1. 서 론
EuroNCAP의 능동 안전(active safety)(1) 성능 발표와 자율주행차 개발을 위한 기반 기술 발전 등으로 인하여 AEB(autonomous emergency braking)가 장착된 신규 차량들이 늘어나는 추세다.
현재는 AEB의 제동 성능 자체만을 평가하는 데 개발의 초점이 맞추어 있으나 앞으로는 AEB 작동 시 급격한 제동으로 인한 탑승자의 충돌 안전성 평가도 필요할 것으로 보인다. 이에 자율주행차 충돌 안전성 평가기술 개발의 일환으로 컴퓨터 시뮬레이션 기법을 이용하여 AEB 작동 시 변화되는 탑승자의 거동을 반영할 수 있는 슬레드 시험 방법을 연구하였다.
AEB 작동 시 최대 1 G 수준(2)의 차량의 감가속도가 발생하며 승객은 감속으로 인하여 전방으로 이동하게 된다. 이러한 승객의 이동 상태에서 충돌이 발생할 경우 탑승자가 기존과 같이 AEB가 장착되지 않은 차량에서 보다 전방으로 이동한 상태에서 에어백이 전개된다. 때에 따라서 에어백과 승객간 근접 접촉이 일어나는 경우 머리 혹은 목 상해가 증가할 수 있다.(3)
현재 KNCAP에서 적용하는 Hybrid-III 50th %ile 남성 더미, 5th %ile 여성더미를 정상자세, 릴렉스자세, 롱슬라이드 등으로 착좌한 모델에 대해 제동 시 감가속도 수준별 더미의 거동을 분석하였다.
정면 슬레드 시험 시 긴급 제동이 완료된 후의 위치에 더미를 착좌하고 시험하는 방법을 검토하고 AEB 제동 시 감가속도를 충돌 이벤트 동안 지속적으로 반영한 기존 해석 결과와 비교하여 물리적 타당성을 검토하였다. 또한 AEB 제동 펄스를 시간에 대하여 축약하여 적용하는 새로운 시험 방안에 대한 해석적 연구를 수행하였다.
2. 제동 감가속도별 더미 이동량 검토
실제 차량에서 AEB 작동 시 발생하는 감가속도 파형을 해석에 적용하기 위해 독일 B社에서 수행한 자료를 참고하여 기본적인 AEB 감가속도 프로파일을 구성하였다.(4)
Fig. 1a의 해석용 AEB 감가속도 프로파일은 1.5초 이내에서 Fig. 1b와 같이 50 kph의 감속이 발생하는 프로파일이다. 일반 승용 차량의 AEB 작동 시 최대 감가속도는 1 G 이하 수준이다. 더미의 거동의 기초 연구를 위하여 0.2 G부터 최대 1.0 G 까지 0.2 G로 세분(Fig. 2 참조)하여 감가속도 수준이 바뀔 때 더미의 자세별, 시간에 대한 머리 이동량을 검토하였다. 이때 ELR(emergency locking retractor) 벨트의 잠김 조건은 0.6 G 시점으로 설정하였다.
승객해석 모델을 기존연구와 동일하게 시나리오 별(5~7) 착석 자세를 활용한 MADYMO(8) 모델에 해당 감가속도를 적용한 승객해석을 수행하여 머리의 전방 이동량을 검토하였다.
Fig. 3, 4는 본연구에서 적용된 모델의 남성, 여성 더미들의 자세이다. Table 1,2에서는 자세별 더미의 골반, 머리위치와 안전벨트의 원점에 대한 좌표를 표시하였다. 도어 스트라이커 좌표는 NHTSA의 Honda Accord 모델을 참고하였다.(9)
Table 1.
Coordinate of hybrid 50th %ile dummy
Table 2.
Coordinate of hybrid 5th %ile dummy
50th %ile 남성 더미의 경우 Fig. 5a와 같이 1 G 감가속도에서 정상자세 더미의 머리가 1500 msec 기준 107 mm 정도 이동하였고, 편의 자세, 롱슬라이드 자세 상태에서는 Fig. 5b, Fig. 5c와 같이 각, 각 202 mm, 306 mm 수준으로 머리가 이동했다.
