1. 서 론

국내 자동차안전도평가 또는 자동차안전기준에서 정하는 정상 착좌 자세에 의한 시험방법으로는 자율주행자동차 충돌안전성을 평가하는 것은 한계가 있다. 이는 자율주행차 탑승객의 착좌자세는 기존 법규 시험의 “좌석등받이 각도 23~25도, 좌석 트랙 조절 중간위치” 뿐만 아니라 다양한 자세가 가능하기 때문이다^(1,2).

예상되는 자율주행차 탑승객의 착좌 형태 및 자세를 고려하면서, 다양한 충돌상황을 반영한 실차 충돌안전성 시험은 시간, 평가장비 한계, 시험 비용 등 현실적 제한사항이 많은 것이 사실이다. 따라서 자율차 충돌상황을 실차 충돌시험, Sled 시험, 그리고 컴퓨터 해석 등 활용할 수 있는 다양한 방법을 고려하여 평가기술을 개발하는 것이 세계적인 추세이다.

본 연구는 자율주행차 탑승객 착좌 특성을 고려한 충돌안전성 평가방법 연구개발 중, Sled를 활용한 평가기술을 개발하기 위해 다양하게 시도한 시험조건(시나리오) 및 결과 중 일부에 대한 것이다. Fig. 1과 같은 방법 및 절차에 따라 연구를 추진하였고, 최종적으로 자동차안전도평가라는 제도 안에서 실차 및 Sled 기반 자율주행자동차의 차대차 충돌안전성 평가방법을 개발하고자 한다.

Fig. 1

Study methods and procedures

본 연구의 선행연구⁽³⁾에서, Sled 기반 150도 경사 차대차 충돌시험방법을 개발하고자 여러 시도를 하였으나, Sled로는 150도 경사충돌을 재현하기에 한계가 있음을 확인하였고, 그렇다면 Sled 기반 180도, 50% offset, 속도 56 km/h 차대차 충돌시험(Mobile Progressive Deformable Barrier) 재현은 가능한지, 가능하다면 Sled 시험 펄스, Sled 충돌 각도 등은 어떻게 설정해야 하는지를 개발하기 위한 해석 연구이다.

본 해석 연구는 180도, 50% offset, 속도 56 km/h 차대차 충돌시험(MPDB)의 재현성이 높은 Sled 시험 펄스 및 충돌 각도 조건 제시를 목표로 하며, 후속 연구에서 본 연구를 통해 제시된 조건에 따라 Sled 시험을 수행, 최종적으로 재현성/반복성이 확인된 Sled 기반 자율차 충돌안전성 평가방법을 도출할 계획을 가지고 있다.

2. 해석모델 구성 및 해석

2.1. 개요

56 km/h 차대차 충돌시험(MPDB)을 Sled에서 구현하는 방안 도출을 위해, 선행연구⁽³⁾에서 개발된 Honada Accord LS-Dyna FE 충돌해석 모델과 승객거동 해석모델을 이용하여 해석을 진행하였다.

Honda Accord MPDB FE 해석을 통해 도출된 3차원 거동을 부여한 승객거동 해석모델을 실차 시험 결과로 가정하고 Sled 시험과 같이 한 방향의 펄스를 적용한 승객거동 해석모델을 이용하여 더미 거동을 비교 분석하였다.

차체 FE 해석에서 추출된 자동차 좌측, 우측 B-pillar 하단 부위 X방향 가속도와 이들 성분의 조합으로 구성한 Sled 펄스와 Sled 지그의 회전량(각도)를 조합한 조건에 따라 해석을 수행했고, 그 결과를 실차 해석(Honda Accord MPDB FE 해석을 통해 3차원 거동을 부여한 승객거동 해석) 결과와 비교 분석하여 적정한 Sled 펄스 및 지그 회전각도 조합을 제안하는 방향으로 연구를 진행하였다.

2.2. 해석모델 구성

먼저 실차 시험 결과라 가정한 Hdonda Accord MPDB FE 해석의 Honda Accord 모델은 미국 도로교통안전국(NHTSA)에서 제공하는 2014년형 모델을 본 연구에 적합하도록 구성하였다.⁽⁴⁾ 해석에 적용한 Barrier 모델은 LSTC에서 제공하는 MPDB Barrier V3.0이며, 이 둘을 조합하여 충돌해석모델을 Fig. 2와 같이 구성하였다.

