[논문]자동차 도어의 충돌 시 파손에 대한 안전성 연구

조재웅; 민병상; 김기선

doi:10.5762/kais.2010.11.12.4677

자동차 도어의 충돌 시 파손에 대한 안전성 연구
Study of Safety on Damage of Automotive Door at Impact 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.11 no.12, 2010년, pp.4677 - 4684

조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부) , 민병상 (공주대학교 대학원 기계공학과) , 김기선 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 연구에서는 자동차 도어에 대한 충격을 흡수하기 위한 차체의 해석을 함으로서 승차자의 안전을 조사할 수 있었다. 차체의 충돌이나 운전자의 부주의로 인한 주차 사고 때문에 자동차 도어의 손상이 일어난다. 이러한 도어는 CATIA 프로그램으로 모델링하였고, ANSYS 프로그램을 통하여 충돌에 의한 도어 모델의 파손과정을 해석하고 조사하였다. 등가응력과 변형율의 등고선들을 구하였고 충돌 하에서 도어가 어떻게 파손이 일어나는지를 확인하였다. 본 연구 결과로서 충돌안전을 고려한 도어 설계에 기여 할 것이라 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the safety of passenger could be investigated by the analysis of car body to absorb he shock onto automotive door. The damage at door happens because of the collision of automotive door or parking accident due to the carelessness of driver. This door was modelled by CATIA program. The damage process of this model by impact was analyzed and investigated through ANSYS program. The contours of equivalent stress and strain were obtained. It can be known how damage of door becomes under impact and this study result can be thought to contribute for the design of door considering impact safety.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

또한 이러한 해석 결과를 토대로 하여 차체 자체의 손상과 변형을 최대한 줄여서 차체의 변형에 대한 저항을 최대한 조성함으로서 운전자나 승차자의 안전을 도모할 수가 있다[1-5]. 본 연구에서는 자동차 도어의 충돌 시나 주차시 운전부주의로 인한 충돌 하에서 도어가 어떻게 파손이 일어나는지를 확인하고, 승차자의 안전이 어느 정도 예상될 수 있는가가 주된 목적이다. 이에 따라 차체의 응력과 차체가 승차자에 직접 미치는 정면 방향으로의 변형량을 고찰하였다.
본 연구에서는 자동차 도어의 측면 충돌 시나 주차 시 운전부주의로 인한 충돌 하에서 도어가 어떻게 파손이 일어나는지를 확인하고, 승차자의 안전을 예상할 수 있었다. 이러한 해석 결과들을 도출하여 얻은 주요 결론들은 다음과 같다.

제안 방법

이에 따라 차체의 응력과 차체가 승차자에 직접 미치는 정면 방향으로의 변형량을 고찰하였다. CATIA에 의하여 자동차 도어를 모델링 하였으며, 이를 통하여 여러 가지 형태의 충돌에 대한 자동차 도어의 파손 과정을 ANSYS 프로그램을 사용하여 충돌 해석을 수행하고 그 결과를 비교 검토하였다[6-9].
그림 4는 모델의 구속및 속도 조건들을 나타낸 그림이다. 도어의 양쪽 끝부분을 고정시켰으며, 실린더 충돌체 3가지와 육면체 충돌 2가지를 표 2와 같이 속도조건을 부여하여 충돌시키도록 하였다. 그림 4에 표시한 바와 같이 X 방향은 차체의 정면 방향이고, Y 방향은 차체의 측면 방향이다.
모델의 재료 특성은 각각 표 1로 나타냈다. 도어의 재질은 강으로 했으며 실린더 모양의 충돌체는 콘크리트로 하였고, 육면체 모양의 충돌체는 강으로 하였다[10,11].
이러한 속도 조건들을 가한 이유로는 육면체 충돌은 주행 중 전봇대에 충돌하거나 장애물에 충돌시를 가정하여 한 것이고, 층계 충돌의 경우는 주행 중 다른 차와 서로 충돌시에 그 도어의 안전성을 본 것이다. 이 충돌 속도를 가한 것은 운전자가 어느 정도 충돌을 감지하여 충돌이 된 것으로서 그 속도를 단계적으로 10 km/h부터 60 km/hr까지 단계적으로 속도를 주어 해석을 하였다. 그리고 해석 시 경과시간은 실린더 충돌의 경우는 20 ms까지 해석하였으며, 육면체 충돌의 경우는 변형이 많이 일어나므로 10 ms까지 하였다.
본 연구에서는 자동차 도어의 충돌 시나 주차시 운전부주의로 인한 충돌 하에서 도어가 어떻게 파손이 일어나는지를 확인하고, 승차자의 안전이 어느 정도 예상될 수 있는가가 주된 목적이다. 이에 따라 차체의 응력과 차체가 승차자에 직접 미치는 정면 방향으로의 변형량을 고찰하였다. CATIA에 의하여 자동차 도어를 모델링 하였으며, 이를 통하여 여러 가지 형태의 충돌에 대한 자동차 도어의 파손 과정을 ANSYS 프로그램을 사용하여 충돌 해석을 수행하고 그 결과를 비교 검토하였다[6-9].

