[논문]충돌을 고려한 안전띠 일체형 의자의 다분야 통합최적설계

신문균; 강병수; 박경진

doi:10.3795/ksme-a.2005.29.3.395

충돌을 고려한 안전띠 일체형 의자의 다분야 통합최적설계
Application of a Multidisciplinary Design Optimization Algorithm to Design of a Belt Integrated Seat Considering Crashworthiness 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.29 no.3 = no.234, 2005년, pp.395 - 402

신문균 (한양대학교 BK21 연구) , 강병수 (한양대학교 최적설계신기술연구센터) , 박경진 (한양대학교기계경영정보공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently Multidisciplinary Design Optimization Based on Independent Subspaces (MDOIS), an MDO (multidisciplinary design optimization) algorithm, has been proposed. In this research, an MDO problem is defined for design of a belt integrated seat considering crashworthiness, and MDOIS is applied to solve the problem. The crash model consists of an airbag, a belt integrated seat (BIS), an energy absorbing steering system, and a safety belt. It is found that the current design problem has two disciplines - structural nonlin- ear analysis and occupant analysis. The interdisciplinary relationship between the disciplines is identified and is addressed in the system analysis step in MDOIS. Interdisciplinary variables are belt load and stiffness of the seat, which are determined in system analysis step. The belt load is passed to the structural analysis subspace and stiffness of the seat back frame to the occupant analysis subspace. Determined design vari- ables in each subspace are passed to the system analysis step. In this way, the design process iterates until the convergence criterion is satisfied. As a result of the design, the weight of the BIS and Head Injury Crite- rion (HIC) of an occupant are reduced with specified constraints satisfied at the same time. Since the system analysis cannot be formulated in an explicit form in the current example, an optimization problem is formu - lated to solve the system analysis. The results from MDOIS are discussed.

주제어

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문제 정의

최근에 독립적 하부시스템에 기초한 다분야통합최적 설계(Multidisciplinary Design Optimization Based on Independent Subspaces; MDOIS)라는 다분야통합최적설계 기법이 제안되었다.⑺ 이 논문은 독립적 하부시스템에 기초한 다분야통합최 적설계 를 실제 공학 문제인 안전띠 일체형 의자의 설계 에 적용하는데 그 목적이 있다. 안전띠 일체형 의자의 하중환경은 차량이 충돌할 때에 나타나는 하중환경을 사용한다.

가설 설정

3.2절에서 기술하였듯이 이 문제의 연성변수는 안 전띠에 의한 하중과 등받이의 회전 강성(혹은 힘-변 형 곡선)이다. 연성변수들의 상호 관계를 비선형방 정식 형태의 등제한조건으로 표현할 수 있어으면 고 정점 반복법 등으로 연성변수들의 값을 구할 수 있다.

제안 방법

시 스템해석에서 결정된 연성변수값들은 각 하부시스템에 전달되어 각 하부시스템의 고정된 입력 구실을 한다. 각 하부시스템의 최적화는 해석 결과의 성격상 미분가능하지 않기 때문에 반응표 면법을 사용하여 미 분가능하도록 근사화하였다. 독립 적 하부시스템에 기 초한 다분야통합최 적설 계기법은 다른 다분야통합최적설계 알고리듬에 비해 비교적 간단한 구조를 가지고 있어 적용이 편리하다.
다분야통합최적설계 알고리듬 중의 하나인 독 립 적 하부시스템에 기초한 다분야통합최 적설계기법을 차량을 충돌을 고려한 안전띠 일체형 의자 의 설계에 적용하였다. 저자들은 설계문제를 구 성하는 여러 하부시스템들이 서로 독립적으로 작 용하고 오직 연성변수만이 각각의 독립된 하부시스템을 연결하는 설계문제를 종종 발견하였다.
的 여기에 관계된 이론은 비선형 유한요소법을 이용하는 구조해석과 다물체동역학(multibody dynamics)을 이용하는 승객 거동해석이다. 독립적 하부시스템에 기초한 다분야통합최 적설계가 제공하는 설계흐름을 적용하여 각분야간 연성관계를 시스템해석 (system analysis) 단계에서 규정하고 그 결과를 이용하여 각 하부시스템에서 시트의 중량과 승객상해치를 동시에 최소화하였다.
3(a)와 같다. 등받이와 쿠 션프레임 및 머리지지대를 각각 9개, 3개, 1개의 세그먼트로 구성하였다 . 세그먼트들은 조인트와 스프링-댐퍼로 연결하였다.
3(b)의 구조해석용 모델은 보 와 쉘요소로 이루어져 있다. 등받이와 쿠션프레 임을 연결하는 리클라이너는 회전스프링과 선형 스프링으로 연결하여 실제 리클라이너의 거동과 유사하게 동작하도록 하였다. 이 모델의 안전띠 장착점에 승객거동해석에서 얻은 안전띠에 의한 하중을 가한다.
그리고 사각형에 가 까운 접촉 엘립소이드를 각 세그먼트에 추가하여 충돌 시에 인체모형과 의자가 좀더 잘 접촉하도 록 하였다. 등받이와 쿠션프레임을 연결하는 리 클라이너 부분은 핀 조인트로 처리하였으며 회전 강성은 스프링-댐퍼 특성으로 대체하였다. 인체 모형은 Hybrid Ⅲ 50%를 사용하였으며 충돌시 속 도는 44.
하지만 민감도 기 반의 최적화는 일단 정식화가 의미있게 되어있고 미분가능한 반응을 사용할 수 있다면 매우 빠른 답을 준다. 때문에 이 연구에서는 반응표면법을 사용하여 응답을 매끄럽게 근사화한 후 민감도 기반 최적화를 통해 최적설계를 수행하였다.
이 논문의 예도 그런 경우이다. 설계문제에 포 함된 연성문제를 해결하기 위해 시스템해석 단계 를 도입하였다. 전체 설계 비용 중에서 시스템 해석의 비용이 차지하는 부분을 줄이기 위해 고 가의 비선형 구조해석 횟수는 가급적 줄이고 저 렴한 승객거동해석을 자주 수행하였다.
단계 2. 승객거동해석을 수행하여 구조해석에서 사용될 안전띠에 의한 하중을 구한다.
식 (2)는 충돌을 고려한 안전띠 일체형 의자의 설계를 위한 정식화이다. 의자의 중량(所)과 승 객의 머리 상해치(初O를 동시에 감소시켜야 하 므로 가중치를 이용한 다목적함수를 사용하였다.
설계문제에 포 함된 연성문제를 해결하기 위해 시스템해석 단계 를 도입하였다. 전체 설계 비용 중에서 시스템 해석의 비용이 차지하는 부분을 줄이기 위해 고 가의 비선형 구조해석 횟수는 가급적 줄이고 저 렴한 승객거동해석을 자주 수행하였다. 연성변 수값을 구하기 위해 고정점 반복법이나 뉴턴-랩 슨 방법을 사용하기가 현실적으로 어렵기 때문에 민감도에 기반한 최적화 기술을 사용하였다.
충돌을 감안하여 안전띠 일체형 의자(belt integrated seat; BIS)를 설계하기 위해 안전띠 일체형 의자, 에어백, 안전띠, 에너지 흡수 조향계로 구성된 충돌 모델을 선정하였다.안전띠 일체 형 의자는 Fig.

