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문제 정의
- 본 연구는 밀폐형 공기셀방식의 매트리스의 성능 최적화를 위한 시뮬레이션 모델의 개발 및 매트리스 셀 두께 및 크기 등 주요 설계 변수에 따른 압력분포효과를 평가하여 최적화된 공기셀 모델을 제시하는 것을 목적으로 한다. 좀 더 실제에 가까운 압력분포효과를 예측하기 위하여 인체의 기구학적인 구조와 생체역학적인 물성 모델이 구현된 인체모델을 매트리스에 눕게 하여 이 모델의 표면에 걸리는 압력을 측정하게 된다.
- 본 연구에서는 공기셀 방식의 매트리스의 성능 최적화를 위하여 유한요소해석 기법을 이용한 시뮬레이션 모델을 개발하였다. 표준시편 인장실험을 수행하여 공기셀의 물성을 결정하였다.
- 실험에 사용된 매트리스는 roho사의 제품(모델명: ROHO Dry Flotation Mattress Overlay)을 사용하였다. 현재 우리가 개발중인 매트리스와는 다른 제품이므로 절대적인 비교평가에는 무리가 있으나, 시뮬레이션 결과의 대략적인 압력분포 양상 및 그 크기를 비교하고자 하였다. 실험과 비교에 사용된 시뮬레이션 모델은 100mm의 셀 높이와 0.
제안 방법
- 이 모델은 자동차 충돌 시 인체상해정도를 예측하기 위한 용도로 한국 ESI사에서 개발되었다. 강체로 이루어진 뼈와 변형체로 이루어진 근육과 살로 나뉘며, 각 관절은 실제와 거의 유사한 거동변위를 가진 기구관절로 모델링 되었다. 살과 근육의 물성은 사체를 이용한 각종 실험으로부터 얻어진 자료를 토대로 검증된 물성 값을 사용하고 있다.
- 이미 언급한 바와 같이, 다섯 가지의 두께와 세 가지의 크기의 조합에 의하여 총 15종류의 모델에 대하여 비교 평가하였다. 공기셀 매트리스의 성능인 체압 분포 효과를 결정짓는 가장 큰 요소는 매트리스에 주입하는 공기량에 따른 내부 압력이므로 모든 모델에 대하여 동일한 매트리스 공기압을 적용한 후에 인체모델을 눕혔다. 해석을 통하여 평가해 본 결과, 0.
- 셀 높이에 따른 3가지 모델에 대하여 3차원 형상 모델링을 수행하고 이를 요소화 작업을 통하여 해석모델을 생성한다. 공기셀의 물성을 구하기 위하여 공기셀을 이루는 고무재료의 표준인장시험을 수행하고 실험결과를 토대로 물성을 찾는다. 획득된 물성과 PAM/CRASH의 에어백 모델을 이용하여 단일 셀 해석모델을 만들고, 단일셀 부풀리기 해석을 통하여 해석모델을 검증한다.
- 먼저 본 연구에서 사용한 해석 S/W인 PAM/CRASH는 주로 자동차 충돌해석에 사용하는 동적유한요소 해석용으로 본 연구와 같은 quasi-static 문제를 풀기 위해서는 정적평형상태를 빠른 시간 내에 강제적으로 만들어주어야 한다. 공기의 급격한 주입에 따른 가속도의 발생과 이 효과에 의한 셀 막의 진동을 잡아주기 위한 댐핑을 설정해 주었다. Fig.
- 등부위와 둔부의 처짐량이 확연히 드러나는 것을 볼 수 있다. 다양한 공기셀 모델에 따른 체압분포결과를 비교하고 실제 체압측정실험을 통한 시뮬레이션 모델의 검증을 수행하였다.
- 매트리스 셀 압력은 0.5kPa로 맞추었으며 65kg의 체중을 가진 피검자를 눕힌 후 5분 뒤 체압 분포를 측정하였다. 압력 측정은 tekscan사의 매트형태의 압력센서를 사용하여 즉정하였다.