Fig. 2

56 km/h 50% offset MPDB FE model

실차 충돌조건을 고려한 승객거동 해석모델 구성을 위하여 차체 BIW(Body-In-White)의 거동을 MADYMO PSM(Prescribed Structural Motion) 경계조건으로 반영하고⁽⁵⁾ Sled 시험 컨셉의 기존 모델을 PSM BIW에 연결하여 Fig. 3과 같이 3차원 거동을 반영하였다. 그리고 이 해석 결과를 실차 조건으로 가정하고, 비교하였다. 계기판넬 등 차량 내 객실부의 변형은 고려하지 않고 3차원 차체 모션만 적용하였으며, 승객거동 해석모델을 고정하고 가속도 펄스를 부여하는 방식으로 Sled 시험조건을 구현하였다.

Fig. 3

Sled simulation models

2.3. MPDB 충돌조건 승객거동 기본 해석

해석에 사용된 MADYMO는 R8.0이며, 더미 모델은 Facet THOR 50% Male 모델(V3.1) 이다. 더미 자세는 정상 착좌(Normal NCAP 자세) 기준으로 Fig. 4와 같이 좌석등받이 각도를 20도 더 뒤로 눕힌 자세로 하였다. 차량 내 구속장치는 운전자석 및 탑승자석 에어백, 커튼 에어백 그리고 3점식 안전띠(프리텐셔너, 로드리미터 모두 포함)를 적용하였다.

Fig. 4

Base MPDB motion analysis in 20 degrees more reclined

이러한 기본적인 조건 하에서 3차원 차체 모션을 반영한 56 km/h MPDB 충돌 및 더미 거동해석을 수행하였다.

2.4. 해석 수행을 위한 Sled 시험조건 조합

서두에 언급한 바와 같이 본 해석 연구는 180도, 50% offset, 속도 56 km/h 차대차 충돌시험(MPDB)의 재현성이 높은 Sled 시험 펄스 및 충돌 각도 조건을 제시하는 것을 목표로 한다. 따라서 이 두 변수의 조합을 달리하여 얻어진 해석 결과와 앞서 수행한 기본 해석 결과(PSM Model)를 비교 분석하여 재현성이 가장 높은 Sled 펄스 및 지그 회전 각도 조합을 제안하였다.

해석은 일차적으로 회전 각도 없이 정면충돌 조건 하에서 Fig. 5와 같이 4가지 자동차 좌측, 우측 B-pillar 하단 부위 X방향 가속도 펄스 조합으로 수행하였고, 이차적으로 Sled 지그 회전 각도를 4도, 10도, 15도로 변경하면서 B-pillar X방향 가속도 펄스도 함께 변경, Table 1과 같이 총 13가지 조합에 의한 충돌해석을 수행하였다.

Fig. 5

Four different sled pulse data

각각의 충돌해석을 통해 Table 2와 같이 측정한 더미 상해 데이터의 최고값, 그래프 값 등을 근거로 각각의 펄스 및 회전 각도 조합의 Sled 시험 재현성 정도를 판단하였다.

2.5. 해석 및 결과

Table 1의 해석 시나리오에 따른 더미 상해의 최고값 및 plotting한 것이며, 이를 근거로 기본 해석 결과(PSM Model) 기준 운전자석, 전방탑승자석 각각의 더미 데이터 정합성에 관해 분석한 결과이다.

2.5.1. 시험조건 별 운전자석 데이터 정합성

50% offset이라는 충돌 특성상 운전자석은 전방탑승자석에 비해 상대적으로 PSM Model 결과와의 유사성이 높은 것으로 나타났다. 특히 Sled 지그를 10도 회전시키고 펄스 조합 LH Acc. 75% + RH Acc. 25%인 경우, 충돌 시 더미 거동, 상해 데이터 모두 정합성 높은 결과를 보였다.

더미 거동 측면에서 충돌 시 더미가 Y방향 좌측으로 쏠리는 현상이 유사하게 나타났으며, 머리, 흉부, 골반부 Resultant 상해값의 그래프가 비슷한 형태를 보였다.

