[논문]컴퓨터 시뮬레이션에 의한 관성과 마찰 에너지를 이용하는 충격흡수시설의 개발

김동성; 김기동; 고만기; 김광주

[국내논문] 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 관성과 마찰 에너지를 이용하는 충격흡수시설의 개발
Development of a Crash Cushion Using the Frictional and Inertial Energy by Computer Simulation 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.9 no.2, 2009년, pp.23 - 30

김동성 (공주대학교 건설환경공학과) , 김기동 (공주대학교 건설환경공학과) , 고만기 (공주대학교 건설환경공학과) , 김광주 (대전광역시 주택정책과)

초록
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충격흡수시설은 주행차로를 벗어난 차량이 도로상의 고정된 구조물과의 직접적인 충돌을 방지하도록 하기 위한 보호시설이다. 이러한 기능은 충돌차량이 안전하게 점진적으로 멈추도록 속도를 감소시킴으로써 이루어진다. 기존의 일반적인 충격흡수시설에는 이러한 기능을 수행하기 위해서 다음의 두 가지 개념 중 하나가 적용된다. 첫 번째 개념은 파괴 또는 소성변형이 가능한 재료에 의해 충돌차량의 운동에너지를 흡수하는 것이고, 두 번째 개념은 충돌차량의 운동량을 차량의 이동경로에 놓인 소모성 재료의 질량체에 전달하는 것이다. 일반적으로 첫 번째 개념을 이용한 충격흡수시설은 압축(비관성) 충격흡수시설로 분류되고, 두 번째 개념을 이용한 충격흡수시설은 관성 충격흡수시설로 분류된다. 본 논문의 목적은 위에서 언급한 두 가지 개념을 동시에 적용한 압축형 충격흡수시설의 개발이다. 실물차량 충돌시험을 최소화 할 수 있도록 관성 에너지와 마찰 에너지 소산을 고려한 예비설계 가이드를 수립하고 충격흡수시설 개발을 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 위하여 도로안전시설물 해석에 가장 많이 사용되는 LS-DYNA를 이용하였다. 개발된 충격흡수시설은 국내지침 CC2급의 다양한 충돌조건에 대한 성능 평가 기준을 만족하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Crash cushions are protective devices that prevent errant vehicles from impacting on fixed objects. This function is accomplished by gradually decelerating a vehicle to a safe stop in a relatively short distance. Commonly used crash cushions generally employ one of two concepts to accomplish this function. The first concept involves the absorption of the kinetic energy of a moving vehicle by crushable or plastically deformable materials and the other one involves the transfer of the momentum of a moving vehicle to an expendable mass of material located in the vehicle's path. Crash cushions using the first concept are generally referred to as compression crash cushions and crash cushions using the other concept are generally referred to as inertial crash cushion. The objective of this research is the development of a compression-type crash cushion by employing the two concepts simultaneously. To minimize the number of full-scale crash tests for the development of the crash cushion, preliminary design guide considering inertial and frictional energy absorption was constructed and computer simulation was performed. LS-DYNA program, which is most widely used to analyze roadside safety features, was used for the computer simulation. The developed crash cushion satisfied the safety evaluation criteria for various impact conditions of CC2 performance level in the Korean design guide.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 위의 두 가지 개념을 동시에 적용하여 “지침”의 CC2급 성능수준을 만족하는 압축형 충격흡수시설을 개발하고자 한다.
본 논문에서는 위의 두 가지 개념을 동시에 적용하여 “지침”의 CC2급 성능수준을 만족하는 압축형 충격흡수시설을 개발하고자 한다. 실물차량 충돌시험을 최소화 할 수 있도록 관성 에너지와 마찰 에너지 소산을 고려한 예비설계 가이드를 수립하고 충격흡수시설 개발을 위한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하여 예비설계 가이드의 적절성을 검토하고자 한다.
본 논문에서는 관성과 비관성 에너지 소산 개념을 동시에 적용한 그림 1과 같은 CC2등급의 압축형 충격흡수시설을 개발하고자 한다. 표 1에 나타난 바와 같이 CC2급 충격흡수시설의 최소 한계길이는 1.
본 연구에서는 3D 비선형 동적 해석 프로그램인 LSDYNA를 이용한 Full Scale 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 예비설계모델의 강도성능 검증 및 탑승자 보호 성능을 평가 하였다. 중첩된 보 사이의 마찰에 의한 에너지 소산 시스템을 그림 12와 같이 모델 하였다.

