An airbag is composed of housing assembly, door assembly, cushion assembly, and an inflator. The inflator is the essential part that generates gas for airbag. When an airbag is activated, it effectively absorbs the crash energy of the passenger by inflating a cushion. In this study, tank tests were ...
An airbag is composed of housing assembly, door assembly, cushion assembly, and an inflator. The inflator is the essential part that generates gas for airbag. When an airbag is activated, it effectively absorbs the crash energy of the passenger by inflating a cushion. In this study, tank tests were performed with newly synthesized propellants with various compositions, and the results are compared with the numerical results. In the simulation of inflator, a zonal model has been adopted which consisted of four zones of flow regions: combustion chamber, filter, gas plenum, and discharge tank. Each zone was described by the conservation equations with specified constitutive relations for gas. The pressure and temperature of each zone of the inflator were calculated and analyzed and the results were compared with the tank test data. In the zone of discharge tank the pressure quickly rose, the pattern of pressure curve was very similar to the pressure curve of real test. And in zone 1 & 2 & 3 the mass of products was increased and decreased with time. In zone 4, the mass of products was increased with time like real inflator. From the similarity of pressure curve in zone 4 and closed bomb calculation the modeled results are well correlated with the experimental values.
An airbag is composed of housing assembly, door assembly, cushion assembly, and an inflator. The inflator is the essential part that generates gas for airbag. When an airbag is activated, it effectively absorbs the crash energy of the passenger by inflating a cushion. In this study, tank tests were performed with newly synthesized propellants with various compositions, and the results are compared with the numerical results. In the simulation of inflator, a zonal model has been adopted which consisted of four zones of flow regions: combustion chamber, filter, gas plenum, and discharge tank. Each zone was described by the conservation equations with specified constitutive relations for gas. The pressure and temperature of each zone of the inflator were calculated and analyzed and the results were compared with the tank test data. In the zone of discharge tank the pressure quickly rose, the pattern of pressure curve was very similar to the pressure curve of real test. And in zone 1 & 2 & 3 the mass of products was increased and decreased with time. In zone 4, the mass of products was increased with time like real inflator. From the similarity of pressure curve in zone 4 and closed bomb calculation the modeled results are well correlated with the experimental values.
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문제 정의
작동원리에서 보다시피 에어백의 구성 장치 중에 하나인 인플레이터는 승객의 충돌에너지를 빠르게 흡수할 수 있도록 가스를 급격히 분출시키는 중요한 부품이다. 다양한 충돌 모드 조건, 다양한 체형의 승객 보호가 이루어 질수 있도록 차량 안전 연구가 활발히 이루어지고 있는 상황에서 본 논문은 차량 안전, 특히 에어백에 대한 연구 활동에 적용되는 인플레이터의 특성에 영향을 미치는 추진제에 대하여 연구하고자 한다. 추진제의 연소특성 파악을 위하여 클로즈드 밤 실험을 실시하고 그에 대한 해석 모델을 구축하고자 한다.
추진제의 연소특성 파악을 위하여 클로즈드 밤 실험을 실시하고 그에 대한 해석 모델을 구축하고자 한다. 또한 인플레이터에 대한 간략 화된 해석 모델을 구축하고자 한다. 현재 인플레이터에서 시간에 따라 분출되는 가스 특성들인 압력, 온도 값들이 입력 값들로 쓰여서 Fig.
에어백의 구조해석으로는 에어백이 전개할 시 수납하는 하우징의 강건성을 살펴보고 있으며, 또한 여러 충돌모드에서 승객의 상해치가 얼마나 되는지에 대하여서도 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 이러한 기본 연구와 달리 인플레이터 자체의 해석 모델을 구축하는데 중점을 두었다.
본 논문에서는 인플레이터의 각 구간별 가스흐름, 탱크로의 가스흐름까지 묘사하도록 하였다.
본 논문에서는 추진제의 조성비들을 변경하여 각각의 조건들에 대하여 클로즈드 밤 실험을 실시하여 각 조성물 인자들에 대한 최대 압력과 압력 상승에 대한 영향도를 파악해 보았다. 이러한 인자들을 조절하여 개발자가 목표로 하는 추진제의 성능을 구현할 수 있도록 영향도 파악을 실시하여 추진제의 특성을 제어할 수 있게 하였다.
