 충돌시험 시 B-pillar 하단에서 얻은 LH/RH 가속도 데이터의 적절한 조합과 더미의 거동을 가장 적절하게 반영할 수 있는 지그의 각도를 도출하고자 앞서 언급한 선행 연구(3)에서 Fig. 3과 같은 해석 연구를 수행하였다. 0°, 4°, 10°, 15°의 충돌각도, LH/RH의 펄스 조합을 기반으로 해석을 수행하였다. Sled 시험을 동승석 기준으로 수행할 예정이었기에, 시험방법을 운전석/동승석을 분리하여 시험 시 회전 0°와 RH 100%, RH 75%+ LH 25% 펄스 사용으로 특정했다.
2.2. 시험 펄스 및 인체모형
150° 경사 차대차 충돌시험기반 Sled 시험 결과처럼 현 Sled 장비에서는 요잉 현상을 재현하기 어렵다. 이에 2.1. 해석 연구를 하였으며, 연구 결과 RH 100%와 RH 75%+ LH 25% 펄스(Fig. 4)로 특정하였다.
시험에 적용하는 인체모형은 충돌에서 사용되었던 THOR 50M을 적용하였다. 이는 젖힘자세의 평가를 위하여 생체충실도가 HIII 50M보다 더 높아서이다.(6) 해당 인체모형을 통해 실차 충돌시험과 경향성 분석을 진행하였다.
3. Sled 기반 충돌안전성 평가방법 개발
3.1. 시험 조건
3.1.1. Sled 지그
지그는 Fig. 5처럼 선행 연구(5)에서 사용한 것과 동일하게 제작하였다. 아이오닉5 차체를 기반으로 제작하였으며, Sled 시험을 위해 주요 볼트 부분 및 pillar 등을 보강하였고, 요잉 현상의 반영을 위하여 차체의 회전이 가능하도록 제작하였다. 내부 인테리어는 반복적인 시험을 위해 교체가 가능해야 하며, 운전석을 제외한 동승석 위주로 설치하였고 실내 안전장치의 경우 충돌시험 차량과 동일하게 설치하였다.
3.1.2. 인체모형 착좌 조건
본 연구는 자율차의 충돌안전성 확보가 목표인 점을 고려하여 동승석 기준으로 진행하였다. THOR 50M 인체모형은 충돌의 착좌 데이터를 기반으로 H-point가 충돌 착석좌표의 12.5 mm 이내에 들어오도록 Fig. 6과 같이 착좌하였다. 또한 인체모형 주요부위의 각도는 ±2.5° 이내를 목표로 설치하였으며 젖힘자세 착좌는 Pelvic 각도가 45°~50° 이내에 들어오도록 하는 조건을 적용하였다.
3.2. 정합성 분석 결과
충돌시험과의 정합성 분석을 위하여 초고속카메라를 통한 에어백 전개 시점과 인체모형의 접촉시점을 분석하였다. 더하여 THOR에서 계측한 HIC(Head Injury Criterion, 머리상해기준값), ACC_3ms, BrIC, DAMAGE, Chest_Def(가슴변위량) 등을 비교 분석하여 Sled 시험과 충돌 시험의 정합성을 판단하였다.
3.2.1. 회전 0°, RH 100%, RH 75%+ LH 25% 펄스 시험
Fig. 4의 (a) 펄스를 적용하여 Fig. 7과 같이 설치하여 Sled 시험을 수행하였다. 시험은 초고속카메라를 통해 인체모형의 거동을 분석하였다. Fig. 8의 분석결과 15 ms와 16 ms에 각각 벨트 프리텐셔너가 작동하였으며, 25 ms와 26 ms부터 에어백 전개가 확인이 되었다. 그 차이는 1 ms정도이며 충돌 시험과 유사하게 전개된 것으로 판단된다. 그러나 인체모형이 에어백에 접촉하는 시간은 100 ms와 107 ms 가량으로, 시간차이가 발생하였다. 더하여 에어백 접촉 후 인체모형의 거동을 추가 분석하면 충돌 시험에서는 130 ms에서 요잉에 의해 THOR가 회전하였으나 Sled 시험은 이에 대한 반영이 전혀 없음을 알 수 있다.
본 Sled 시험 인체모형의 움직임은 정면충돌과 유사하며, 180° 50% Offset 충돌과는 전혀 다름을 알 수 있다. 마찬가지로 Fig. 9의 머리 상해치 그래프에서도 Sled 시험의 머리 각속도를 보았을 때 X축은 확연히 다른 양상을 보임을 확인할 수 있어, Offset 충돌과의 정합성은 떨어짐을 확인할 수 있다.