- 먼저 공기셀의 고무 재질의 물성을 구하기 위하여 표준시편 인장 실험을 수행하고 동일한 조건의 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 위한 고무물성 모델에는 고무의 비선형적 특성을 잘 표현한 'mooney-Rivlin' 모델이나 'ogden' 모델이 있으나, 모델의 복잡성에 따른 수행 시간과 요소의 형상이 좋지 않을 때 발생 가능한 singularity로 인하여 본 시뮬레이션에서는 선형 탄성 모델을 사용하였다.
- 크기에 따른 압력분포효과를 비교하기 위하여 3가지 공기셀 모델을 다룬다. 셀 높이에 따라서 80mm, 100mm, 120mm의 3가지이며, 셀의 가로, 세로 크기는 높이에 따라 64mm, 66mm, 76mm로 가로와 세로가 동일하게 설계되었다. 가로 세로 크기는 셀의 높이에 다소 비례하여야 안정성을 유지할 수 있다.
- 상세한 해석 과정은 다음과 같다. 셀 높이에 따른 3가지 모델에 대하여 3차원 형상 모델링을 수행하고 이를 요소화 작업을 통하여 해석모델을 생성한다. 공기셀의 물성을 구하기 위하여 공기셀을 이루는 고무재료의 표준인장시험을 수행하고 실험결과를 토대로 물성을 찾는다.
- 셀의 두께 및 높이를 조절하여 이에 대한 체압분포 결과를 비교 분석하였다. 발생한 최대 체압은 셀높이 가 높을수록 낮아지는 경향이 있으나 단위셀의 수평 면적이 커진 120mm 모델에서는 오히려 높은 압력 값을 보임 이고 있다.
- 시뮬레이션을 통하여 측정된 체압분포결과를 검증하기 위하여 동일한 조건에서 실험을 수행하였다. 매트리스 셀 압력은 0.
- 실험방법은 부풀려진 공기셀 매트리스에 인체를 눕힌 후, 매트리스와 접촉하는 인체 모델의 피부면에 걸리는 압력을 측정하여 평가하는 것이다. 이를 시뮬레이션 상에서 구현하기 위하여 인체모델을 중력에 의하여 매트리스로 낙하시키게 되는데, 가속도 효과에 의하여 인체모델이 매트리스와 접촉하게 되어 상하로 출렁임이 발생하며, 시간이 경과함에 따라 진폭이 감소하여 정적 평형상태에 도달하게 된다.
- 5kPa로 맞추었으며 65kg의 체중을 가진 피검자를 눕힌 후 5분 뒤 체압 분포를 측정하였다. 압력 측정은 tekscan사의 매트형태의 압력센서를 사용하여 즉정하였다. 실험에 사용된 매트리스는 roho사의 제품(모델명: ROHO Dry Flotation Mattress Overlay)을 사용하였다.
- 왜냐하면 해석 모델이 매트리스와 인체모델을 합하여 40만개의 이상의 유한 요소로 이루어져 있으며, 수백 개의 셀들과 인체모델은 상호간에 접촉이 발생하므로 이를 계산하는데 많은 시간이 필요하기 때문이다. 이러한 계산량의 문제를 해소하기 위하여 모델의 진동을 상쇄시키는 댐핑 요소를 첨가하여 짧은 시간 내에 정적평형상태에 도달하도록 하였다. 이러한 작업으로 해석시간을 10배 이상의 단축시키는 효과를 나타내게 되었다.
- 공기셀의 크기이다. 이미 언급한 바와 같이, 다섯 가지의 두께와 세 가지의 크기의 조합에 의하여 총 15종류의 모델에 대하여 비교 평가하였다. 공기셀 매트리스의 성능인 체압 분포 효과를 결정짓는 가장 큰 요소는 매트리스에 주입하는 공기량에 따른 내부 압력이므로 모든 모델에 대하여 동일한 매트리스 공기압을 적용한 후에 인체모델을 눕혔다.
- 제안된 공기셀 설계 변수는 공기셀 고무 막의 두께와 공기셀의 크기이다. 이미 언급한 바와 같이, 다섯 가지의 두께와 세 가지의 크기의 조합에 의하여 총 15종류의 모델에 대하여 비교 평가하였다.
