[논문]직교배열표를 이용한 액티브 후드 리프트 시스템의 설계

신문균; 박경택; 이근배; 배한일; 박경진

직교배열표를 이용한 액티브 후드 리프트 시스템의 설계
Design of the Active Hood Lift System Using Orthogonal Arrays 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.14 no.4, 2006년, pp.123 - 131

신문균 (한양대학교 BK21 기계사업단) , 박경택 (한양대학교 대학원 기계설계학과) , 이근배 (현대자동차 선행해석팀) , 배한일 (현대자동차 선행해석팀) , 박경진 (한양대학교 기계정보경영학부)

Abstract ▼ AI-Helper

The majority of pedestrian fatalities and injuries are caused by vehicle-pedestrian accidents. Recently, it has been recognized as a serious problem. Injuries of occupants in a vehicle have been decreased considerably. However, efforts for protection of pedestrians are still insufficient. These days, many advanced industries are striving for a better protection of pedestrians by using an active hood lift system, rather than reforming the existing structure. In this research, the active hood lift system is designed to enhance the performance for protection. The active hood lift system is analyzed by using the nonlinear finite element method. An optimization problem is formulated by incorporation of the analysis results. Orthogonal arrays are utilized to solve the formulated problem. An iterative optimization algothrithm using orthogonal arrays is utilized for design in the discrete space. It is found that the method can remarkably decrease the number of function evaluations.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

직교 배열표에 의한 최적수준을 결정하는 것이 항상 좋은 해만을 제공 하지는 않는다. 그러므로 직 교 배 열표 상의 조합에 의한 해와 비교하여 직교 배열표 상의 조합에 의한 특성치가 더 우수하다면 그 결과를 최적의 해로 간 주한다.
본 연구의 목적은 액티브 후드 리프트 시스템을 장착하여서 후드 상단에 어린이와 어른 머리가 부 딪히는 것을 모사하여 머리 상해값을 최소화할 수 있는 액티브 후드 리프트 시스템을 설계하는 것이다. 따라서 보행자 사고 시 보행자의 상해를 최소화 하기 위한 설계를 하기 위하여 제한조건을 고려할 수 있는 이정욱과 박경진이 제안한 직교배열표를 이용한 순차적 알고리듬(Sequential algorithm with Orthogonal Arrays, SOA)을 이용한다.
알고리즘의 종료여부를 검토한다. 이산공간의 특성상 연속공간에서의 종료조건인 수렴 정도로 해 를 판단할 수 없다.
후경 계선 1,500-2, 100mm 사이의 후드에 수평면 기준으로 65。로 40km/h의 속도로 충격 을 가할 때 머 리상해 치가 1,000 이하 이어야 한다. 현재 유럽위원회에서 EEC 2단계 기준에 대해 적용가능한지에 대한 연구를 수행하였다. 이 결과에 의하면 현 수준에서 는 머 리 상해 값(head injury criteria, HIC)을 만족하기 어 렵 기 때문에 유럽위원회에서 제안한 머리상해치 기준을 1, 250 이 하로 해 야 한다고 제 안하였다.

