[논문]모형자동차 충돌시험의 데이터베이스를 이용한 측면 충돌사고 재구성

손정현; 박석천; 김광석

문제 정의

시뮬레이션 결과를 바탕으로 여러 두께의 문짝 및 범퍼를 주문 제작하여 여러 속도와 각도로 충돌 실험을 수행하였다. 실차 중돌 실험을 통한 속도별, 각도별 문짝 및 범퍼의 변형정보를 구하는 것은 현실적으로 불가능하여서 참고문헌"에 있는 전차량 충돌 시뮬레이션 결과와 유사한 경향이 나오도록 하고자 하였다. 본 연구에서는 충돌 실험 결과 속도별, 각도별 특성이 잘 반영되는 두께인 0.
본 논문에서는 두 대의 차량이 측면충돌 하는 경우를 재구성하기 위해 RC car를 이용하여 시 험차를제작하고 충돌 시 험을 실시하여 변형 량을 측정하였다. 변형 량을 토대로 변형지수를 산출하였으며, 충돌 차량 및 피 충돌 차량의 변형 형상에 근거 하여 충돌 각 지 수를 정 의하고 데 이 터 베 이스를 구축하였다.
구축된 데이터 베이스를 근거로 임의의 충돌 속도와 충돌 각도로 측면 충돌하는 경우를 재구성하였다. 본 연구에서는 실험을 통해서 지수를 산출하고 데이터베이스를 구축하여 충돌 사고 재구성에 이용하는 방안을 제시하였다. 2장에서는 시험 장치 및 시험 결과를 나타내었고, 3장에서는 변형지수 및 충돌 각 지수를 설명하였으며, 4장에서는 사고재구성 예를 나타내 었고 결론을 5장에 나타내었다.
구축된 데이터 베이스를 근거로 임의의 충돌 속도와 충돌 각도로 측면 충돌하는 경우를 재구성하였다. 본 연구에서는 실험을 통해서 지수를 산출하고 데이터베이스를 구축하여 충돌 사고 재구성에 이용하는 방안을 제시하였다. 2장에서는 시험 장치 및 시험 결과를 나타내었고, 3장에서는 변형지수 및 충돌 각 지수를 설명하였으며, 4장에서는 사고재구성 예를 나타내 었고 결론을 5장에 나타내었다.

가설 설정

충돌 각도와 충돌속도를 모른다고 가정하고 변형 량만을 이용하여 역 추적 알고리 즘으로 충돌 속도와 충돌 각도를 추정하였다. 충돌 후의 변형 형상 정보를 이용하여 변형 지수(86.