- 획득된 물성과 PAM/CRASH의 에어백 모델을 이용하여 단일 셀 해석모델을 만들고, 단일셀 부풀리기 해석을 통하여 해석모델을 검증한다. 제작된 단일 셀 모델을 배열하고 인접 셀 간에 유로 설정을 해주어 매트리스 섹터를 구성한다. 매트리스 섹터 4개를 배열하고 인체모델을 추가하여 접촉조건 및 구속조건을 설정하므로써 압력분포 평가용 시뮬레이션 모델이 완성된다.
- 것을 목적으로 한다. 좀 더 실제에 가까운 압력분포효과를 예측하기 위하여 인체의 기구학적인 구조와 생체역학적인 물성 모델이 구현된 인체모델을 매트리스에 눕게 하여 이 모델의 표면에 걸리는 압력을 측정하게 된다.
- 1mm 간격으로 5가지를 다룬다. 크기와 두께의 조합에 따라 15가지 조합이 발생하며, 이 15개의 모델에 대하여 해석을 수행하고 그 결과를 비교하여 셀 크기와 고무의 두께에 따른 매트리스의 성능을 평가하고자 한다.
- 모델을 개발하였다. 표준시편 인장실험을 수행하여 공기셀의 물성을 결정하였다. 좀 더 실제에 가까운 체압분포 측정을 위하여 충돌해석용 정밀인체모델을 이용하였다.
- 한 개의 셀을 부풀리는 해석을 통하여 공기셀 모델을 검증하였다. 먼저 본 연구에서 사용한 해석 S/W인 PAM/CRASH는 주로 자동차 충돌해석에 사용하는 동적유한요소 해석용으로 본 연구와 같은 quasi-static 문제를 풀기 위해서는 정적평형상태를 빠른 시간 내에 강제적으로 만들어주어야 한다.
- 좀 더 실제에 가까운 체압분포 측정을 위하여 충돌해석용 정밀인체모델을 이용하였다. 해석시간 단축을 위하여 공기셀과 인체모델의 요소에 댐핑을 주어 부풀림과 인체모델 낙하 등의 동적 거동에 의한 진동 및 이에 의한 정적상태까지 의 지연시간을 대폭 단축하였다.
- 공기셀 매트리스의 성능인 체압 분포 효과를 결정짓는 가장 큰 요소는 매트리스에 주입하는 공기량에 따른 내부 압력이므로 모든 모델에 대하여 동일한 매트리스 공기압을 적용한 후에 인체모델을 눕혔다. 해석을 통하여 평가해 본 결과, 0.4kPa~0.5kPa의 공기압에서 가장 좋은 압력 분포를 보여주었으므로 0.5kPa을 매트리스 공기압으로 설정하였다.
- 공기셀의 물성을 구하기 위하여 공기셀을 이루는 고무재료의 표준인장시험을 수행하고 실험결과를 토대로 물성을 찾는다. 획득된 물성과 PAM/CRASH의 에어백 모델을 이용하여 단일 셀 해석모델을 만들고, 단일셀 부풀리기 해석을 통하여 해석모델을 검증한다. 제작된 단일 셀 모델을 배열하고 인접 셀 간에 유로 설정을 해주어 매트리스 섹터를 구성한다.
대상 데이터
- 이 H-Modele 정상인 남성, 여성, 유아 등을 대상으로 평균 체형을 기준으로 제작되었으며 용도에 따라서 앉은 자세, 선 자세, 누운 자세 등으로 구체화되어 있다. 본 연구에 사용된 모델은 누운 자세의 정상인 남성 모델로 키 174cm, 몸무게 65kg의 20대 남성 표준 체형으로 설계되었다.(Fig.
- 현재 우리가 개발중인 매트리스와는 다른 제품이므로 절대적인 비교평가에는 무리가 있으나, 시뮬레이션 결과의 대략적인 압력분포 양상 및 그 크기를 비교하고자 하였다. 실험과 비교에 사용된 시뮬레이션 모델은 100mm의 셀 높이와 0.5mm의 셀 두께를 가진 모델을 사용하였다. Fig.
- 압력 측정은 tekscan사의 매트형태의 압력센서를 사용하여 즉정하였다. 실험에 사용된 매트리스는 roho사의 제품(모델명: ROHO Dry Flotation Mattress Overlay)을 사용하였다. 현재 우리가 개발중인 매트리스와는 다른 제품이므로 절대적인 비교평가에는 무리가 있으나, 시뮬레이션 결과의 대략적인 압력분포 양상 및 그 크기를 비교하고자 하였다.