대상 데이터

본 연구의 연구모델은 그림 1, 2와 같이 자동차의 운전자쪽 도어와 충돌체로 구성되어 있다. 그림 1의 충돌체는 전신주를 간편화 시킨 실린더 모양으로 하였고, 그림 2는 충돌하는 자동차 차체를 육면체모양으로 간편화시켰다.
그림 3은 모델을 해석하기 위해 유한요소모델로 나눈 그림으로서 요소는 테트라 요소와 헥사 요소를 섞어서 구성하였다. 실린더 구조물의 충돌의 경우는 그림 1의 경우로서 절점은 11818개, 요소는 25620개로 구성하였으며, 육면체충돌의 경우는 그림 2의 경우로서 절점은 14888개, 요소는 30426개로 구성하였다. 모델의 재료 특성은 각각 표 1로 나타냈다.

성능/효과

1) 육면체 충돌의 경우들인 D 및 E의 평균응력이 실린더 충돌의 경우들인 A에서 C타입과 비교하여 보면, 약 70MPa이 더 커서 12% 이상 차이가 나타났다
2) 전반적으로 X 방향의 속도가 증가함에 따라 상승하는 경향을 보이고 있다. B 타입과 C 타입에서 보면 Y 방향의 속도에는 무관하게 거의 그 변형량이 같게 나옴을 알 수 있었다.
3) 전반적으로 X 방향의 속도가 증가함에 따라 상승하는 경향을 보이고 있다. 다만 A타입의 변형률이 B와 C보다 1/4 정도 낮게 나타났다.
그림 6은 각 타입에서의 경과시간에 대한 응력들을 비교한 그래프이다. A에서 C의 경향은 비슷했으며 다만 B타입의 평균 응력이 50에서 60MPa정도 작게 나타났고, D 및 E 응력도 비슷한 경향을 보였다. 육면체 충돌의 경우들인 D 및 E의 평균응력이 실린더 충돌의 경우들인 A에서 C타입과 비교하여 보면, 약 70MPa이 더 커서 12% 이상 차이가 나타났다
그림 9는 각 타입의 변형률에 대한 등고선 그림들이다. A타입의 최고 변형률은 0.011s에서 0.2506으로 나타났고, B타입의 최고 변형률은 0.015s에서 0.9356으로 나타났고, C타입의 최고 변형률은 0.014s에서 0.9206으로 나타났고, D타입의 최고 변형률은 0.010s에서 1.411로 나타났으며, E타입의 최고 변형률은 0.0075s에서 1.445로 나타났다. 그림 10은 각 타입에 대하여 경과 시간에 대한 변형율들을 비교한 그래프이다.
그림 5는 각 타입에 대한 응력의 등고선 그림들이다. A타입의 최고 응력은 0.007s에서 609MPa로 나타났고, 평균 응력은 553MPa로 나타났다. B타입의 최고응력은 0.
8mm로 나타났다. C타입의 변형량 역시 증가하는 경향을 보였고, 최대 변형량은 20ms에서 105mm로 나타났다. D타입의 변형량 역시 변형이 증가하는 경향을 보였고 최고 변형은 10ms에서 124.
019s 에서 553MPa로 나타났고, 평균응력은 499MPa로 나타났다. C타입의 최고 응력은 0.011s에서 608MPa로 나타났고, 평균 응력은 562MPa로 나타났다. D타입의 최고 응력은 0.
011s에서 608MPa로 나타났고, 평균 응력은 562MPa로 나타났다. D타입의 최고 응력은 0.008s에서 685MPa로 나타났으며, 평균응력은 590MPa로 나타났다. E타입의 최고응력은 0.
전반적으로 X 방향의 속도가 증가함에 따라 상승하는 경향을 보이고 있다. 다만 A타입의 변형률이 B와 C보다 1/4 정도 낮게 나타났으며, D 및 E변형률들은 상승하는 경향을 보였다.
A에서 C의 경향은 비슷했으며 다만 B타입의 평균 응력이 50에서 60MPa정도 작게 나타났고, D 및 E 응력도 비슷한 경향을 보였다. 육면체 충돌의 경우들인 D 및 E의 평균응력이 실린더 충돌의 경우들인 A에서 C타입과 비교하여 보면, 약 70MPa이 더 커서 12% 이상 차이가 나타났다
그림 8은 각 타입의 변형량들을 경과시간에 대하여 비교한 그래프이다. 전반적으로 X 방향의 속도가 증가함에 따라 상승하는 그래프를 보이고 있으며, A타입은 20ms에서 61.28, B 타입은 20ms에서 109.8mm, C타입은 20ms에서 105mm, D타입은 10ms에서 124.9mm로 나타났으며, B 타입과 C 타입에서 보면 Y 방향의 속도에는 무관하게 거의 그 변형량이 같게 나옴을 알 수 있었다.

