1. 서 론
2. MADYMO PSM 기반 측면 승객 거동 해석 모델
3. 측면 더미 자세 별 모델 구성
4. 32 km/h KNCAP 기둥 측면 시험
5. 60 km/h KNCAP AE-MDB 측면 시험
6. 32 km/h USNCAP 기둥 측면 충돌 시험
7. 결 론
1. 서 론
최근 자율주행차의 다양한 주행 조건, 착좌 조건 등을 고려한 충돌 안전 성능에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 자율주행차 수동 안전의 주류는 탑승객이 운전하지 않기에 취할 수 있는 다양한 착좌 자세에 대한 충돌 안전 성능에 관한 연구이다.
본 연구에서는 자율주행차 탑승 시 승객의 자세 선호도를 연구한 결과(1,2)를 바탕으로 선정된 정상 자세, 시트백을 눕힌 편의 자세(relaxed posture), 그리고 편의 자세에서 시트 트랙을 뒤로 이동한 롱슬라이드 편의 자세(Long-slide relaxed posture)에 대해 상해 변화를 연구하였다. KNCAP(Korea New Car Assessment Program) 측면 AE-MDB 충돌 시험, 32 km/h 기둥 측면 충돌 시험, USNCAP 32 km/h 기둥 측면 충돌시험(여성더미 적용)등 3가지 시험 모드에 대해 마디모(Madymo, Mathematical dynamic models) PSM(prescribed structural motion) 기법을(3) 적용하여 자세별 측면 충돌 시의 상해 변화를 관찰하였다.
마디모 PSM 승객 거동 해석 모델은 NHTSA에서 제공하는 2014년형 Honda Accord 차량 모델의(4) 객실부를 기반으로 구성하였고, LS-Dyna를 이용하여 각 모드별 충돌 해석을 수행하였다. 이때 배리어는 LSTC에서 제공하는 AE-MDB v1.1 배리어를 사용하였다. 충돌 시 차량 객실부의 변형 정보를 추출하였다. 이 변형 정보를 기반으로 측면 충돌 시 승객 거동 해석을 수행하여 자세별 상해 변화를 관찰하였다. 편의 자세에서는 기존의 측면 에어백과 커튼 에어백으로 구성되는 측면 충돌 보호 장치의 보호 영역에서 벗어나게 된다. 특히 기둥 측면 충돌시험에서는 상기한 이유로 상해가 높아질 수 있는 것으로 나타났다.(5)
2. MADYMO PSM 기반 측면 승객 거동 해석 모델
측면 충돌 시 승객의 상해는 차량 측면부가 변형되면서 발생하는 침입으로 인해 발생한다. 이를 반영하면서, 해석 시간 및 다양한 더미 조건에 대한 해석을 수행하기 위하여 차체의 BIW(body in white), 도어 트림, 시트, 측면 에어백, 커튼 에어백 등 구속 장치와 더미를 포함하는 부분 해석 모델(sub-structure mode)을 Fig. 1과 같이 구성하였다.
차량 내부 승객 거동은 강성이 높은 BIW 및 사이드 도어의 금속 구조물의 변형에 비교적 적은 영향을 미치기 때문에 충돌 시 BIW와 사이드 도어 금속 구조의 변형 거동은 더미를 제거한 LS-Dyna 프로그램을 이용하여 계산하였다. 차체 변형 거동을 얻기 위한 LS-Dyna 해석 모델은 Fig. 2와 같다. 차체 측면 해석으로 32 km/h 기둥 측면 충돌(6) 모드와 60 km/h AE-MDB(Advanced European Mobile Deformable Barrier) 모드를 수행하였다.(7) 이와 같이 수행된 차체 해석의 변형 결과를 경계 조건(boundary condition)으로 적용하여 마디모 R7.8 버전을 사용하여 PSM 해석을 수행하였다.(8) 즉, Fig. 3에서 회색으로 표현된 BIW와 임팩트 빔 등의 변형은 변위 경계 조건으로 부여하고 더미와 충돌 시 1차적 접촉 및 변형이 발생하는 도어 트림, 시트 등의 내장재는 변형 가능한 유한요소 모델로 구성했다.
3. 측면 더미 자세 별 모델 구성
본 연구에서 검토한 더미 자세는 Fig. 4의 정상 자세와 Fig. 5와 같이 정상 자세를 기준으로 시트백을 30도로 눕힌 편의 자세, 그리고 Fig. 6과 같이 편의 자세에서 시트 트랙을 150 mm 뒤로 위치한 롱슬라이드 자세 등 총 3개의 자세이다. 남성 더미는 마디모 Facet WorldSID(ver.4.1), 여성 더미는 Facet SID-IIs(ver.1.1.2)를 모델을 적용하였다.(9) 더미 자세를 제외한 나머지 측면 보호용 에어백과 벨트 특성 등은 동일하게 적용하였다. 각 측면 충돌 시험 모드별 에어백 작동시간 TTF(time to fire) 조건은 더미 자세와 상관없이 동일한 시간을 적용하였다.
4. 32 km/h KNCAP 기둥 측면 시험
32 km/h KNCAP 기둥 측면 충돌 모션을 적용하고 WorldSID 더미를 착좌한 충돌 해석을 수행하고 더미 거동을 정리하였다. 편의 자세에서 더미가 정상 자세 대비 더 눕게 되므로 머리 중심점이 정상 자세 대비 뒤로 이동하게 되므로 기둥의 타격 위치 또한 머리 중심에 맞추어 조정하였다. 각 자세별 더미의 거동을 Fig. 7~Fig. 9와 같이 정리하였다.
