1. 서 론
2. FE 충돌해석 모델 구성
3. 정면 충돌
4. 30도 정면 경사 충돌
5. 45도 정면 경사 충돌
6. 60도 정면 경사 충돌
7. 승객 해석 모델 구성
8. 승객 거동 분석
9. 결 론
1. 서 론
최근 전기자동차로의 이전과 자율주행차의 도입과 관련하여 신기술에 대한 많은 기대와 함께 안전성에 대한 문제의식 또한 올라가고 있다. 자율주행차의 경우 소비자의 입장에서 높은 기술 수준으로 생산되는 차량으로써 안전성 역시 더 높은 수준을 기대하고 있다. 자율주행차의 충돌 안전성을 평가하는 부분에서도, 현행 실시되고 있는 평가 외에 추가적인 평가 방법과 상해에 대한 기준의 필요성이 대두되는 한 이유이다.
기존의 국내 자동차안전 법규 102조(1)의 평가 방법은 고정벽 충돌의 정면충돌을 위주로 자동차안전학회지: 제14권, 제4호, pp. 100∼105, 2022 논문접수일: 2022.10.7, 논문수정일(1차: 2022.12.1, 2차: 2022.12.8), 게재확정일: 2022.12.9 수행하고 있다. 물론 고속의 충돌사고를 기반으로 하여 전체 사고에 대한 포괄적인 심각도를 재현하고 있다. 그러나 실제 도로에서 정면, 경사 충돌 등 다양한 형태의 사고가 발생하고 있어 이들 사고 유형을 고정벽 시험으로 평가하는 부분에는 한계가 있으며, 이를 보완하기 위하여 다양한 충돌 모드와 시험 방법의 도입이 필요하다.
차대차 충돌에 있어 두 차량 간 충돌 속도의 대칭성이 있다면 검토해야 할 경사충돌 조합의 경우를 절반 수준으로 줄일 수 있으므로 매우 효율적인 연구가 가능해진다. Fig. 1과 같은 정면 충돌과 정면 경사 충돌의 경우 ego(자차)가 40km/h로, traffic(상대차)이 80km/h로 충돌하는 경우와 반대로 ego가 80km/h로 traffic이 40km/h로 충돌하는 경우 상해 측면에 있어 유사한 거동을 보인다면 40km/h(ego)/80km/h(traffic)와 80km/h(ego)/40km/h(traffic)의 두 경우를 모두 검토하는 것이 아닌 어느 한 경우만 검토하면 되므로 대칭성으로 인해 추후 업무를 더욱 경제적으로 수행할 수 있게 된다.
본 연구에서는 충돌 시 차량 거동을 평가하기 위해 ACU(Airbag Control Unit - 차량의 CG점에 근접) 가속도 X 방향 성분(차량 진행 방향), 좌우 B pillar 하단 가속도 및 ACU의 X 성분을 적분하여 구해낸 속도 변화를 비교 검토하였다. ACU X 방향 가속도 성분은 차량의 감속 특성으로 승객 거동에 지대한 영향을 주는 인자이다. ACU X 방향 가속도 성분을 적분해 구한 속도에 차량 중량을 곱하면 충돌 중 차량에 가해진 충격량으로 충돌 상황을 정량적으로 표현할 수 있다. 자동차 OEM과 수차례 연구 용역을 수행한 결과 정면충돌의 경우 ACU X 적분으로 구해낸 속도 변화는 승객 상해치와 선형적 관계가 있음을 밝혀냈고 차량 충돌 시 심각도를 평가하기에 충분한 물리량으로 판단된다. 차량의 진행 방향뿐 아니라 차량의 회전(yawing)도 승객 거동에 큰 영향을 주나 본 연구는 고정벽을 활용할 수 있는 정면 및 경사충돌에 한정된 연구이므로 ACU에서 구해낸 진행 방향 속도의 변화는 본 연구에서 충분한 의미를 지닌다고 본다. B pillar 하단 가속도는 차량의 회전 거동을 파악할 수 있기에 보조적으로 사용하였다. 고정벽과 차대차 정면 및 정면 경사충돌의 ACU X 속도 변화를 서로 비교하여 고정벽 충돌과 차대차 충돌 거동의 유사성을 평가하였다.
차량 거동 관점에 대한 비교에 추가하여 탑승자 상해 관점에서의 대칭성 판단을 위하여 Madymo 승객 거동 해석 모델을 이용하여 각 차량 충돌 조건에 대한 더미 상해치를 비교하였다. 상해치 관점에서 가장 중요한 척도인 HIC 수치를 사용하였다.