후속연구

4) 이와 같은 결과를 차체의 주요 부분인 도어의 초기 설계단계에 적용한다면, 충돌안전을 고려한 설계에 기여 할 것이라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	D타입의 최고 응력과 평균응력은 얼마인가?	011s에서 608MPa로 나타났고, 평균 응력은 562MPa로 나타났다. D타입의 최고 응력은 0.008s에서 685MPa로 나타났으며, 평균응력은 590MPa로 나타났다. E타입의 최고응력은 0.
	여러 속도조건을 부여하여 충돌 실험을 진행한 이유는 무엇인가?	D타입의 속도는 차체의 정면 방향으로 45Km/h 조건이고, E타입의 속도는 60Km/h의 조건을 주었다[11]. 이러한 속도 조건들을 가한 이유로는 육면체 충돌은 주행 중 전봇대에 충돌하거나 장애물에 충돌시를 가정하여 한 것이고, 층계 충돌의 경우는 주행 중 다른 차와 서로 충돌시에 그 도어의 안전성을 본 것이다. 이 충돌 속도를 가한 것은 운전자가 어느 정도 충돌을 감지하여 충돌이 된 것으로서 그 속도를 단계적으로 10 km/h부터 60 km/hr까지 단계적으로 속도를 주어 해석을 하였다.
	신제품 차량이 나올 때마다 매번 충돌 실험 및 내구성 테스트를 하면 경제적으로 비효율적인 면이 있기에 찾은 대안은 무엇인가?	그러나 신제품 차량이 나올 때마다 매번 충돌 실험 및 내구성 테스트를 하면 시간 소모와 제작 비용이 많이 들고 여러 가지 경제적인 개발을 하기가 힘든 면이 있다. 따라서 컴퓨터 시뮬레이션 해석을 차체 충돌에 적용함으로서, 충돌시 발생하는 여러 가지 요인과 환경 조건을 만들어서 그 응력 및 변형 등을 해석하여 검토할 수 있다. 또한 이러한 해석 결과를 토대로 하여 차체 자체의 손상과 변형을 최대한 줄여서 차체의 변형에 대한 저항을 최대한 조성함으로서 운전자나 승차자의 안전을 도모할 수가 있다[1-5]. 본 연구에서는 자동차 도어의 충돌 시나 주차시 운전부주의로 인한 충돌 하에서 도어가 어떻게 파손이 일어나는지를 확인하고, 승차자의 안전이 어느 정도 예상될 수 있는가가 주된 목적이다.

참고문헌 (11)

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원문보기 상세보기
김병삼, "자동차 충돌안전과 등급," 대한기계학회 기계저널, 제44권, 제8호, pp. 15-17, 2004.
김영기, 허용정, "차량 충돌 시험 및 인체 상해 기준 지원 시스템 연구," 한국산학기술학회 2005년도 춘계 학술발표논문집, pp. 48-50, 2005.
CATIA V5R18, 다쏘시스템, 프랑스, 2007.
Swanson, J.," Ansys 11.0," Ansys Inc., 2008.

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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