RH 75%+ LH 25%를 사용하여 수행한 시험에서도 Fig. 10과 Fig. 11처럼 실차와 특성이 다르게 나옴을 알 수 있다. 오히려 전체적인 경향성은 Peak 타임이 조금 더 빠르고 크지만 Fig. 9와 유사하다.
3.2.2. 회전 10°, RH 100%, 펄스 시험
3.1.1.의 시험에서의 정합성이 떨어진 원인이 차량의 요잉이 반영이 안된 점을 고려하여 2.1.의 해석 연구에서 사용한 각도인 10°와, 동승석만 탑승하였을 때를 고려한 펄스인 RH 100%을 조합하여 Fig. 12의 시험을 수행하였다.
해당 시험의 영상 분석 결과는 Fig. 13과 같다. 요잉이 반영이 안된 Fig. 10과 달리, 인체모형의 거동이 유사한 것으로 보여진다. 에어백에 접촉하는 시점이 동일하게 약 100 ms이며, 이후 인체모형이 회전하는 정도도 130 ms를 분석하면 이동량이 비슷하다. Fig. 14의 계측된 상해치의 경우, 머리 각속도가 전체적으로 Sled test가 조금 더 높긴 하나, 비슷한 경향을 보인다. Chest_def도 실차처럼 LH/RH의 Upper가 Lower보다 낮게 나온다, Sled 시험의 LH_Upper가 실차 결과보다 높게 나온 이유는 벨트의 구속 위치 차이가 원인으로 분석된다. 그러나 Table 1의 Chest LH/RH 경향은 실차와 유사하며 BrIC과 DAMAGE 값 또한 유사하다. 상해치 분석 결과는 Sled 시험의 인체모형이 실차 충돌에 비해 더 회전한 것으로 보여지지만, 크게 차이나는 수준이 아니기에 유사한 경향을 보인다고 볼 수 있다.
Table 1.
Compare each Passenger’s injury factors
3.3. 결과 비교
2.1.의 해석결과와 3.2.의 정합성 시험 결과에서 알 수 있듯이, 50% Offset 시험 특성상 요잉 현상이 발생한다. 이를 반영하는 것이 충돌 시험의 특성을 반영하는 주요 요인이며 선행 연구에서 수행한 150°보다는 낮은 요잉을 보여 Sled에서 재현이 가능한 수준이다. 결과적으로 시험을 수행하였을 때 가장 정합성이 높다고 판단되는 Table 2의 시험 방법을 통해 신개념 안전장치의 평가를 수행하였다.
4. 신개념 안전장치 평가
본 연구의 목적인 자율차의 충돌안전성 확보를 위한 Sled 평가방법 도출을 위해선 도출한 평가방법이 신개념 안전장치 평가에 적절한지 검토가 필요하다. 때문에 안전장치를 도입하여 시험을 수행하였으며, 해당 신개념 안전장치의 효과 분석을 수행하였다.
4.1. 신개념 안전장치의 종류
Table 2 방법을 통해 시험에서 인체의 상해를 높일 수 있는 요인으로는 젖힘 자세로 볼 수 있다. 또한 발생할 수 있는 Submarine 현상을 예방하기 위하여 3가지의 신규 안전장치와 기존 안전장치를 혼합하여 수행하였다. BIS(Belt In Seat), 전방위 에어백, 시트쿠션에어백 3가지의 신규 안전장치를 장착하였으며 벨트의 경우, 기존 벨트를 사용하였고, PAB를 그대로 장착하였다.
각 안전장치의 전개 타임은 시트쿠션에어백의 경우 시트벨트와 같이 인체의 구속을 위해 타임을 같이 하였다. 또한 전방위 에어백은 PAB와 다르게 인체를 전방위로 충격을 흡수하여야 하기 때문에 5 ms 빠르게 전개하였다.
4.2. 시험 결과
앞서 언급한 바와 같은 조건으로 안전장치를 설정하였으며, 시험 조건에 맞추어 Fig. 15와 같이 구성하였다. 앞서 수행한 시험들에서는 젖힘 자세로 인하여 에어백과 멀어진 거리, 에어백과의 접촉 여부, 젖힘으로 인해 발생한 흉부 압박 등에 의해 상해가 높아졌었다. 더하여 시험에서 기존 벨트가 인체모형을 정상적으로 구속하지 못하였다.
본 시험에선 BIS와 전방위 에어백을 통해 인체모형이 구속되면서 위의 현상을 막아 더미의 움직임이 덜해지고 상해치가 낮아지는 결과를 볼 수 있었다. Fig. 16에서 더미 거동을 보면, 이전 시험과 달리 더미가 강하게 구속 및 충격흡수 되는 것을 확인할 수 있다.