다양한 충돌 모드 조건, 다양한 체형의 승객 보호가 이루어 질수 있도록 차량 안전 연구가 활발히 이루어지고 있는 상황에서 본 논문은 차량 안전, 특히 에어백에 대한 연구 활동에 적용되는 인플레이터의 특성에 영향을 미치는 추진제에 대하여 연구하고자 한다. 추진제의 연소특성 파악을 위하여 클로즈드 밤 실험을 실시하고 그에 대한 해석 모델을 구축하고자 한다. 또한 인플레이터에 대한 간략 화된 해석 모델을 구축하고자 한다.
또한 인플레이터에 대한 간략 화된 해석 모델을 구축하고자 한다. 현재 인플레이터에서 시간에 따라 분출되는 가스 특성들인 압력, 온도 값들이 입력 값들로 쓰여서 Fig. 1의 에어백 자체의 구조 해석이나 Fig. 2의 여러 충돌 모드에서의 승객 상해치 예측을 수행하고 있으며 그에 대한 기본 적인 연구를 본 논문에서 수행하고자 한다. 에어백의 구조해석으로는 에어백이 전개할 시 수납하는 하우징의 강건성을 살펴보고 있으며, 또한 여러 충돌모드에서 승객의 상해치가 얼마나 되는지에 대하여서도 연구가 진행되고 있다.
가설 설정
③ 가스 상태와 응축상태의 물질들은 온도에 따라 비열비가 변한다.1,2)
여기서 N은 고체 추진제의 전체 개수이고 ρr은 고체 추진제의 밀도, Ar(t)은 추진제의 시간에 따른 면적 함수이다. 본 모델에서는 고체 추진제의 형상이 실린더 형상으로 되어 있고 모든 면에서 동시에 연소가 된다고 가정하여 함수를 적용하였다. 또한 추진제 면적함수는 추진제 자체 실험인 클로즈드 밤 실험의 결과와 비교하여 보정과 유효성 검토를 필요로 한다.
제안 방법
3가지 인자별 적용 조건은 Table 4에 나와 있으며 각 실험 조건별로 시료를 제작 후 3회씩 총 24번의 실험을 진행하였다. 3번씩의 실험 데이터를 평균하여 나타난 결과를 Fig.
각 구간별로 흐르는 가스 상태 및 응축 상태의 물질들에 대한 질량 흐름식은 복잡한 인플레이터 형상의 영향도를 배제하고 가스 역학의 기본 방정식들을 적용하였다.5)
구간 1인 연소 챔버를 앞에서 실시한 클로즈드 밤 실험에 적용하기 위하여 부피를 193CC로 변경하고 또한 적용되는 추진제의 조성을 이전 실험을 했던 D type 추진제의 조성과 유사하게 적용하여 해석을 진행하였으며 조성과 질량비는 Table 8에 기재하였다. 여기서 조성물들 중 질량 비율이 미미한 성분은 배제를 하였으며 그 결과를 실제 실험한 결과인 조건 1의 결과 값과 비교하였다.
그리고 구축한 인플레이터 해석 모델을 이용하여 구간 1만으로 해석 모델을 구성, 보완하여 이전에 실시한 클로즈드 밤 실험을 묘사하는 해석 모델을 구축하였고 실제 실험 결과와 해석 결과를 비교하여 보았다. 인플레이터 해석 모델과 클로즈드 밤 실험을 묘사하는 해석모델은 실제 실험 치와 유사한 경향과 결과를 나타내었으며 차후 추진제의 조성 변경에 따른 인플레이터의 성능을 예측할 수 있도록 해석 모델 구축을 하게 되었다.
그리고 에너지 보존식은 가스 상태 물질과 응축 상태 물질별로 나누고 가스 상태의 물질들은 동일한 온도Tg,j를 가지고, 응축 상태의 물질들은 동일한 온도Tc,j를 가지는 것으로 보고 보존식을 세운다. 가스 상태 물질들의 에너지 보존식은 하기와 같다.