제안 방법

한 쌍의 W-형 보와 Thire-형 보는 측면에서 충돌하는 차량을 안전하게 주행복귀 시키기 위해 모듈의 양쪽 가장자리에 설치하였다. 비관성 에너지 소산을 위해서 그림 2에 나타낸 압축력 발생 개념에 의한 중첩된 보의 마찰력을 사용하였다. 그림 2에서 앞쪽 모듈의 W-형 보는 두 개의 고장력 볼트와 스페이서에 의해서 다음 모듈의 W-형 보와 프레임에 연결된다.
1) 정마찰 계수의 결정

정적 실험을 통하여 소정의 토크에 의해 중첩된 보에 발생하는 압축력과 중첩된 보를 움직이게 하는 Slip Force(미끌림 힘)를 결정하고 보의 압축력과 Slip Force의 관계로부터 정마찰 계수를 결정하였다.
중첩된 보의 형상이 마찰력에 미치는 영향을 고려하기 위해 단일 볼트에 와셔만을 연결한 경우, W-형 보를 연결한 경우, Thrie-형 보를 연결한 경우로 나누어서 토크변화에 따라 볼트에 발생하는 인장력을 측정하였다. 그림 4와 같이 내후성 고장력 볼트 M20 F10T(마찰이음용)에 Strain gauge를 부착하고 토크-렌치를 이용하여 볼트에 소정의 토크를 가하고 볼트의 변형률을 측정하였다.
중첩된 보의 형상이 마찰력에 미치는 영향을 고려하기 위해 단일 볼트에 와셔만을 연결한 경우, W-형 보를 연결한 경우, Thrie-형 보를 연결한 경우로 나누어서 토크변화에 따라 볼트에 발생하는 인장력을 측정하였다. 그림 4와 같이 내후성 고장력 볼트 M20 F10T(마찰이음용)에 Strain gauge를 부착하고 토크-렌치를 이용하여 볼트에 소정의 토크를 가하고 볼트의 변형률을 측정하였다. 그림 5는 Thrie-형 보의 볼트 인장력 시험시편을 보여준다.
= 볼트 작용 토크

토크변화에 따른 Slip Force의 변화를 알아보기 위해 그림 7과 같이 UTM을 이용한 정적 압축 실험을 실시하였다. W-형 단면 부재에는 고장력 볼트 2개(1set)를 사용하였고 Thrie-형 단면 부재에는 4개(2set)를 사용하였다.
중첩된 보 사이의 마찰에 의한 에너지 소산 시스템을 그림 12와 같이 모델 하였다. 볼트에 발생하는 인장력은 Spring 요소를 사용하여 모델 하였고, W형-보와 Thrie형-보는 Shell요소, 볼트와 너트 그리고 프레임은 Solid요소로 모델 하였다. 충돌차량의 경우 국산 차량에 대해 검증된 FEM 모델이 극히 제한되어 있고 차량모델의 개발에 소요되는 비용이 대단히 크기 때문에 NCAC (National Crash Analysis Center)에서 개발한 Ford Taurus 차량모델(NCAC, 2000)을 사용하였다.
운동량 보존 법칙에 의한 관성에너지, 그리고 기존의 실물 충돌시험 결과에 근거한 마찰에너지를 이용하여 충격흡수시설을 예비설계 하였다. 실물크기의 3D 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 예비설계시스템의 성능수준을 조사하고 설계의 안전율을 검토하였다.
운동량 보존 법칙에 의한 관성에너지, 그리고 기존의 실물 충돌시험 결과에 근거한 마찰에너지를 이용하여 충격흡수시설을 예비설계 하였다. 실물크기의 3D 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 예비설계시스템의 성능수준을 조사하고 설계의 안전율을 검토하였다. 이러한 과정은 실물차량 충돌시험의 횟수를 효율적으로 최소화 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
마찰과 관성 에너지를 이용하여 차량충돌에너지를 소산 하는 충격흡수시설을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 성능평가 하였다. 마찰과 관성 에너지를 이용한 예비설계의 적절성이 컴퓨터 시뮬레이션에 의해 확인되었다.
관성형과 비관성형 충격흡수시설의 두 가지 특징을 동시에 이용하는 CC2 등급의 압축형 충격흡수시설을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 개발하였다. 고비용의 실물차량 충돌실험을 최소화 하도록 신뢰성 있는 예비설계를 수행하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 성능평가 하였다.
관성형과 비관성형 충격흡수시설의 두 가지 특징을 동시에 이용하는 CC2 등급의 압축형 충격흡수시설을 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 개발하였다. 고비용의 실물차량 충돌실험을 최소화 하도록 신뢰성 있는 예비설계를 수행하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 성능평가 하였다. 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 이용하여 산정한 탑승자 안전지수는 “지침”의 기준을 모두 만족하였고 충분한 안전율을 가지고 있어 실물차량 충돌시험을 최소화 시킬 수 있다고 판단된다.
실험은 W-형 단면 보와 Thrie-형 단면 보에 대하여 각각 토크를 5kgf·m, 8kgf·m, 10kgf·m로 변화시키며 수행하였다.