2. FE 충돌해석 모델 구성
본 연구를 위하여 필수적인 유한요소법 기반 차량 모델은 미국 NHTSA에서 2019년 공개한 Honda Accord 모델을 기반으로 모델의 안정성을 위한 수정 작업을 거친 모델을 활용하였다.(2)
특히 차대차 충돌해석 수행 시 초기 접촉 상태에서 발생하는 Radiator Solid Mesh 부위의 Negative Volume으로 인한 불안전성을 개선하기 위하여 Solid Mesh Radiator를 Shell Mesh Radiator로 수정하여 반영하였다. Radiator 모델은 단품 해석을 통한 F-D 거동을 비교하여 물성과 두께를 설정하였다.
본 연구에서는 LS-Dyna 7.1 Version을 적용하였고, 1차량 기준 요소수 2.478.169개로 해석 수행시 장비는 16CPU로 120msec해석에 14시간이 걸렸다.
3. 정면 충돌
Ego(자차)에서 바라본 traffic(상대차)의 속도 vector는 56km/h(ego)/56km/h(traffic)과 0km/h(ego)/112km/h(traffic)이 서로 동일하다.
따라서 차량 충돌 시 변형 거동 및 동역학적 거동도 동일하게 발생한다. ACU X의 크기도 두 경우에서 거의 동일할 뿐 아니라 ego의 진행 방향 속도 변화도 차이가 없음을 확인할 수 있다. 차량의 전반적인 변형 및 차량 전방부의 변형도 두 속도 조건에서 차이가 없음을 확인할 수 있다. 정면충돌의 경우 ego에서 바라본 traffic의 상대 속도 vector가 같다면 모두 동일한 충돌 거동을 보인다.
4. 30도 정면 경사 충돌
Ego에서 바라본 traffic의 속도 vector는 두 차량의 속도가 변하면 정면충돌과 달리 경사 충돌에서는 상대 속도 vector가 달라진다.
그러나 그 차이는 크지 않기 때문에 ACU X 최대 가속도의 차이도 40km/h(ego)/80km/h(traffic)와 80km/h(ego)/40km/h(traffic)를 비했을 때 12% 수준의 차이만 보이고(39.5 vs. 44.9) ego 진행 방향 속도 변화는 4% 정도의 매우 적은 차이를 보인다(15.9 vs. 16.5).
차량 전체와 전방 구조의 변형 양상은 적지 않은 차이를 보이나 차량의 동역학적 거동은 서로 유사한 양상을 보이며 ego의 진행 방향 속도 변화도 적기 때문에 승객 상해 측면에서도 유사한 양상을 보일 것으로 예상된다.
5. 45도 정면 경사 충돌
Ego에서 바라본 traffic의 속도 vector는 30도 경사 충돌 대비 더 큰 차이를 보인다. 30도 경사 충돌에서 ACU X 최대 가속도는 40km/h(ego)/80km/h(traffic)와 80km/h(ego)/40km/h(traffic)의 경우가 12% 수준의 차이만 보였으나 45도 경사 충돌에서는 25%로 두 배 정도의 차이를 보인다(29.6 vs. 39.6). 또한 Fig. 6에서 보인 바와 같이 차량 전방부의 구조 변형도 큰 차이를 보인다. 하지만 ego의 진행 방향 속도 변화는 거의 없어서(14.5 vs. 14.6) 승객 거동 측면에서는 크지 않은 차이를 보일 것으로 예상한다.
6. 60도 정면 경사 충돌
Ego에서 바라본 traffic의 속도 vector는 45도 정면 경사 충돌 대비 더 큰 차이를 보인다. 차량 전방 구조의 변형도 40km/h(ego)/80km/h(traffic)와 80km/h(ego)/40km/h(traffic)이 서로 많은 차이를 보이지만, ACU X의 최대 가속도는 16% 정도의 비교적 적은 차이를 보이고(28.1 vs. 32.7), ego 진행 방향 속도 변화는 2% 정도의 매우 적은 차이만 보인다(12.7 vs. 13). 따라서 승객 상해 측면에서는 서로 대칭적인 거동을 보일 가능성이 크다.
