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가설 설정
- 또한 차량외관은 일정한 충격강도를 갖는 하나의 단일체, 즉 프레임과 같은 단단한 부분과 범퍼, 휀더, 패널 등 다소 약한 부분이 같은 강도를 갖는 것으로 가정하고 있으며 복원력은 무시하기로 한다. 이러한 충돌과정은 순수한 물리학의 운동법칙에 근거하고 있어 경험상이나 실험에 의한 계수가 개입되지 않아 충돌 실험 자료가 불필요하다.
제안 방법
- EDSMAC과 PC-CRASH 프로그램은 차량, 환경, 인간적 요소에 따라 무게, 무게중심, 구름저항, 강성계수 및 제동력 등의 충돌인자들로 구성되며 충돌유형에 따라 적절한 경계 조건을 주어 충돌해석을 수행하였다. 단, PC-CRASH프로그램의 구름저항과 강성계수 값은 고정되어 있어서 이에 대한 변화를 주지 않았다.
- 그리고 인적, 차량적, 도로환경의 3가지 조건을 고려하여 차량의 무게, 무게중심, 구름저항, 강성계수 및 제동력 등의 여러 충돌인자들을 일정한 범위 내에서 1차원 정면충돌, 2차원측면전부와 측면후부 직각충돌시 ∆V에 어떠한 영향을 미치는지에 대해 알아보았다.
- 첫째, 무게변화는 탑승자 1인을 포함한 자동차의 전체 무게로 계산하여 유효 범위 내에서 500kg씩 일정하게 증가시켰다. 둘째, 무게중심의 변화에 따른 영향을 알아보기 위해 유효범위 내에서 종방향으로 0.05(1/20)씩 일정하게 증가시켰다. 단, 차량의 횡방향에 대한 무게중심의 변화는 종방향에 비해 매우 낮아 충돌해석에서 배제하였다.
- 또한 2·3차원 애니메이션 기법을 최대한 활용하여 사고과정을 시각화 하였으며, 사고의 원인을 인적, 차량적, 도로 환경적 등 복합적으로 재현분석하게 되었다.
- PC-CRASH는 충돌 후 차량의 회전 및 이동상태, 차내 탑승자 거동재현 등 시뮬레이션 기능을 최적화한다. 본 연구에 활용된 EDSMAC와 PC-CRASH는 사용자로부터 측정되거나 가정된 초기조건 등을 이용, 사고결과를 예측한다.
- 이 프로그램은 차량의 위치 및 속도 등을 사용하여 사고결과를 예측하게 되며, 시간에 따른 차량의 운동(위치·속도·가속도) 및 타이어의 스키드마크(Skid-mark), 차량의 파손형태(Damage profile), CDC(Collision Deformation Classification, 차량 손상분류), ∆V, 충격의 정도 등을 계산하여 결과로서 나타낸다.
- Emori에 의해서이다. 이후 1996년 Day T. D가 HVE프로그램을 활용하여 자동차로 인한 사고재현 분석방법을 시뮬레이션 하였다. 또한 2·3차원 애니메이션 기법을 최대한 활용하여 사고과정을 시각화 하였으며, 사고의 원인을 인적, 차량적, 도로 환경적 등 복합적으로 재현분석하게 되었다.
- 충돌 해석시 각각의 충돌인자에 적용된 동적조건은 프로그램에서 활용 가능한 유효입력 범위내로 한정하여 일정한 변화를 주었다.
- 충돌해석 프로그램인 HVE-2D와 PC-CRASH를 사용하여 충돌인자를 변화시키면서 충돌시 속도변화(∆V)에 미치는 영향에 대해 비교해 보았으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 표 1의 경계조건에 따라 임의의 한 차량을 고정하고 동일한 다른 한 차량의 무게중심을 종방향으로 일정하게 변화시켜 충돌해석을 수행하였다.