더미의 주요 상해를 비교한 결과 정상 자세에서는 Fig. 7과 같이 머리와 가슴이 에어백 보호 영역에 위치하여 주요 상해가 NCAP Good 수준으로 발생한다. 편의 자세 및 롱슬라이드 자세에서는 Fig. 8과 Fig. 9에서처럼 머리가 커튼 에어백의 전개 영역을 벗어나게 되어 HIC15, head 3 msec clip 등의 상해가 Good 영역을 벗어나는 높은 상해가 관찰되었다. 편의 자세에서 높은 상해는 Table 1과 같이 주로 머리 부분에서 발생하는데 커튼 에어백이 머리를 효과적으로 보호하지 못해 B 필러 트림부와 머리가 직접 접촉하여 Fig. 10에서 보이는 바와 같이 HIC 및 head 3 msec clip 상해가 높게 발생하였다. 기둥 측면 충돌 시험의 특성상 도어의 변형이 기둥 중심 수직선을 따라서 발생하게 되어 에어백의 전개 영역을 벗어나게 되면 상해치 증가가 쉬워진다. Fig. 11과 Fig. 12의 그래프에 보인 바와 같이, 가슴 및 골반 상해는 자세 변화에 따라 크게 달라지지 않았다.
Table 1.
Dummy injuries - KNCAP pole impact simulations
5. 60 km/h KNCAP AE-MDB 측면 시험
국내에서 수행하는 60 km/h KNCAP 측면 AE-MDB 충돌 시 변형 모션을 적용하고 WorldSID 더미를 이용한 승객 거동 해석을 수행하였으며, 각 자세별 더미의 거동을 Fig. 13~Fig. 15와 같이 정리하였다.
더미의 주요 상해를 Table 2와 같이 정리한 결과 MDB 측면 충돌은 머리 상해는 점수상으로 Good 수준을 만족하나, 골반부 하중은 편의 자세에서 Good 수준을 초과하는 상해를 보인다. Fig. 16의 머리 가속도 선도에서 롱슬라이드 편의 자세에서 최대 70 G 수준의 가속도가 발생하여 잠재적인 위험성을 보인다고 할 수 있다. AE-MDB 시험 시 객실부의 변형은 사이드실 부위와 도어 하부에 집중되어 Fig. 17과 같이 가슴부의 변형은 크게 발생하지 않았지만, 골반부의 상해는 Fig. 18과 같이 편의 자세에서 높게 발생되는 것을 확인하였다. Fig. 14, Fig. 15에서 보이는 바와 같이 시트백이 뒤로 젖혀지면서 같이 회전한 측면 에어백이 골반부를 효과적으로 보호하지 못하는 것도 골반 상해 증가의 또 다른 이유로 보인다.
Table 2.
Dummy injuries - KNCAP AE-MDB impact simulations
6. 32 km/h USNCAP 기둥 측면 충돌 시험
북미에서 수행하는 32 km/h USNCAP 기둥 측면 충돌 모션을 적용하고 SID-IIs 더미를 착좌한 충돌해석을 수행하였으며, 각 자세별 더미의 거동을 Fig. 19~Fig. 21과 같이 정리하였다. 더미 자세가 변경되면 머리의 중심점이 이동하여 측면 기둥 타격 위치 또한 그에 맞게 조절하였다.
더미의 주요 상해를 비교한 결과 Table 3과 Fig. 22~Fig. 24에서 보이는 바와 같이 정상 자세는 USNCAP 기준 5 star 수준의 결과를 보였으나 롱슬라이드 자세에서 상해가 전반적으로 높아 2 star 수준에 불과했다. 현재 출시되고 있는 에어백 디자인이 정상자세에 맞추어 최적화 되어 편의 자세로 앉은 더미의 머리 부위까지 충분히 보호할 수 없어 발생된 결과로 보여진다.
7. 결 론
3가지 더미 착좌 자세에 대해 KNCAP 기둥 측면 충돌, AE-MDB 측면 충돌, USNCAP 측면 기둥 충돌모드를 적용하여 자세별 상해 변화를 관찰하였다.
1) AE-MDB 및 기둥 측면 충돌시험 모드에 대한 승객 안전 해석 결과 정상 자세보다 편의 자세에서 머리 상해가 증가하는 경향을 보여준다.
2) 편의 자세에서는 머리의 위치가 도어 최대 침입량 위치와 가까울 뿐 아니라 기존의 커튼 에어백이 보호하는 영역을 벗어나기 때문에 머리 상해가 증가한다.
3) 시트백을 뒤로 젖히면 측면 에어백이 같이 회전하게 되어 골반을 효과적으로 보호하지 못하게 된다.
4) 측면에어백, 커튼에어백 등의 측면 충돌용 보호장치는 현행 안전기준으로 설계가 되어 자율주행차를 고려한 다양한 탑승자 자세에는 보호 성능을 최적으로 제공하지 못하는 것으로 나타나, 측면에어백 보호 성능의 개선과 측면 안전 기준에 대한 새로운 검토가 필요하다.