그리고 인플레이터를 4개의 구간으로 나누고 각 구간별로 질량과 에너지 보존식들을 적용, 각 지배방정식을 연계시키기 위한 연관관계식들을 적용하여 해석 모델을 구축하였다. 그리고 연계된 1차 미분 방정식들을 matlab R200b 솔버로 시간에 따른 결과들을 구하였다. 각 구간마다의 물질별 질량 비율, 압력과 온도의 증감 비율들을 통하여 인플레이터 내부에서의 가스 및 응축상태 물질들의 흐름 상태를 파악할 수 있었다.
이러한 인자들을 조절하여 개발자가 목표로 하는 추진제의 성능을 구현할 수 있도록 영향도 파악을 실시하여 추진제의 특성을 제어할 수 있게 하였다. 그리고 인플레이터를 4개의 구간으로 나누고 각 구간별로 질량과 에너지 보존식들을 적용, 각 지배방정식을 연계시키기 위한 연관관계식들을 적용하여 해석 모델을 구축하였다. 그리고 연계된 1차 미분 방정식들을 matlab R200b 솔버로 시간에 따른 결과들을 구하였다.
그리하여 본 실험 진행에 있어 연소 속도가 빠르고 또한 최대 압력 값도 높은 A type의 추진제를 목표 성능으로 두고 D type의 추진제의 조성비들을 변경하여 실험을 진행하였다.
앞에서 보인 실제 실험 결과 값들과 해석 값들의 비교에서 보다시피, 인플레이터의 경우는 실제 인플레이터의 압력 곡선과 유사한 경향의 압력 곡선을 나타내도록 본 해석 모델을 구성하였고 또한 이전에 실시한 클로즈드 밤 실험과 같이 해석 모델을 구간1로 재구성하여 실시한 결과에서도 유사한 결과와 경향을 보여 주고 있다. 따라서 본 해석 모델을 실제 다른 추진제의 성분들과 조성에도 적용하여 클로즈드 밤 실험을 통하여 나올 수 있는 추진제의 연소특성들을 예상할 수 있고 이러한 추진제의 변경 사항들을 인플레이터에 적용을 하여 최종적으로 나오는 인플레이터의 가스의 온도와 압력을 예측할 수 있도록 하였다.
여기서 Guanidine Nitrate는 연료의 역할을 하고 첨가제를 제외한 나머지 성분들은 산화제의 역할을 하고 있다. 따라서 연소 속도에 영향을 미칠 수 있는 산화제인 Ammonium Perchlorate, Sodium Nitrate의 성분비를 조정하고 Basic Cupric Nitrate의 입도를 변경하여 압력 상승 비율들을 조정할 수 있도록 시료들을 제작 실험을 실시하였다.
여기서 조성물들 중 질량 비율이 미미한 성분은 배제를 하였으며 그 결과를 실제 실험한 결과인 조건 1의 결과 값과 비교하였다. 또한 이전 인플레이터의 구간 1의 조건이 아닌 클로즈드 밤 실험에 적용하기 위하여 시간에 따른 면적 함수인 Ar(t)의 계수들을 조정하여 실시하였다. Fig.
본 논문에서는 Fig. 6에 보이는 클로즈드 밤 테스터기를 이용하여 여러 가지 조성비를 가진 고체 추진제의 연소 실험들을 실시하였다. 실험에 쓰인 테스터기는 193CC 용량짜리를 사용하였으며 추진제를 연소 시키면서 시간에 따른 압력 데이터를 측정할 수 있다.
상기 가정들은 바탕으로 각 구간별 물질별 질량 보존식, 에너지 보존식들을 구하고 각 보존식들을 연관 관계식들로 연계 시켜 해석 모델을 구성한다.