Table 3은 더미 상해 중 특히 HIC15에 대한 PSM Model 결과와 회전 각도 및 펄스 조합에 의한 해석 조건별 얻어진 결과값을 비교, 정리한 것이다. HIC15만을 고려한다면, Sled 지그 회전각도 0도에서 펄스 LH Acc. 100% 혹은 LH Acc. 75% + RH Acc. 25%의 경우 정합성이 높은 것으로 나타났다. 아래 Fig. 6~Fig. 13은 Table 3의 조건 조합에 따른 시뮬레이션 결과값들이다.

① Sled 충돌 각도 0도 시 시험 펄스별 해석

Fig. 6

Driver seat simulation results for each sled pulse combination, sled impact angel=0°

Fig. 7

Driver seat injury data for each sled pulse combination, sled impact angle=0°

② 회전 각도별 펄스 LH50%+RH50% 해석

Fig. 8

Driver seat simulation results for each sled impact angle, sled pulse LH50%+RH50%

Fig. 9

Driver seat injury data for each sled impact angle, sled pulse LH50%+RH50%

③ 회전 각도별 펄스 LH75%+RH25% 해석

Fig. 10

Driver seat simulation results for each sled impact angle, sled pulse LH75%+RH25%

Fig. 11

Driver seat injury data for each sled impact angle, sled pulse LH75%+RH25%

④ 회전 각도별 펄스 LH100% 해석

Fig. 12

Driver seat simulation results for each sled impact angle, sled pulse LH100%

Fig. 13

Driver seat injury data for each sled impact angle, sled pulse LH100%

2.5.2. 시험조건 별 전방탑승자석 데이터 정합성

운전자석 기준 50% offset 충돌이므로, 충돌에 의한 탑승객의 Y방향 쏠림 현상으로 전방탑승자석 안전띠는 탑승객을 충분히 구속하지 못하였다. 이로 인해 탑승객 더미가 안전띠 밖으로 이탈하는 거동을 보였으며, Sled에 의한 재현성이 운전자석과 비교하여 상대적으로 낮게 나타났다.

머리, 흉부, 골반부 Resultant 상해값의 그래프를 보면 Sled 지그 회전각도 10도에서 펄스 LH Acc. 75% + RH Acc. 25% 경우와 각도 15도 펄스 LH Acc. 100%의 조합이 PSM Model 값과 비슷한 형태를 보였다. 전방탑승자석의 2.5.1.의 운전자석 재현성 분석 때와 동일한 방법으로 비교한 결과 Table 4 및 Fig. 14~Fig. 21과 같은 결과를 보였다.

① Sled 충돌 각도 0도 시 시험 펄스별 해석

Fig. 14

Passenger seat simulation results for each sled pulse combination, sled impact angle=0°

Fig. 15

Passenger seat injury data for each sled pulse combination, sled impact angle=0°

② 회전 각도별 펄스 LH50%+RH50% 해석

Fig. 16

Passenger seat simulation results for each sled impact angle, sled pulse LH50%+RH50%

Fig. 17

Passenger seat injury data for each sled impact angle, sled pulse LH50%+RH50%

③ 회전 각도별 펄스 LH75%+RH25% 해석

Fig. 18

Passenger seat simulation results for each sled impact angle, sled pulse LH75%+RH25%

Fig. 19

Passenger seat injury data for each sled impact angle, sled pulse LH75%+RH25%

④ 회전 각도별 펄스 LH100% 해석

Fig. 20

Passenger seat simulation results for each sled impact angle, sled pulse LH100%

Fig. 21

Passenger seat injury data for each sled impact angle, sled pulse LH100%

2.6. 해석결과 분석

180도, 50% offset, 속도 56 km/h 차대차 충돌시험(MPDB)시 50% offset에 의해 차량 요잉(yawing)이 발생하여 자동차 좌측(LH) 및 우측(RH) B-pillar 감가속도값 편차가 발생하였다. 이러한 차체 충돌 감가속도의 편차와 차량 요잉 현상은 한 방향, 한 가지 가속도 값으로 운전자석 및 탑승자석의 정합성을 모두 만족시키는 Sled 시험 조건을 도출하기 어려운 원인이 되었다.