대상 데이터

이러한 이유는 충돌시 감가속도를 최대 20 g로 일정하게 유지시키면서 차량을 정지시키도록 하는 충격흡수 메커니즘을 구현하기가 매우 어렵기 때문이다. 제시된 예비설계 모델은 5개의 모듈로 구성되어있고 각 모듈은 프레임, 추가질량(50 kg), 2개의 W-형 보, 2개의 Thrie-형 보로 구성되어있다. 예비설계 모델의 총길이는 4.
제시된 예비설계 모델은 5개의 모듈로 구성되어있고 각 모듈은 프레임, 추가질량(50 kg), 2개의 W-형 보, 2개의 Thrie-형 보로 구성되어있다. 예비설계 모델의 총길이는 4.2 m이며 후면 지지판을 가지고 있다. 프레임 하단에는 레일을 설치하여 정면 충돌시 프레임이 순차적으로 접히도록 하였다.
토크변화에 따른 Slip Force의 변화를 알아보기 위해 그림 7과 같이 UTM을 이용한 정적 압축 실험을 실시하였다. W-형 단면 부재에는 고장력 볼트 2개(1set)를 사용하였고 Thrie-형 단면 부재에는 4개(2set)를 사용하였다. 실험은 W-형 단면 보와 Thrie-형 단면 보에 대하여 각각 토크를 5kgf·m, 8kgf·m, 10kgf·m로 변화시키며 수행하였다.

이론/모형

비관성 에너지 소산 방법으로 중첩된 보의 마찰력을 이용하였다. 그림 2의 고장력 볼트에 토크를 가하면 볼트에 인장력이 발생하고 인장력에 의해 중첩된 보 사이에는 압축력이 발생하게 된다.
볼트에 발생하는 인장력은 Spring 요소를 사용하여 모델 하였고, W형-보와 Thrie형-보는 Shell요소, 볼트와 너트 그리고 프레임은 Solid요소로 모델 하였다. 충돌차량의 경우 국산 차량에 대해 검증된 FEM 모델이 극히 제한되어 있고 차량모델의 개발에 소요되는 비용이 대단히 크기 때문에 NCAC (National Crash Analysis Center)에서 개발한 Ford Taurus 차량모델(NCAC, 2000)을 사용하였다.

성능/효과

컴퓨터 시뮬레이션 결과를 이용하여 산정한 탑승자 안전지수는 “지침”의 기준을 모두 만족하였고 충분한 안전율을 가지고 있어 실물차량 충돌시험을 최소화 시킬 수 있다고 판단된다.
예비설계 모델에 대하여 “지침”의 CC2 등급에 대한 6가지 충돌조건을 적용한 시뮬레이션 결과가 표 8에 나타나 있다. 모든 충돌조건에 대하여 예비설계모델이 안전성능 기준을 만족하였으며 충분한 안전율을 갖고 있는 것으로 나타났다. 따라서 앞 절에서 언급한 관성에너지와 마찰에너지를 고려한 예비설계 방법이 적절하였음을 알 수 있다.