제안 방법

1 단계 보행자 보호 기준을 만족하기 위해서 기존 에는 후드 프레임에 구멍 개수, 힌지 높이 등을 조절 하면서 보행자 보호를 위한 설계를 제안 하였다.'3) 그러나 이러한 방법으로2단계 보행자 보호 기준을 만족하기에는 한계가 있다.
1) Directive 70/156/EEC (2003/102/EC)의 2단계 기 준을 만족하는 머 리모형 해석을 수행하였다.
3) 제한조건을 만족하면서 목적 함수의 머 리상해치 의 합을 최소화 하였고, 설계변수의 최종적인 수 준값을 결정하였다.
4) 설계 변수가 이산설계공간에서 존재하는 문제에서 직 교배 열표를 사용하여 순차적으로 최적 해를 구하였다. 직교배열표를 사용하므로 비교적 적은 함수 계산만으로도 이산공간에서 우수한 해 를구할 수 있었다.
행렬실험을 통해서 나온 결과를 바탕으로 평균분석 (Analysis of means, ANOM)을 행 한다. 각 인자에 대한 수준에 따른 평 균치 들을 계산하고, 인자의 최 적수준을 선정한다. 그러나 최 적수준에 대한 추정 치는 2개의 인자 및 고차의 교호작용을 무시한 상태에서 나온 결과이므로 확인실험을 실시하여 계산된 실제 특성 치와 다를 수 있다.
최근 직교 배열표를 이용한 순차적 알고리듬은 다른 이산공간에서 의 최적 화를 수행 함에 있어서 훌 륭한성능이 입증 되었다. 따라서 본 연구는 이 알고 리듬을 이용하여 설계를 수행하였다.
이산공간의 특성상 연속공간에서의 종료조건인 수렴 정도로 해 를 판단할 수 없다. 따라서 한 번의 반복과정에서 최 적해를 구하고, 다음 반복과정에서 최적해를 구해 서 비교를 통하여 해의 개선여부를 판단한다. 종료 조건은 반복과정에서 구한 최 적해와 다음 반복과정에서 구한 최적 해가 같으면 종료한다.
여기서 q는 i 번째 제한조건의 최대 위배량 (maximum violation) 이 고, s 는 조절계수(scale factor) 이다. 또한 제한조건 간의 차원(order)의 차이가 벌 칙량에 미치는 영향을 줄이기 위해 정규화 (nor- malization)를 실시한다. 벌칙함수에서 제한조건의 최대 위배량은 제한조건을 위배하는 경우에는 영이 아닌 값을 갖지만 제한조건을 모두 만족하는 경우 영의 값을 갖는다 조절계수는 알고리즘에 의한 반 복과정 중에 구해지 는 모든 해 의 가용성 (feasibility) 을 높이기 위해 벌칙함수 값이 원래의 반응치의 값 보다 한 차원 높게 나오도록 결정 한다.
80mtn, B=A6061-T4, C=1.00mm, D= 0。로 설정하여 1 수준에 배치하고, 후보값 중에서 초기 설계값과 인접한 A=2.40mm, B=A6260-T4, C=0.95mm, D=-15°를 2수준으로, A=3.20mm, B= A6063-T6, C=1.05mm, D=3°를 3수준으로 배치 한 후 행렬실험을 실시하고 반복과정을 통해 해를 찾는 다. 종료조건은 반복과정에서 구한 최적해와 다음 반복과정에서 구한 최적해가 같으면 종료한다.
반대로 두께가 두꺼우면 액추에 이 터 가 후드를 올리 지 못하는 경우가 발생 하기 때문에 두께를 설계변수로 선정하였다. 마지막 으로 힌지 두께도 설계 변수로 선정 하였다.
따라서 보행자 사고 시 보행자의 상해를 최소화 하기 위한 설계를 하기 위하여 제한조건을 고려할 수 있는 이정욱과 박경진이 제안한 직교배열표를 이용한 순차적 알고리듬(Sequential algorithm with Orthogonal Arrays, SOA)을 이용한다. 보행자 보 호를 위해 장착한 액티브 후드 리프트 시스템의 구 조물 설계를 위하여 상용 유한요소 해석 프로그램 인 LS-DYNA3D를 이용하여 머리모형의 충돌해석 을수행하였다.
본 연구의 설계조건은 후드 표면에 어 린이와 어 른 머리가 부딪히는 것을 모사하는 것으로 제한한다. 설계변수 선정을 위한해석을 통하여 힌지 두께, 액추에이터의 재질, 각도, 두께를 설계변수로 선정 하게 되었다. 이 모사에서 설계변수의 변화에 따른 경향을분석하기 위하여 어린 머리모형의 충격부위 전 .
설계변수를 선정하기 위해서 힌지 두께, 액추에이 터의 재질, 각도, 두께를 변화시켜서 해석을 실시하였다. 액추에 이 터 재질은 알루미늄을 많이 사용하기 때문에 알루미늄 중에서 몇 가지를 선정하였다.
자동차의 전면 구조물을 개선하는 것도 효과적 이 지만, 구조물을 개선하지 않고 보행자 보호기준을 만족하는 액티브 후드 리프트 시스템을 장착이 필요하다. 순차적 알고리듬을 이용하여 액티브 후드 리프트 시스템의 최적화를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

이 알고리듬에서는 효율성을 고려하여 3 수준으로 고정하여 관련된 직교 배 열표만을 사용한다. 다구 찌는 표준 직교 배열표라고 부르는 18개의 기본적인 직교 배열표를 작성하였으며, 이를 직교 배열표 선정에 이용할 수 있다. 특히 교호작용을 고려하지 않으므로 수준수와 인자수를 고려하여 인자수를 넘 지 않는 직교 배열표를 계산하여 자동으로 선정할 수 있다.
설계변수를 선정하기 위해서 힌지 두께, 액추에이 터의 재질, 각도, 두께를 변화시켜서 해석을 실시하였다. 액추에 이 터 재질은 알루미늄을 많이 사용하기 때문에 알루미늄 중에서 몇 가지를 선정하였다.