본 논문에서는 추진제의 조성비들을 변경하여 각각의 조건들에 대하여 클로즈드 밤 실험을 실시하여 각 조성물 인자들에 대한 최대 압력과 압력 상승에 대한 영향도를 파악해 보았다. 이러한 인자들을 조절하여 개발자가 목표로 하는 추진제의 성능을 구현할 수 있도록 영향도 파악을 실시하여 추진제의 특성을 제어할 수 있게 하였다. 그리고 인플레이터를 4개의 구간으로 나누고 각 구간별로 질량과 에너지 보존식들을 적용, 각 지배방정식을 연계시키기 위한 연관관계식들을 적용하여 해석 모델을 구축하였다.
그리고 구축한 인플레이터 해석 모델을 이용하여 구간 1만으로 해석 모델을 구성, 보완하여 이전에 실시한 클로즈드 밤 실험을 묘사하는 해석 모델을 구축하였고 실제 실험 결과와 해석 결과를 비교하여 보았다. 인플레이터 해석 모델과 클로즈드 밤 실험을 묘사하는 해석모델은 실제 실험 치와 유사한 경향과 결과를 나타내었으며 차후 추진제의 조성 변경에 따른 인플레이터의 성능을 예측할 수 있도록 해석 모델 구축을 하게 되었다.
초기에 인자들로 잡았던 3가지 변수들에 대하여 최대 압력과 A.Q.에 대한 영향도를 파악하고자 각 인자들의 수준에 대하여 평균값들을 구하여 주효과도를 구해 보았다.
현재 여러 회사에서 쓰이고 있는 추진제들의 연소특성을 파악하기 위하여 클로즈드 밤 테스터기로 3개 회사의 추진제의 연소 실험을 실시하였다.
대상 데이터
6에 보이는 클로즈드 밤 테스터기를 이용하여 여러 가지 조성비를 가진 고체 추진제의 연소 실험들을 실시하였다. 실험에 쓰인 테스터기는 193CC 용량짜리를 사용하였으며 추진제를 연소 시키면서 시간에 따른 압력 데이터를 측정할 수 있다. 실험 과정에 대하여 간략히 묘사하면 10g의 추진제와 2g의 이니시에이터를 테스터기에 삽입 후 이니시에이터에 전기 신호를 보내어 연소 시키면서 연소 과정 중의 압력 데이터를 압력 측정 센서에서 측정하여 컴퓨터에 데이터를 저장하게 된다.
데이터처리
구간 1인 연소 챔버를 앞에서 실시한 클로즈드 밤 실험에 적용하기 위하여 부피를 193CC로 변경하고 또한 적용되는 추진제의 조성을 이전 실험을 했던 D type 추진제의 조성과 유사하게 적용하여 해석을 진행하였으며 조성과 질량비는 Table 8에 기재하였다. 여기서 조성물들 중 질량 비율이 미미한 성분은 배제를 하였으며 그 결과를 실제 실험한 결과인 조건 1의 결과 값과 비교하였다. 또한 이전 인플레이터의 구간 1의 조건이 아닌 클로즈드 밤 실험에 적용하기 위하여 시간에 따른 면적 함수인 Ar(t)의 계수들을 조정하여 실시하였다.
이론/모형
)과 비율들은 Table 6에 나타내었다. 그리고 보존 방정식들과 연관 관계식들인 1차 미분방정식을 matlab R2006b를 이용하여 풀었다. 그리고 에너지 식들에 적용된 Qg,j항들은 이번 해석에서는 배제 후 실시하였다.
성능/효과
그리고 연계된 1차 미분 방정식들을 matlab R200b 솔버로 시간에 따른 결과들을 구하였다. 각 구간마다의 물질별 질량 비율, 압력과 온도의 증감 비율들을 통하여 인플레이터 내부에서의 가스 및 응축상태 물질들의 흐름 상태를 파악할 수 있었다. 앞의 결과 그래프들에서 알 수 있듯이 구간 1인 연소 챔버에서는 온도와 압력이 급격하게 증가하여 짧은 시간 내에 추진제가 연소가 되게 하여 인플레이터 외부로 가스가 유출된다(구간 4 탱크로의 급격한 가스 유출).
결과에서 나타났듯이 추진제의 연소 반응이 일어나서 시간에 따라 반응물들이 감소되고 생성물들이 증가됨을 알 수 있다. 72ms시 추진제의 연소가 완료되고 반응물들이 완전히 사라지게 된다.