데이터처리
- 그림 3에서는 EDSMAC와 PC-CRASH를 활용하여 여러 충돌인자를 변화시키면서 가상으로 시뮬레이션한 것을 나타내었다. 충돌 결과 값들은 그림 4에서 나타난 바와 같은 형태로 출력되며, 이러한 결과들 중에서 ∆V값을 도출하여 입력된 여러 충돌인자들과의 관계를 비교하였다.
이론/모형
- 물체의 평면충돌에서 운동 상태에 대한 물리적 기본식은 뉴턴의 운동제2법칙으로 이 식에서 가속도를 속도의 시간 변화율로 표현하면 식 (1)과 같이 정의된다.
- 본 연구에서는 손상법에 따른 충돌해석 소프트웨어인 EDC사의 HVE-2D 내부 시뮬레이션 모델 중 평면상에서 자동차간의 충돌시 일어나는 차량운동 및 속도변화를 재현하는 EDSMAC과 물리학적 가정에 근거한 에너지보존의 법칙 채택으로 시뮬레이션 기능을 향상시킨 PC-CRASH를 활용하였다.
성능/효과
- 둘째, 차량 무게중심의 변화에 따른 ∆V는 선형적으로 증가하였다. EDSMAC에 비해 PC-CRASH의 반응이 더욱 민감하게 나타났으며, 차량의 구름저항계수에 대해서는 별다른 영향을 받지 않았다. 이는 각 시뮬레이션 프로그램 상에 임의적으로 설정된 고유의 물성치 값에 영향을 받는 결과일 것이다.
- EDSMAC와 PC-CRASH에 대한 충돌인자들을 변화시켜 본 바로는 동일조건하에서의 ∆V값이 일정한 상관성을 띄는 것으로 나타났다. 그러나 각 시뮬레이션에 대한 ∆V값이 다소의 차이를 보였으며, 개별적으로 특정 인자에 민감하게 반응하는 경향을 띄었다.
- 그림 16은 제동력을 일정하게 변화시켜 1차원 정면충돌시킨 결과를 그래프로 도시한 것이다. ∆V는 제동력이 증가됨에 따라 두 경우 모두 선형적으로 감소되는 현상을 보였으며, EDSMAC의 반응이 상대적으로 민감하게 나타났다.
- 0(100%)까지 일정한 변화를 주었다. 넷째, 강성계수는 차량외관에 대한 충돌특성에 따른 충격계수로서 유효범위 내에서 50씩 일정하게 증가시켰다. 다섯째, 제동력은 타이어와 노면사이의 마찰계수를 나타내는 것으로 유효한 마찰계수 값의 범위인 0.
- 넷째, 차량의 제동력에 따른 ∆V의 관계는 정면 및 측면 충돌의 경우 모두 제동력을 고정시킨 차량에 비해 증가시킨 차량의 ∆V값이 상대적으로 높게 나타났다. 이러한 현상은 충격력이 차량의 감속도와 반비례관계에 있기 때문이며, 두시뮬레이션 간 비교에서는 EDSMAC의 반응이 상대적으로 민감하게 나타났다.
- 넷째, 강성계수는 차량외관에 대한 충돌특성에 따른 충격계수로서 유효범위 내에서 50씩 일정하게 증가시켰다. 다섯째, 제동력은 타이어와 노면사이의 마찰계수를 나타내는 것으로 유효한 마찰계수 값의 범위인 0.3~0.9까지 0.1씩 입력 값을 일정하게 증가 시켰다. 다음의 표 2는 차량 간의 충돌시 변화되는 충돌인자의 동적조건을 나타내었다.
- 다섯째, 차량의 무게중심, 강성계수 및 제동력의 변화는 정면충돌에 비해 측면충돌의 경우 ∆V가 다소 낮게 형성되었으며, EDSMAC과 PC-CRASH의 공통된 현상이다. 이는 1차원충돌의 경우 에너지 손실이 반발계수에 따라 결정되는 반면 2차원충돌은 충돌물체간의 마찰계수에 따라 정해지기 때문인 것으로 사료된다.