때문에 Fig. 17의 머리 및 가슴 상해 그래프처럼 대체적으로 낮아진 경향을 보였다. 그러나 머리의 경우 구속에 의해 PAB의 보호를 받지 못하였다. 또한 머리가 rebound 되어 머리지지대에 contact이 일어나며 충격에 의해 Head-Injury 값이 튀었다. 하지만 이는 유의미한 수준이 아니었으며 해당 부분을 고려하더라도 상해치는 감소하였다.
Fig. 17
Sled test witjh new concept safety device’s head injury (a) and Chest_def (b) when test with Table 2 condition
이에 반면 Fig. 18처럼 Neck Shear_Fx는 96.9% 높은 상해치가 나왔다. 또한 RH-Upper Tibia가 기존 시험보다 42.6% 높은 경향을 보였다.
이는 Max. 값이 나온 141 ms의 인체모형 거동을 보면 Fig. 19와 같이 나오기 때문이다. 해당 신개념 안전장치들이 인체모형을 구속하여 PAB에 머리가 안착하지 못해 목의 하중이 증가한 것으로 보인다. Tibia의 경우 Fig. 20에서 글로브 박스에 있는 무릎의 페인팅 흔적을 통해 충격을 받았음을 알 수 있다. 시트쿠션 에어백이 전개하고 인체 모형이 앞으로 이동하면서 무릎이 IP 쪽에 부딪혔기 때문이다.
Table 3.
Compare each injury factors
Table 2의 시험 결과가 180도 50% offset 속도 56 km/h 차대차 충돌시험(MPDB)과 경향성이 유사하였다. 해당 시험 특성에 따라 요잉의 반영은 필수적이며, 이를 위해 수행한 해석 결과와 Sled 시험 결과 분석을 통해 시험 조건을 도출할 수 있었다.
해당 조건에서 높은 상해치를 보였던 BrIc, Damage Chest_def 등은 신개념 안전장치를 통해 안전성이 확보됨을 확인하였다. 그러나 앞서 말한 목, 무릎 상해치 등이 발생하는 것 또한 안전성을 위해 고려할 필요가 있다.
자율차를 대상으로 신개념 안전장치를 평가하기 위한 Sled 시험평가방법을 연구하였으나, 본 연구는 제한된 차종과 연구방법(IONIQ5(충돌 시험), ACCORD(해석 연구))만을 기반으로 수행되었다.
5. 결 론
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본 연구는 자율차 대상으로 180도 50% offset 속도 56 km/h 차대차 충돌시험(MPDB)의 결과를 기반한 Sled 시험방법 개발을 목적에 두고 있다. 이를 위한 해석 연구를 통해 도출한 Sled 시험 조건을 바탕으로 시험을 수행하였다.
해당 시험 결과를 바탕으로 시험 조건을 특정하였으며, 신개념 안전장치를 장착하여 시험하였다. 본 연구 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
1) 충돌 상황 반영 Sled 평가방법 도출을 위해선 해당 평가방법의 정합성을 확보해야 한다. 때문에 180도 50% offset 차대차 충돌 시험과 Sled 시험에서의 인체모형 거동 및 상해치가 유사한 경향성을 보여야 한다.
2) 유사한 경향성 확보를 위해 적절한 시험 조건 도출을 위한 해석 연구결과를 기반으로 Sled 시험을 수행하였으나, 요잉의 반영에 한계가 있어 제안한 각도 조건 중 10°를 대입하여 시험을 수행하였다. 본 시험 결과 Sled 시험에의 인체모형 에어백 접촉시간 및 움직임이 충돌 시험에서와 비슷함을 확인하였다.
3) 인체 상해 정도 또한 인체모형 거동 분석 결과와 유사하다고 볼 수 있다. BrIC, DAMAGE와 Chest_Def 등 머리 및 가슴 상해 결과를 분석하였을 때, Max. 값과 그래프가 실차 시험 결과와 유사한 형상을 보였다.
4) 정합성 확인 후 수행한 신개념 안전장치 평가 결과 기존 시험에 비해 전체적인 인체상해 Max. 값이 낮아지는 경향을 보였다. 더하여 시트쿠션에어백에 의한 무릎, 정강이에 가해진 충격과 상해치 특성 등을 보았다.
선행 연구를 포함하여 다양한 연구를 통해 자율차를 대비한 실차 충돌 시험 결과를 기반으로 Sled 시험에서의 재현성을 확인하였으며, 해당 방법으로 신개념 안전장치 평가를 수행해 안전장치 평가방법으로써의 적절성을 확인하였다.