본 연구에서는 B필러 장착형 3점식 벨트 모델을 적용하여 편의 자세의 경우 벨트의 초기 구속력이 감소하여 머리 이동량이 증가했다. 감가속도 크기가 증가함에 따라 머리의 이동량은 증가하나, 정상자세는 400 msec, 롱슬라이드 자세는 600 msec 이후에는 머리 이동량이 특정량의 변위로 수렴하는 것을 알 수 있다. 더미의 척추부 강성, 안전벨트의 구속력과 감가속도로 인한 관성의 동적평형이 이루어지며, 이동량이 수렴하는 것으로 판단된다.
5th %ile 여성더미 또한 남성과 유사하게 Fig. 6a와 같이 1 G 감가속도에서 정상자세 더미의 머리가 1500 msec 기준 125 mm 정도 이동하였고, 편의 자세, 롱슬라이드 자세 상태에서는 Fig. 6b, Fig. 6c와 같이 각, 각 138 mm, 241 mm 수준의 머리 이동량이 관찰되었다. 여성 더미의 경우 정상 자세에서 이동량 수렴시간이 600 msec, 롱슬라이드 자세에서 800 msec 수준으로 남성더미 보다 더 늦게 수렴하는 양상을 보였다.
3. 초기 자세 치환 슬레드 시험법 연구
자동 긴급 제동 감가속도에 따른 더미 거동을 반영하기 위한 1차적 방법으로 긴급 제동 이후 더미 상태로 더미를 위치시키고 NCAP 정면 충돌 파형을 이용해 슬레드 해석을 하는 초기 자세 치환 슬레드 해석을 진행하였다. 기존의 방법과 같이 AEB 감가속도 파형으로 AEB 제동 과정과 충돌 이후 발생하는 NCAP 정면 충돌 파형을 순차적으로 진행한 승객거동해석 결과와 비교하여 초기 자세 치환 슬레드 시험법의 적용 가능성을 평가하였다.
자동 긴급제동이후 가정한 NCAP 정면 충돌 파형은 Fig. 7과 같다.
먼저 AEB 작동 시 감가속도를 포함한 해석을 수행하고 감속이 발생하여 충돌 직전 상태에서 더미의 자세를 추출하여 Fig. 8과 같이 해석 모델의 초기 자세를 치환하였다. 마디모 해석 결과의 관절 위치를 특정 시간대에서 추출하여 치환해 주는 기능을 이용하여 착좌 자세를 변경하였고, 추출된 시간대의 FE 시트 모델의 node를 추출하여 시트 쿠션의 변형된 상태를 반영하였다.
각 자세별로 Hybrid III 5th %ile 여성 더미 모델의 거동을 기존 해석 방법과 초기 자세 치환 슬레드 시험법을 서로 비교하였다. 긴급 제동 작동 후 본격적 충돌은 1480 msec에서 시작되며, 기존 해석 방법과 일대일 비교를 위해 초기 자세 치환 해석 결과의 경우 1480 msec까지 치환된 초기 자세 상태로 유지하게 했다. Fig. 9와 10은 정상 자세에서 두 해석 방법을 비교한 것이고, Fig. 11과 12는 릴렉스 자세, Fig. 13과 14는 롱슬라이드 자세에서 두 해석 방법을 비교한 것이다. 육안으로 확인할 수 있는 바와 같이 기존 해석 방법과 초기 자세 치환 슬레드 시험법에서 나온 더미의 기구학적 거동은 큰 차이를 보이지 않는다.
각 자세별로 기존 해석과 초기 자세 치환 슬레드 시험법을 사용한 해석 결과를 머리 상해치(머리 가속도 기준) 측면에서 비교한 결과는 Fig. 15~17과 같다. 머리 이동량을 비교한 결과는 Fig. 18~Fig. 20과 같다. 기존 해석과 초기 자세 치환 모델이 정상 자세에서는 유사한 경향을 보였으나, 편의 자세에서는 머리 가속도의 차이가 발생하였다. Table 3과 같이 머리상해의 차이를 비교한 결과 편의 자세에서 최대 64%의 오차가 발생하였다. 다만 세 가지 자세에서 머리의 이동량은 기존 해석법에 의한 예측치와 초기 자세 치환 슬레드 시험법에 의한 예측치가 서로 비슷했다.
Table 3.