이론/모형
- 수행하였다. 시뮬레이션을 위한 고무물성 모델에는 고무의 비선형적 특성을 잘 표현한 'mooney-Rivlin' 모델이나 'ogden' 모델이 있으나, 모델의 복잡성에 따른 수행 시간과 요소의 형상이 좋지 않을 때 발생 가능한 singularity로 인하여 본 시뮬레이션에서는 선형 탄성 모델을 사용하였다.
- 표준시편 인장실험을 수행하여 공기셀의 물성을 결정하였다. 좀 더 실제에 가까운 체압분포 측정을 위하여 충돌해석용 정밀인체모델을 이용하였다. 해석시간 단축을 위하여 공기셀과 인체모델의 요소에 댐핑을 주어 부풀림과 인체모델 낙하 등의 동적 거동에 의한 진동 및 이에 의한 정적상태까지 의 지연시간을 대폭 단축하였다.
- 체압 측정을 위한 인체 모델은 H-Model이라 불리우는 PAM/CRASH용 정밀 인체 모델이다. 이 모델은 자동차 충돌 시 인체상해정도를 예측하기 위한 용도로 한국 ESI사에서 개발되었다.
성능/효과
- 11의 그래프에서 보는 바와 같이, 인체모델과 셀 간에 발생하는 접촉력의 시간에 따른 변화량을 가지고 체크할 수 있다. 2초간의 해석시간 동안의 접촉력을 살펴보면, 일단 중력가속도에 의한 진동효과는 거의 상쇄된 것을 확인할 수 있으며, 약 1초 이후부터는 접촉력이 거의 일정하게 나타나고 있다. 또한, 특정 셀의 압력변화 역시 1초 이후에는 약간의 진동은 있으나 안정화된 상태를 유지하고 있다.
- 4kPa 이상의 압력 레벨 영역만 나타내었다. 셀 높이 100mm 모델들이 다른 셀 높이 모델과 비교하여 적은 욕창발생가능 영역을 보여주고 있으며, 셀 높이 80mm 모델들은 매우 많은 욕창발생가능영역을 나타냄으로써 욕창예방효과가 떨어지는 것으로 예측된다. 또한 전체적으로 공기셀 막의 두께가 두꺼워질수록 욕창발생가능영역이 증가하고 있으나 그 증가량은 미약하다.
- 발생한 최대 체압은 셀높이 가 높을수록 낮아지는 경향이 있으나 단위셀의 수평 면적이 커진 120mm 모델에서는 오히려 높은 압력 값을 보임 이고 있다. 수평 면적 이 작으면서 셀의 높이가 높은 100mm 모델에서 가장 효과적인 압력분포를 보여주는 것으로 보아, 단위셀의 수평 면적을 키우지 않을 수 있는 범위 안에서 셀을 높게 설계하는 것이 가장 효과적일 것으로 예측된다. 너무 낮은 셀높이는 인체가 바닥면 충돌할 가능성이 있으므로 100mm이상의 높이를 확보하는 것이 좋다.
- 시뮬레이션 결과의 검증을 위하여 동종 타사 제품을 통한 압력분포를 측정하였으며, 시뮬레이션과 비교 결과 거의 유사한 압력 레벨을 보이고 있으나 시뮬레이션의 결과가 다소 높게 나타나고 있다. 이러한 결과는 시뮬레이션의 인체모델의 실제 인체에 비하여 관절의 거동이 다소 제한적이어서 피부와 매트리스간의 접촉영역이 실제보다 적어지기 때문으로 예측된다.
- 시뮬레이션을 통한 평가 결과, 수행 전 예상과 달리 설계변수에 따른 체압분포효과는 적용불가능 할만큼 큰 차이는 없음을 확인하였다. 시뮬레이션 과정에서 공기압을 1kPa로 주었을 경우가 0.
- 120mm 모델의 경우에는 둔부와 등부위 모두 두께가 두꺼워짐에 따라 조금씩 증가하고 있다. 최대 압력 값으로 압력분포효과의 절대적인 평가를 할 수는 없으며, 실제적으로는 전체적인 압력 분포선도가 좀 더 정확한 성능을 보여준다. Fig.
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