후속연구

“지침”의 성능등급 CC2와 CC3급에 적용할 수 있는 관성과 마찰 에너지를 이용한 충격흡수시설의 모듈별 질량, 토크, 모듈 수를 표 9에 제시하였다. CC2와 CC3등급의 마찰과 관성에너지를 이용하는 충격흡수시설의 개발에 표 9가 실물차량 충돌실험의 횟수를 줄이게 하는 예비설계의 지침으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
컴퓨터 시뮬레이션 결과를 이용하여 산정한 탑승자 안전지수는 “지침”의 기준을 모두 만족하였고 충분한 안전율을 가지고 있어 실물차량 충돌시험을 최소화 시킬 수 있다고 판단된다. 또한, 마찰과 관성 에너지를 이용하는 CC2와 CC3등급의 충격흡수시설에 대한 예비설계 지침은 충격흡수시설에 대한 설계방법이 정형화 되어있지 않은 현 시점에서 소요 성능등급에 부합하는 충격흡수시설의 개발에 기초자료로 유용하게 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	충격흡수시설이란 어떤 보호시설을 말하는가?	충격흡수시설은 운전자의 과실, 돌발상황 등에 의하여 주행 차로를 벗어난 차량이 도로상의 고정된 구조물과의 직접적인 충돌을 방지하기 위한 보호시설이다. 충격흡수시설은 주로 터널 및 지하차도 입구, 교각, 분기점 및 요금소 전면 등에 설치된다.
	충격흡수시설은 주로 어디에 설치되는가?	충격흡수시설은 운전자의 과실, 돌발상황 등에 의하여 주행 차로를 벗어난 차량이 도로상의 고정된 구조물과의 직접적인 충돌을 방지하기 위한 보호시설이다. 충격흡수시설은 주로 터널 및 지하차도 입구, 교각, 분기점 및 요금소 전면 등에 설치된다. 이러한 충격흡수시설이 갖추어야할 주요 기능으로는 ①정면 충돌시 충돌에너지를 충분히 흡수하여 차량이 위험지역으로 진입하는 것을 방지하기 위한 소요강성 확보, ②충돌 이후 점진적인 속도감소를 유도하여 탑승자의 안전 확보, ③측면 충돌시 차량의 궤적을 부드럽게 선회시켜 다른 차량과의 2차적인 사고방지가 있다.
	충돌을 방지하기 위한 보호시설인 충격흡수시설이 갖추어야할 주요 기능에는 무엇이 있는가?	충격흡수시설은 주로 터널 및 지하차도 입구, 교각, 분기점 및 요금소 전면 등에 설치된다. 이러한 충격흡수시설이 갖추어야할 주요 기능으로는 ①정면 충돌시 충돌에너지를 충분히 흡수하여 차량이 위험지역으로 진입하는 것을 방지하기 위한 소요강성 확보, ②충돌 이후 점진적인 속도감소를 유도하여 탑승자의 안전 확보, ③측면 충돌시 차량의 궤적을 부드럽게 선회시켜 다른 차량과의 2차적인 사고방지가 있다. 첫 번째 기능을 만족하게 하기 위해서 충격흡수시설의 강성을 증진시키면 두 번째 기능인 탑승자 안전확보에 부정적인 영향을 미치게 된다.

참고문헌 (10)

건설교통부 (2001) 도로안전시설 설치 및 관리지침 -차량방호 안전시설 편-
양수근 (2009) 탑승자 안전을 고려한 충격흡수시설, 석사학위논문, 공주대학교
American Institute of Steel Construction (1994) Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts. AISC
Carney, J. F. III, Faramawi, M. I., and Chatterjee, S. (2007) Development of Reusable High-Molecular-Weight-high -Density Polyethylene Crash Cushions. Transportation Research Record 1528
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Hallquist J. O. (1998) LS-DYNA theoretical manual, Livermore Software Technol ogy Corporation
Miller, P., Carney, J. F III (1997) Computer Simulations of Roadside Crash Cushion Impacts, Journal of Transportation Engineering

상세보기
National Crash Analysis Center (2000) NCAC Public Finite Element Model Archive, NCAC
Olsson, H. and $\AA$ str $\ddot{o}$ m, K. J. (1996) Observer-based Friction Compensation, 35th IEEE Conference, Kobe, Japan
Ross, H. E., Sicking, D. L, and Zimmer, R. A. (1993) Recommended Procedures for the Safety Performance Evaluation of Highway Features, NCHRP Report 350, TRB

저자의 다른 논문 :

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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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