제안 방법

측정된 변형량을 근거로 변형지수 및 충돌 각 지수를 정의 하고 데이터 베이스를 구축하였다. 구축된 데 이 터 베 이스를 근거 로 임 의 의 충돌 속도와 충돌 각도로 중돌하는 두 가지 경우의 사고재구성을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
변형 량을 토대로 변형지수를 산출하였으며, 충돌 차량 및 피 충돌 차량의 변형 형상에 근거 하여 충돌 각 지 수를 정 의하고 데 이 터 베 이스를 구축하였다. 구축된 데이터 베이스를 근거로 임의의 충돌 속도와 충돌 각도로 측면 충돌하는 경우를 재구성하였다. 본 연구에서는 실험을 통해서 지수를 산출하고 데이터베이스를 구축하여 충돌 사고 재구성에 이용하는 방안을 제시하였다.
다음으로 변형지수 데이터 베이스를 이용하여 속도별 변형지수를 보 간 한다. 마지막으로 검증차량의 변형지수를 대입하여 충돌 속도를 추정하고, 추정된 속도를 이용하여 충돌 각을 산출한다.
문짝 및 범퍼의 재질은 제작이 용이한 SS41 로 정하였고, 두께 및 문짝 곡률반경을 선정하기 위해 LS-Dyna3D”를 이용하여 간단한 모델을 구성 한 후 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 몇 개의 후보를 정하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 여러 두께의 문짝 및 범퍼를 주문 제작하여 여러 속도와 각도로 충돌 실험을 수행하였다.
변형 량을 토대로 변형지수를 산출하였으며, 충돌 차량 및 피 충돌 차량의 변형 형상에 근거 하여 충돌 각 지 수를 정 의하고 데 이 터 베 이스를 구축하였다. 구축된 데이터 베이스를 근거로 임의의 충돌 속도와 충돌 각도로 측면 충돌하는 경우를 재구성하였다.
충돌각도는 피충돌 차량의 진행 방향과 충돌 차량의 진행방향 사이의 각도로 정의하였고, 충돌 차량이 피 충돌 차량의 문짝을 정 중앙에서 충돌하였을 때가 90도 충돌이다. 변형지수 및 충돌 각지수를 산출하기 위해 측면의 변형 량을 측정하였다. 측면을 여 러개의 유한요소로 나누어 구역 별로 변위 센서(LVDT) 를 이용하여 변형 량을 계측하였다.
변형지수와 충돌 각 지수를 산출하기 위하여 피 충돌 차량의 문짝을 Fig. 7과 같이 가로 12개, 세로 7 개의 절점으로 분할하였다. 요소로 분할한 이유는 사고 재구성시에 피중돌 차량의 변형 형상을 수치적으로 지수화 함으로써 변형 형상만을 가지고 충돌 전의 상황을 역추적 하기 위한 측정 기준으로 삼기 위해서이다.
본 논문에서는 두 대의 차량이 측면충돌 하는 경우를 재구성 하기 위해 RC car를 이용하여 모형 시 험차를 제작하고 중돌 시험을 실시하여 변형 량을 즉정하였다. 측정된 변형량을 근거로 변형지수 및 충돌 각 지수를 정의 하고 데이터 베이스를 구축하였다.
실차 중돌 실험을 통한 속도별, 각도별 문짝 및 범퍼의 변형정보를 구하는 것은 현실적으로 불가능하여서 참고문헌"에 있는 전차량 충돌 시뮬레이션 결과와 유사한 경향이 나오도록 하고자 하였다. 본 연구에서는 충돌 실험 결과 속도별, 각도별 특성이 잘 반영되는 두께인 0.8mm로 최종 결정하였고, 문짝 곡률반경은 106mm 로 정하였다. 범퍼의 지지빔(support beam)의 개수 및 치수는 LS-Dyna3D로 시뮬레이션을 수행하여 충돌 각도에 따라 범퍼 변형이 잘 나타나는 치수로 정하였다.
문짝 및 범퍼의 재질은 제작이 용이한 SS41 로 정하였고, 두께 및 문짝 곡률반경을 선정하기 위해 LS-Dyna3D”를 이용하여 간단한 모델을 구성 한 후 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 몇 개의 후보를 정하였다. 시뮬레이션 결과를 바탕으로 여러 두께의 문짝 및 범퍼를 주문 제작하여 여러 속도와 각도로 충돌 실험을 수행하였다. 실차 중돌 실험을 통한 속도별, 각도별 문짝 및 범퍼의 변형정보를 구하는 것은 현실적으로 불가능하여서 참고문헌"에 있는 전차량 충돌 시뮬레이션 결과와 유사한 경향이 나오도록 하고자 하였다.
14에 나타내었다. 우선 검증용 차량의 문짝과 범퍼의 변형형상을 측정하여 변형 지 수와 각도지 수를 산출하고, 충돌 각 지수를 데이터베이스와 비교하여 속도별로 충돌 각도를선형보간(linear interpolation) 한다. 다음으로 변형지수 데이터 베이스를 이용하여 속도별 변형지수를 보 간 한다.
60도로 충돌 시 속도에 따른 문짝의 변형 량이 증가하였고, 26km/h시 범퍼 빔의 변형이 보다 심하였음을 알 수 있다. 이들 변형 결과를 측정하여 데이터 베이스를 구축하였고, 데이터베이스를 바탕으로 측면 충돌 사고 재구성 알고리즘을 개발하였다.
충돌 각 지수는 문짝의 변형 경향과 범퍼의 변형 경향을 반영하여 산출하였다. 우선 문짝의 변형량 중 우측 반이 경사 충돌과 관련이 있으므로 오른쪽 반의 섹션(section)별로 변형량의 기울기를 계산하고 기울기의 합을 각도지수 1(a)로 정의하였다.
3은 시험장 세트를 나타낸 것이다. 충돌 시험 종류는 18, 22, 26 km/h로 90도, 70도, 60도로 충돌하도록 구성 하였다. 충돌각도는 피충돌 차량의 진행 방향과 충돌 차량의 진행방향 사이의 각도로 정의하였고, 충돌 차량이 피 충돌 차량의 문짝을 정 중앙에서 충돌하였을 때가 90도 충돌이다.
충돌 각도와 충돌속도를 모른다고 가정하고 변형 량만을 이용하여 역 추적 알고리 즘으로 충돌 속도와 충돌 각도를 추정하였다. 충돌 후의 변형 형상 정보를 이용하여 변형 지수(86.02) 및 각도지수(0.34)를 구하였다. 각도지수 0.
충돌시 변형이 일어나는 문짝(door)과 범퍼 (bumper)부분은 CATLAP 이용하여 설계하여 제작하였다. 문짝 및 범퍼의 재질은 제작이 용이한 SS41 로 정하였고, 두께 및 문짝 곡률반경을 선정하기 위해 LS-Dyna3D”를 이용하여 간단한 모델을 구성 한 후 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 몇 개의 후보를 정하였다.
정의하였다. 충돌후의 변형 형상 정보를 이용하여 변형 지수(54.49) 및 각도지수 (1.13)를 구하였다. 시고재구성 검증 1 에서와 같이 데이터베이스를 이용하여 사고재구성 과정을 수행하였다.
변형지수 및 충돌 각지수를 산출하기 위해 측면의 변형 량을 측정하였다. 측면을 여 러개의 유한요소로 나누어 구역 별로 변위 센서(LVDT) 를 이용하여 변형 량을 계측하였다. Fig.
측정된 변형량을 근거로 변형지수 및 충돌 각 지수를 정의 하고 데이터 베이스를 구축하였다. 구축된 데 이 터 베 이스를 근거 로 임 의 의 충돌 속도와 충돌 각도로 중돌하는 두 가지 경우의 사고재구성을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
피충돌 차량의 시편을 가로로 10mm식 12구역 세로로 8mm식 7구역으로 나누어 총 84개의 노드를 구해 각각의 변형량을 제곱하고 평균을 내어 식 (1) 과같이 변형지수를 계산하였다.
한인환°은 자동차 사고 재구성에 적용 가능하도록 강체역학적 측면에서 자동차 충돌 거동에 대한 해석 적 모델을 개발하였다. 장인식2)등은 충돌 전의 상황을 판단하기 위해 차체간의 충돌상황에 따른 변형상태를 근거로 변형에너지를 계산하고 충돌 전후의 속도변화를 계산하는 연구를 수행하였다 이승종3) 등은 차량충돌의 물리적 증거인 진행 방향으로 미 끄러 질 때 발생하는 스키드마크와 측면방향으로 미끄러질 때 발생하는 요마크를 이용하여 충돌사고 재구성하는 연구를 수행하였다.