7. 승객 해석 모델 구성
본 연구에 사용한 승객 거동 해석 모델은 MADYMO Release 7.8 버전을 기반으로 구성하였다. 객실부 기본 모델은 LS-DYNA로 구성한 Honda Accord 객실부 모델을 MADYMO로 변환하여 구성하였다. 더미 모델은 MADYMO Facet dummy model Version 4.3.1을 적용하였다.(3) 더미 모델의 기본 구성은 MB(Multi Body)로 되어 있으나 외곽형상을 Rigid FE Mesh로 구성한 모델로 에어백과의 접촉 상황과 외부 형태를 보여주는데 유리한 장점이 있다. 안전벨트 모델은 더미와 접촉하는 영역은 FE Mesh를 적용하고 고정부와 Retractor 입구부 1D 요소에 벨트 신율 특성을 부여하는 방식으로 모델링 하였다. 에어백 모델은 FE Mesh로 구성하였다. 리트렉터 모델은 프리텐션너와 로드리미터의 특성을 병진운동 조인트와 각 조인트에 비선형 스프링 모델을 병합하여 구성한 동적 리트렉터 모델을 마디모 모델로 구성하여 사용하였다.(4)
8. 승객 거동 분석
실차 충돌 해석을 통해 차량의 변형 거동 및 ACU 가속도 등 전반적인 차량의 동역학적 거동을 평가하였다. 추가로 차량 해석에서 구해진 B pillar 하단의 가속도 정보와 동역학 solver인 MADYMO를 이용하여 승객 거동해석을 수행하여 충돌 시 승객 거동과 상해치를 검토하고자 한다. 차대차 해석에서는 40km/h, 60km/h, 80km/h의 속도 조건을 ego와 traffic에 부여하는 9개 조건에 대해 검토하였으나, 승객 거동 해석에서는 가장 큰 차이를 보이는 40km/h(ego)/80km/h(traffic), 80km/h(ego)/40km/h(traffic) 등 2개 조건을 30도, 45도, 60도 정면 경사 충돌 조건에 대해 수행하였다.
Fig. 9에는 120msec 상태에서 dummy의 측면 거동을 Fig. 10에는 위에서 본 거동을 보여주고 있다.
정면충돌의 경우 더미는 앞뒤로의 거동만 있을 뿐 좌우로의 거동은 보이지 않고, 56km/h/56km/h와 0km/h/112km/h의 더미 거동이 유사함을 확인할 수 있다. 그러나 정면 경사 충돌의 경우 차량의 회전(yawing)이 발생하기 때문에 더미의 거동이 40km/h(ego)/80km/h(traffic)의 것과 80km/h(ego)/40km/h(traffic)의 것이 서로 다른데, 30도 정면 경사 충돌의 경우 크게 다르지 않으나 45도, 60도로 경사 각도가 커질수록 더미의 거동은 크게 달라지는 것을 확인할 수 있다.
더미를 이용한 동역학 해석 후 더미의 상해치 중 머리 상해치인 HIC15 값을 조건별로 검토하였다.
운전석과 보조석 더미의 머리 상해치를 비교 했을 때 ego와 traffic의 속도 변화로 인한 상해치는 정면의 경우 10% 수준의 차이를 보여 크지 않은 차이를 보이는 것을 확인하였다. 30도 정면 경사 충돌의 경우 40km/h(ego)/80km/h(traffic)와 80km/h(ego)/40km/h(traffic)의 상해치는 운전석 보조석 모두 8% 미만의 차이만 보여 정면 충돌과 유사하게 속도에 대한 대칭성이 있음을 확인하였다. 그러나 45도 운전석 더미 상해치와 60도 조수석 더미 상해치가 속도 변화에 대해 10% 이상 차이를 보여 대칭성이 떨어지는 것을 확인하였다.
9. 결 론
자동차의 충돌 시 차량에 전해지는 충격량을 가늠할 수 있는 충돌 전후 속도 변화 및 승객 상해치 측면에서 정면 충돌 및 정면 경사 충돌에서 두 차량 간 충돌 속도에 대한 대칭성이 있는 지 확인하였다. 2014년형 Honda Accord 모델을 이용하여 동일 차량 간 정면 및 30도 정면 경사 정면 충돌의 경우 대칭성이 존재한다.
예를 들어, 40km/h로 주행 시 80km/h 차량과 정면/경사 충돌 하는 경우와 80km/h로 주행 시 40km/h 차량과 정면/경사 충돌 하는 경우가 차량 속도 변화 및 더미 상해치 측면에서 서로 유사함을 확인하였다.
다만 해당 연구에서는 세단 차량인 Accord 모델을 기준으로 작성하여 다른 차급에서는 진행되지 않아, 추가적인 연구를 통한 경향성 검토가 필요로 한다.
MADYMO 승객 거동해석 모델의 Hybrid-III 남성더미 머리 상해치 HIC15 수치를 비교한 결과 경사30도 까지는 10% 차이가 발생했으며, 그 이상 각도에서는 최대 40% 차이가 발생하였다.