대상 데이터

안전띠 일체형 의자의 하중환경은 차량이 충돌할 때에 나타나는 하중환경을 사용한다. 이 연구에서 사용된 충돌 관련 부품들은 안전띠 일체형 의자, 에너지흡수 조향주, 안전띠, 에어백 등이다.的 여기에 관계된 이론은 비선형 유한요소법을 이용하는 구조해석과 다물체동역학(multibody dynamics)을 이용하는 승객 거동해석이다.
등받이와 쿠션프레임을 연결하는 리 클라이너 부분은 핀 조인트로 처리하였으며 회전 강성은 스프링-댐퍼 특성으로 대체하였다. 인체 모형은 Hybrid Ⅲ 50%를 사용하였으며 충돌시 속 도는 44.65km/h로 하였다. 감속도 파형은 참고 문헌 (8)의 것을 사용하였으며 안전띠는 하니스 벨트이다.

이론/모형

여기서 각 하부시스템 이 독립적으로 각각의 목적함수를 최소화하기 때문에 식 (2b)와 같은 가중치를 사용할 필요가 없는 것을 주목할 만하다. 각 하부시스템을 실제로 최적화하기 위해 순차적 반응표면법을 사용하였다.(1)) 각 해석에서 얻은 결과는 미분가능할 정도로 매끄럽지가 않기 때문에 해석 결과를 직접 민감도 기반 최적화에 이용할 수 없다.
65km/h로 하였다. 감속도 파형은 참고 문헌 (8)의 것을 사용하였으며 안전띠는 하니스 벨트이다. 이 모델에 감속도 파형을 가하면 안 전띠에 의해 안전띠 장착점에 가해지는 하중을 구할 수 있다.
각각 등받이의 회전 강성과 안전 띠에 의한 하중을 나타낸다. 식 (4)를 최소화하기 위해 민감도 기반 최적화를 사용하였으며, 이를 위해 승객거동해석의 결과들은 순차적 반응표면법(incrementally refined Response Surface Method)으로 근사화하였다.渺)결정된 등받이의 회전 강 성은 승객거동 하부시스템으로 전달되고 안전띠 장착점의 변위는 구조 하부시스템으로 전달되어 각 분야의 입력으로 사용된다.
전체 설계 비용 중에서 시스템 해석의 비용이 차지하는 부분을 줄이기 위해 고 가의 비선형 구조해석 횟수는 가급적 줄이고 저 렴한 승객거동해석을 자주 수행하였다. 연성변 수값을 구하기 위해 고정점 반복법이나 뉴턴-랩 슨 방법을 사용하기가 현실적으로 어렵기 때문에 민감도에 기반한 최적화 기술을 사용하였다. 시 스템해석에서 결정된 연성변수값들은 각 하부시스템에 전달되어 각 하부시스템의 고정된 입력 구실을 한다.

성능/효과

75로 수렴하였는데 이는 설계변수 의 하한치에 도달했기 때문이다. 설계 결과는 승객의 머리 상해치와 의자의 중량을 동시에 줄 이면서 명시된 제한조건을 모두 만족하였다

후속연구

또, 이 연구에서의 최적해를 얻는 과정이 다른 다분야통합최적설계기법과 비교하여 어느 정도 효율적인지를 가늠할 수 있는 척도가 아직 없다. 그러므로 이 연구에서 사용된 기법의 효 율성을 측정할 수 있는 척도를 개발하는 것도 필요하다.
그런데 본문에서 언급한 조건들을 만족하지 않는 설계문제도 수치적으로 는 좋은 해를 얻는 경우를 저자들은 종종 경험하였다. 따라서 본문에서 언급한 조건들을 만족하 지 않는 설계 문제에 대한 이론적인 연구가 필요하다. 또, 이 연구에서의 최적해를 얻는 과정이 다른 다분야통합최적설계기법과 비교하여 어느 정도 효율적인지를 가늠할 수 있는 척도가 아직 없다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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