대상 데이터

시험 은 평 평 한 곳에서 수행하였으며 충돌 속도를 측정하기 위해 초당 1000프레임(frame)을 촬영할 수 있는 고속카메라를 이용하였다. Fig.
충돌 시험을 하기 위해 휠베이스 198mm, 전장 365mm, 차폭 183mm로써 일반 레이싱카의 1/10의 크기로 제작된 RC₇} 2대를 구입하였다. 실험을 위해 외관을 제거하였고, Fig.

성능/효과

1) 충돌속도 24km/h, 충돌각도 65도 일 경우에 속도추정 오차는 0.31%, 각도 추정 오차는 0.43%로써 상당히 정확히 추정 하는 것으로 분석 되어 본 연구에서 개발한 사고재구성 알고리즘이 타당성이 있음을 확인하였다.
2) 충돌속도 20km/h, 충돌각도 80도일 경우 속도 추정 오차는 13.26%, 각도 추정 오차는 2.9%로써 비교적 높게 나왔으며, 이는 실제 충돌 시험에서 60도와 70도 일 경우는 비슷한 경향을 보인 반면 90도 일 경우는 다른 경향을 보였고, 70도와 90도 사이에 시험 데이터베이스가 없어서 보간 하는 과정 중에 오차가 증가했기 때문으로 사료된다.
10에서는 충돌속도 90도에서 속도 구간 18~22km/h 보다 22~ 26km/h 구간에서 변형지수의 기울기가 약간 감소한 모습을 볼 수 있는데, 이는 차량의 충돌 속도가 높을수록 피중돌 차량의 중돌 후 속도가 증가하여 에너지를 흡수하였고 또한 문짝 곡면 제작시 약간의 오차가 있었기 때문인 것으로 추정된다. 본 연구에서는 모든 시편에 대해 충돌 전 후에 문짝 수직 높이를 절점 별로 측정하여 변형 량을 측정 하였는데, 제작 시현의 높이는 시편 별로 0.5mm(약 4%)내의 편차가 있음을 확인하였다. 26km/h 90도에 사용한 문짝의 곡면 높이 가 22km/h 90도 보」다 약 0.
실제 충돌 조건은 충돌속도 20km/h, 충돌 각도 80 도이지만, 변형지수와 충돌 각 지수를 근거로 사고 재구성을 한 결과 충돌 속도 22.65km/h, 충돌 각도 82.32도가 추정되 었으며, 이는 속도오차 13.26%, 각도 오차 2.9%내에 드는 것이다.
시고재구성 검증 1 에서와 같이 데이터베이스를 이용하여 사고재구성 과정을 수행하였다. 실제 충돌 조건은 충돌속도 24km/h, 충돌 각도 65 도이지만, 변형지수와중돌 각지수를 근거로사고 재구성 시뮬레이션을 한 결과 충돌 속도 23.93km/h, 충돌 각도 65.28도로 추정되었으며, 이는 속도오차 0.31%, 각도오차 0.43%내에 드는 것이다. 이는 앞선 easel보다 훨씬 좋은 결과를 나타내고 있다.
5에 도시하였다. 충돌 시 속도는 각각 18, 22, 26km/h였음이 확인되었고, 충돌 속도가 높을수록 충돌 후 횡 방향 속도가 큼을 알 수 있으며, 22km/h와 26km/h사이는 차이가 크지 않다. 충돌 시 험후 시 편 변형 형상을 Fig.

후속연구

방안을 제시하였다. 향후, 실제 차량과 시험 차량의 상사법을 구축한다면 실제 충돌시험을 대체하여 모/형 차의 충돌 시험 만으로도 데 이 터 베 이 스를 구축할 수 있을 것으로 보여 활용도가 높을 것으로 기대한다.

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