데이터처리

행렬실험을 통해서 나온 결과를 바탕으로 평균분석 (Analysis of means, ANOM)을 행 한다. 각 인자에 대한 수준에 따른 평 균치 들을 계산하고, 인자의 최 적수준을 선정한다.

이론/모형

본 연구의 목적은 액티브 후드 리프트 시스템을 장착하여서 후드 상단에 어린이와 어른 머리가 부 딪히는 것을 모사하여 머리 상해값을 최소화할 수 있는 액티브 후드 리프트 시스템을 설계하는 것이다. 따라서 보행자 사고 시 보행자의 상해를 최소화 하기 위한 설계를 하기 위하여 제한조건을 고려할 수 있는 이정욱과 박경진이 제안한 직교배열표를 이용한 순차적 알고리듬(Sequential algorithm with Orthogonal Arrays, SOA)을 이용한다. 보행자 보 호를 위해 장착한 액티브 후드 리프트 시스템의 구 조물 설계를 위하여 상용 유한요소 해석 프로그램 인 LS-DYNA3D를 이용하여 머리모형의 충돌해석 을수행하였다.

성능/효과

2) 직교 배열표를 이용한 순차적 알고리듬을 이용하여 보행자를 보호하는 액티브 후드 리프트 시스템의 성능을 개선하였다. 초기 설계값에서 머 리상해치의 합은 3975.
9배 정도이다. 그리고 보행자의 머리가 후드에 부딪힐 때까지 약 Ima리를 이동하는데 걸 리는 시간은 약 100~150msec가 걸리는 것으로 나타 났다. 보행자가 차량에 부딪힐 때 치명상의 주요 원인은 머리상해이다.
현재 유럽위원회에서 EEC 2단계 기준에 대해 적용가능한지에 대한 연구를 수행하였다. 이 결과에 의하면 현 수준에서 는 머 리 상해 값(head injury criteria, HIC)을 만족하기 어 렵 기 때문에 유럽위원회에서 제안한 머리상해치 기준을 1, 250 이 하로 해 야 한다고 제 안하였다.
4) 설계 변수가 이산설계공간에서 존재하는 문제에서 직 교배 열표를 사용하여 순차적으로 최적 해를 구하였다. 직교배열표를 사용하므로 비교적 적은 함수 계산만으로도 이산공간에서 우수한 해 를구할 수 있었다.
2) 직교 배열표를 이용한 순차적 알고리듬을 이용하여 보행자를 보호하는 액티브 후드 리프트 시스템의 성능을 개선하였다. 초기 설계값에서 머 리상해치의 합은 3975.7이었고, 최적화 과정을 수행한 결과 3311.3으로 16.7% 감소하였다. 충격 지점에서의 머리 상해값를 살펴보면, 충격지점 1 에서는 50.
최적화 과정에 따른 설계변수의 변화를 살펴보면 힌지 두께는 감소하고 액추에 이 터 두께는 증가하였 으며 액추에이터 각도는 감소하였다. 재질의 경우는 초기설계시의 재질보다는 연성인 방향으로 간다 는것을 알 수 있었다.

후속연구

본 연구의 설계조건은 후드 표면에 어 린이와 어 른 머리가 부딪히는 것을 모사하는 것으로 제한한다. 설계변수 선정을 위한해석을 통하여 힌지 두께, 액추에이터의 재질, 각도, 두께를 설계변수로 선정 하게 되었다.

참고문헌 (14)

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상세보기
J. W. Yi, 'A Sequential Algorithm Using Orthogonal Arrays in Discrete Space,' Ph. D. Dissertation, Hanyang University, Seoul, Korea, 2004
G. J. Park and B. S. Kang, Analytic Methods for Design Practice, Springer-Verlag, London, 2006.(To be published)
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J. W. Lee, 'Vehicle Hood and Bumper Structure Design to Mitigate Casualties of Pedestrian Accidents,' Ph. D. Dissertation, Hanyang University, Seoul, Korea, 2004
Y. H. Han and Y. W. Lee, 'Development of a Vehicle Structure with Enhanced Pedestrian Safety,' 2003 World Congress & Exhibition, 2003-01-1232, Detroit, MI, USA, 2003

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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