값은 최대 압력 값에 대비하여 25%에서 75% 사이 값들의 기울기를 나타낸 값이다. 나타난 결과들에서 살펴보면 구현하기로 하였던 A type의 추진제와 유사한 결과 값을 나타내는 조건은 조건 1임을 알 수 있다. 최대압력 값과 A.
본 인플레이터의 해석 모델을 이용하여 현재 에어백의 해석 모델에 적용하여 실제 사고시의 승객의 상해치를 알 수 있는데 도움을 줄 수 있다. 즉, 에어백의 해석 모델에 적용되는 인플레이터의 압력, 시간 값을 인플레이터 해석 모델을 적용하여 해석을 진행할 수 있다.
나타난 결과들에서 살펴보면 구현하기로 하였던 A type의 추진제와 유사한 결과 값을 나타내는 조건은 조건 1임을 알 수 있다. 최대압력 값과 A.Q.값들을 고려하여 볼 때 조건 1이 압력 상승 값과 최대 압력이 A type과 거의 유사함을 알 수 있었다.
후속연구
본 모델에서는 고체 추진제의 형상이 실린더 형상으로 되어 있고 모든 면에서 동시에 연소가 된다고 가정하여 함수를 적용하였다. 또한 추진제 면적함수는 추진제 자체 실험인 클로즈드 밤 실험의 결과와 비교하여 보정과 유효성 검토를 필요로 한다. rr은 추진제의 리그레이션 비율로 하기와 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
에어백의 역할은 무엇인가?
현재 자동차에 대한 관심이 높아지고 있고 특히 차량 안전에 대한 소비자들의 요구가 점점 늘어나고 있다. 대표적인 차량 안전장치 중에 하나인 에어백은 차량 충돌 시 승객의 충돌 에너지를 흡수하여 보호하는 역할을 하고 있다. 이러한 에어백의 구성 장치로는 차량 충돌 시 승객과 접촉하여 에너지를 흡수하는 쿠션, 쿠션을 수납하는 하우징 어셈블리와 도어 어셈블리, 쿠션을 부풀게 하는 가스 발생장치인 인플레이터로 구성되어 있다.
인플레이터 해석 모델을 위한 기본적인 가정을 설명하시오
① 각 구간들마다 가스 상태의 물질과 응축상태의(고체 혹은 액체) 물질들은 잘 섞여 있고 가스 상태의 물질은 이상기체로, 응축상태의 물질은 비압축성으로 간주한다.
② 필터는 가스 상태의 물질을 포집하지 못하며 응축상태의 물질만 포집되고 그 비율은 유출되는 응축상태의 물질들의 비율과 동일하다.
③ 가스 상태와 응축상태의 물질들은 온도에 따라 비열비가 변한다.1,2)
④ 추진제가 연소되는 화학 반응은 연소 챔버 내에서만 이루어지는 것으로 간주한다.
에어백은 어떻게 구성되는가?
대표적인 차량 안전장치 중에 하나인 에어백은 차량 충돌 시 승객의 충돌 에너지를 흡수하여 보호하는 역할을 하고 있다. 이러한 에어백의 구성 장치로는 차량 충돌 시 승객과 접촉하여 에너지를 흡수하는 쿠션, 쿠션을 수납하는 하우징 어셈블리와 도어 어셈블리, 쿠션을 부풀게 하는 가스 발생장치인 인플레이터로 구성되어 있다. 중요한 안전부품인 에어백의 작동원리는, 차량 충돌 시 센서가 충돌 신호를 감지한 후 에어백 컨트롤 유닛으로 신호를 보낸 후, 에어백으로 다시 전기 신호를 보낸다.
참고문헌 (6)
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G. P. Sutton, Rocket Propulsion Elements, 6th Edn, John Wiley, New York, 1992.
M. J. Zucrow and J. D. Hoffman, Gas Dynamics, Vol.1., John Wiley, New York, 1976.
P. L. Varghese, Investigation of Energy Transfer in the Ignition Mechanism of a NASA Standard Initiator, Grant No. NAG9-201, 1988.
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