또한 해석을 통한 더미 거동에서 볼 수 있었던 더미의 안전띠 이탈 현상으로 더미의 Y방향 거동이 크게 발생하였고, 이는 Sled 해석 시 정합성을 낮추는 중요한 요인으로 작용하였다. 특히 운전자석보다 전방탑승자석의 안전띠 이탈량이 심하여 정합성이 상대적으로 낮게 나타났다.

3. 재현성이 높은 Sled 시험 조건 제안

이러한 충돌 특성, 이에 따른 탑승객 거동 및 상해 특성 등을 모두 고려한 Sled 기반 시험 평가 시 MPDB 차대차 실차 충돌 상황을 가장 잘 재현할 것으로 예상되는 Sled 시험 펄스 및 지그 회전 각도의 조합을 다음과 같이 제안한다.

 ∙ Sled 지그 회전 각도 0도 시 Sled 시험 펄스의 조합은 다음의 경우 재현성이 높다.

  ① Sled 펄스 LH75%+RH25% 적용

  ② Sled 펄스 RH100% 적용

 ∙ Sled 지그 회전 각도와 Sled 시험 펄스를 동시에 변수로 적용하여 조합할 경우 다음 두 가지가 재현성이 높다.

  ① Sled 회전 각도 10도, Sled 펄스 LH75%+RH25% 적용

  ② Sled 회전 각도 15도, Sled 펄스 LH100% 적용

4. 결 론

본 연구는 자율주행차 탑승객 착좌 특성을 반영한 Sled 기반 평가기술을 개발하기 위한 것으로, 본 연구의 선행연구⁽¹⁾에서, Sled 기반 150도 경사 차대차 충돌시험방법을 개발하고자 여러 시도를 하였으나, Sled로는 150도 경사충돌을 재현하기에 한계가 있음을 확인하였다.

자율차 충돌 시나리오 중 또 다른 하나에 해당하는 180도 50% offset 속도 56 km/h 차대차 충돌시험(MPDB)을 Sled 기반의 평가기술로 개발하기 위해 재현성이 높은 Sled 시험 펄스 및 충돌 각도 조합을 시험 조건으로 제시할 필요가 있고, 이를 위해 다양한 조건의 적용이 가능한 해석 연구를 우선 수행하였다.

1) Sled 시험 펄스 및 충돌 각도, 이 두 변수의 조합을 달리하여 해석을 수행하고, 기본 해석 결과(PSM Model)를 비교 분석하여 재현성이 가장 높은 Sled 펄스 및 충돌 각도 조합을 제안하였다.

2) 해석은 Sled 시험 펄스 조합(LH100%, LH50%+RH50%, LH75%+RH25%, RH100%) 및 충돌 각도(0도, 4도, 10도, 15도)에 따라 총 13가지의 경우의 수로 해석을 수행하였다.

3) 13가지 각각의 경우에 대한 해석 결과는 기본 해석 결과를 기준으로 더미의 거동, 머리, 흉부, 골반부의 인체 상해값, 그리고 가속도-시간 그래프의 형상 등을 비교, 분석하여 재현성이 높을 것으로 예상되는 몇 가지 조합을 제안하였다.

4) Sled 기반 시험 평가 시 MPDB 차대차 실차 충돌 상황을 가장 잘 재현할 것으로 예상되는 Sled 시험 펄스 및 지그 회전 각도의 조합은 다음과 같다.

 ∙ Sled 지그 회전 각도 0도 시 Sled 시험 펄스의 조합은 다음의 경우 재현성이 높다.

  ① LH75%+RH25% 펄스 적용

  ② RH100% 펄스 적용

 ∙ Sled 지그 회전 각도와 Sled 시험 펄스를 동시에 변수로 적용하여 조합할 경우 다음 두 가지가 재현성이 높다.

  ① Sled 회전 각도 10도, Sled 펄스 LH75%+RH25% 적용

  ② Sled 회전 각도 15도, Sled 펄스 LH100% 적용

본 연구의 후속으로 본 연구에서 제안한 Sled 시험 펄스 및 충돌 각도 조건의 조합을 실제 Sled 시험에 적용하여 50% offset 속도 56 km/h 차대차 실차 충돌시험과의 재현성을 확인하고 가장 높은 재현성의 Sled 시험 펄스 및 충돌 각도 조합을 Sled 기반 180도 차대차 충돌시험 조건으로 제시하고자 한다.