- 둘째, 차량 무게중심의 변화에 따른 ∆V는 선형적으로 증가하였다. EDSMAC에 비해 PC-CRASH의 반응이 더욱 민감하게 나타났으며, 차량의 구름저항계수에 대해서는 별다른 영향을 받지 않았다.
- 그림 14 앞측면충돌과 그림 15 뒤측면충돌의 경우 차량1은 미소한 증가현상이 나타났다. 따라서 차량의 강성계수에 따른 ∆V의 관계는 정면충돌 및 측면 충돌의 경우 모두 강성계수 값을 증가시킬수록 두 차량의 ∆V값이 미소한 증가 현상이 나타났다.
- 따라서 차량의 무게에 따른 ∆V의 관계는 두 프로그램 모두 정면 및 측면충돌에서 무게를 증가시킨 차량에 비해 고정시킨 차량의 ∆V가 상대적으로 높게 나타났다. 이러한 현상은 충돌 중의 평균가속도가 차량의 무게와 반비례관계에 있음으로 인한 결과로 사료된다.
- 단, 차량의 횡방향에 대한 무게중심의 변화는 종방향에 비해 매우 낮아 충돌해석에서 배제하였다. 셋째, 구름저항은 각 바퀴의 잠김도를 나타내는 것으로서 바퀴 잠김도의 유효 값의 범위는 자유구름상태에서 제동에 의한 완전 잠김에 이른다. 여기서 자유구름상태는 노면과 타이어사이에는 반드시 저항이 존재하므로 0.
- 셋째, 차량 강성계수에 따른 ∆V의 관계는 EDSMAC에만 민감한 반응을 보였다. 정면충돌 및 측면충돌의 경우 모두 강성계수 값을 증가시킬수록 두 차량의 ∆V값이 비례적으로 높게 나타났다.
- 그림 6은 차량의 무게를 일정한 범위 내에서 변화시키면서 정면충돌 해석한 것이다. 이 결과에서 EDSMAC과 PCCRASH의 속도증감은 동일한 변화를 나타내었으나 속도값에 있어서는 다소의 차이를 보였다.
- 그림 9는 두 차량을 정면 충돌시켜 본 결과로 무게중심의 변화에 두 차량 모두 동일한 영향을 받는 것으로 나타났다. 이러한 현상은 무게중심의 변화가 충돌중의 평균가속도에 영향을 미침으로 인한 결과이며, EDSMAC에 비해 PCCRASH가 상대적으로 민감하게 반응하였다.
- 셋째, 차량 강성계수에 따른 ∆V의 관계는 EDSMAC에만 민감한 반응을 보였다. 정면충돌 및 측면충돌의 경우 모두 강성계수 값을 증가시킬수록 두 차량의 ∆V값이 비례적으로 높게 나타났다. 이러한 현상은 충격 흡수에너지가 차체강성과 최대변형의 제곱에 비례함으로 인한 결과로 사료된다.
- 첫째, 무게변화는 탑승자 1인을 포함한 자동차의 전체 무게로 계산하여 유효 범위 내에서 500kg씩 일정하게 증가시켰다. 둘째, 무게중심의 변화에 따른 영향을 알아보기 위해 유효범위 내에서 종방향으로 0.
- 첫째, 차량의 무게 변화에 따른 ∆V의 변화는 EDSMAC과 PC-CRASH 시뮬레이션 프로그램 모두 정면 및 측면충돌에서 무게를 증가시킨 차량에 비해 고정시킨 차량의 ∆V가 상대적으로 높게 나타났다. 이러한 현상은 충돌중의 평균가속도가 차량의 무게와 반비례 관계에 있기 때문이다.
후속연구
- 따라서 향후에는 각 시뮬레이션 프로그램의 고정값을 고려한 속도분석으로 교통사고 충돌해석에 대한 신뢰성을 더욱더 향상시켜야 할 것이다.
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