Comparison of female head injury values based on HIC15
| 5% Female | posture | AEB method | Initial pos method | Rel. Error |
| HIC15 | Normal | 327.5 | 346.4 | 5.7% |
| Relax | 146.0 | 239.5 | 64.0% | |
| Long slide | 252.4 | 385.8 | 52.8% |
Table 3에서 HIC15 값이 초기 자세 치환 슬레드 법에서 더 높게 발생한다. 이는 AEB 전체 프로세스 해석법을 적용하여 더미가 이동하는 경우 벨트와의 더미 사이에 초기 장력이 발생하여 벨트가 팽팽해진 상태로 다음 차량 충돌에 진입하게 되나, 초기 자세 치환법의 경우 더미의 초기 위치만 변경하여 벨트의 초기 장력을 구현하지 못하여 초기 구속력이 낮아지게 되며 상해가 증가되는 원인이 된다. 이런 초기 구속력의 차이를 보완하는 방법으로 다음의 시간 축약 펄스 슬레드 시험법을 연구하였다.
4. 시간 축약 펄스 슬레드 시험법 연구
2장의 더미와 감가속도 수준별 시간에 대한 거동 분석 결과 일정 시간 이후 더미의 이동량이 유지되는 결과에 착안하여 슬레드에서 동적으로 AEB 제동 구간을 반영할 수 있는 방법으로 AEB 펄스를 시간축에 대하여 스케일링 하는 방법을 연구하였다.
AEB 작동구간은 1 G 수준, 1,480 msec의 긴 작동구간으로 슬레드 장치에서 구현이 불가하나, 이를 짧은 시간으로 작동은 고려해 볼 수 있다. Fig. 18과 같이 1,480 msec의 작동 구간을 2장의 더미 이동량 수렴시간에 기초하여 정상자세에서는 350 msec로 줄이고, 편의자세에서는 420 msec로 시간 축약하는 파형을 적용하였다.
Fig. 21과 같이 Full 펄스, 350 msec 축약 펄스를 적용한 해석 결과 정상 자세의 최대 머리 이동량은 159 mm, 160 mm로 나타났다. 편의 자세의 경우 Fig. 24와 같이 553.2 mm, 552.9 mm로 나타났다. 두 자세에서 모두 시간 축약 펄스를 사용해도 AEB 감가속도에 의한 더미의 초기 이동 효과를 동일하게 볼 수 있는 것으로 나타났다. 롱슬라이드 자세의 경우 Table 4에서 보듯이 시간 축약 펄스를 적용하면 초기 더미 자세 치환법 경우보다 머리 상해치 HIC15의 오차가 52.8%에서 13.5%로 줄어드는 것을 알 수 있다.
5. 결 론
자동긴급제동시 더미의 자세 변화를 정면 슬레드 시험에 반영하기 위한 방안을 승객해석기법으로 연구하고 적용 가능성과 한계점 등을 대하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) AEB가 작동하는 감가속도의 증가에 따라 머리의 이동량은 일정 수준 증가하지만, 1 G 이하의 감가속도 영역에서는 안전벨트의 작동과 더미의 자체 강성으로 인하여 상대 이동량은 일정 시간 이후 증가하지 않는다.
(2) 더미의 초기 자세를 AEB 작동 이후 충돌 직전의 자세로 바꾸고 충돌 상황을 재현한 승객해석 결과, 정상 자세에서는 HIC15 기준 10% 수준의 상대 오차를 보이며, 편의 자세의 경우, 최대 64%의 오차가 발생하였다. 정상자세의 시험의 경우 초기 자세 치환법의 적용이 가능하나, 편의 자세의 경우 상해가 높게 예측될 가능성이 있다.
(3) 전체 AEB 감가속도 파형을 절반 정도 시간으로 축약한 AEB 감가속도 파형을 적용한 해석을 통하여, 그 적용 가능성을 확인하였다. 시간 축약 펄스를 적용한 결과 편의 자세에서 HIC15 상대 오차가 52.8%에서 13.5%로 줄었다.
(4) AEB 전체 프로세스 해석법을 적용시에 발생하는 더미와 벨트 사이의 초기 장력을 초기 자세 치환법으로는 구현하지 못하나 시간 축약 펄스 슬레드 시험법 적용시 보정이 가능함을 확인하였다.
