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문제 정의
- 본 연구에서는, 방호울타리를 대상으로 하여 컴퓨터 시뮬레이션에 의한 차량의 충돌해석 기술을 확립하기 위해 관심 대상인 방호울타리를 쉘요소로 상세처리 하였으나 차량의 경우는 가드레일 제작업체에서 설계도면을 보유하고 있지 못해 차량의 형상을 단순화한 모델을 사용하여 해석을 수행하였다. 해석모델은 레일의 재질과 연결대의 노치 홀에 의해 분류된 모델 4개를 완성하여 방호울타리 성능에 대한 평가를 수행하였으며 또한 그 결과를 실차실험의 결과와 비교하였다.
제안 방법
- Photo. 1은 실험대상 차종인 승용차를 방호울타리 에 충돌속도와 충돌각도를 각각 80km/h , 20° 로 하여증돈하고 있으며, 충돌 후 이탈속도와 이탈각도를 측정하였다.
- 방호울타리 에 대한 차량의 충돌해석을 수행하여 차량의 이탈 각도 및 이탈속도를 각 시간별 변형양상과 주요 부재의 흡수에너지로 부터 평가하여 본 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이러한 방호울타리 설치물에 차량의 충돌을 시뮬레이션 하기 위한 충돌해석 모델은 48m 길이 인 방호 울타리 설치물의 모델링 규모가 크고 충돌 차량에 대한 데이터가 충분치 못해 상세한 해석모델에 의한 해석적 평가가 어려울 뿐만 아니라 복수의 개발대상 방호울타리 모델들에 대한 평가가 빠른 시간 내에 이루어져야 하므로 개발 방호울타리의 동역학적 비선형 충돌특성을 짧은 시간에 파악하기 위한 가능한 범위로서 단순모델에 대한 평가가 이루어져야 한다. 방호울타리 충돌해석의 단순모델은 Fig. 2와 같으며, 모델링 규모를 줄이기 위해 시험체의 25개 포스트 중 변형이 이루어지는 6개만을 모델에 적용하였으며, 충돌 차량 또한 형상을 단순화시켜 모델링함으로써 모델링 시간 단축뿐만 아니라 컴퓨터 계산시간의 단축까지도 고려하였다. 충돌 시 방호울타리의 충돌특성을 지배하는 레일, 연결대 및 지주는 흡수에너지의 비교 평가를 위해쉘요소(shell element)로 상세 모델링 하였고, 반면에 흡수에너지가 상대적으로 적은 볼트류는 리지드요소(rigid element)를사용하여 모델링하였다.
- 이상과 같이 방호울타리의 충돌에 대한 해석모델을 완료하고 방호 울타리에 충돌속도와 충돌각도를 각각 80km/h, 20° 로 하여 충돌전용 해석프로그램인 LS-DYNA3D에 의해 해석을 수행하였다 3). 해석 결과로부터 얻어진 방호울타리 의 전체적 인 변형양상은 방호울타리의 전체에너지와 주요 구성부품들인 레일, 연결대 및 지주들의 흡수에너지 분포를 통하여 고찰하였고 해석모델 1의 이탈각도와 이탈속도는 실험결과와 비교하여 보았다.
- 차량의 이탈속도는 차량에 탑재된 기기에 의해 측정하였으며, 이탈각도는 가드레일과 충돌 후 차량의 진행방향이 이루는 각도로 측정하였다.
- 2와 같으며, 모델링 규모를 줄이기 위해 시험체의 25개 포스트 중 변형이 이루어지는 6개만을 모델에 적용하였으며, 충돌 차량 또한 형상을 단순화시켜 모델링함으로써 모델링 시간 단축뿐만 아니라 컴퓨터 계산시간의 단축까지도 고려하였다. 충돌 시 방호울타리의 충돌특성을 지배하는 레일, 연결대 및 지주는 흡수에너지의 비교 평가를 위해쉘요소(shell element)로 상세 모델링 하였고, 반면에 흡수에너지가 상대적으로 적은 볼트류는 리지드요소(rigid element)를사용하여 모델링하였다. 이러한 해석모델은 방호울타리 충돌시험에서 차량의 충돌 전.
- 해석 결과로부터 얻어진 방호울타리 의 전체적 인 변형양상은 방호울타리의 전체에너지와 주요 구성부품들인 레일, 연결대 및 지주들의 흡수에너지 분포를 통하여 고찰하였고 해석모델 1의 이탈각도와 이탈속도는 실험결과와 비교하여 보았다.
대상 데이터
- 후 각도와 속도에 큰 영향을 미치는 레일의 재질과 연결대의 형상을 변수로 하여 표 1과 같이 구분하였다. 해석 모델 중에서 ''모델 1"이 실차시험에 적용된 가드레일과 동일하도록 모델링되었다. 해석모델의 전체 규모는 137, 384개의 요소와 140, 265의 절점으로 구성되었다.
- 충돌시험을 위한 실제 방호울타리 제작은 Photo 1과 같이 견고한 지반에 2.0m간격으로 원형지주를 타입하고 지주에 350mm길이의 연결대를 설치한 후 W형 빔과의 체결을 위해 볼트로 조립하는데, 충돌시험을 위한 방호울타리 시험체의 설치 길이는 48m이다. 이러한 방호울타리 설치물에 차량의 충돌을 시뮬레이션 하기 위한 충돌해석 모델은 48m 길이 인 방호 울타리 설치물의 모델링 규모가 크고 충돌 차량에 대한 데이터가 충분치 못해 상세한 해석모델에 의한 해석적 평가가 어려울 뿐만 아니라 복수의 개발대상 방호울타리 모델들에 대한 평가가 빠른 시간 내에 이루어져야 하므로 개발 방호울타리의 동역학적 비선형 충돌특성을 짧은 시간에 파악하기 위한 가능한 범위로서 단순모델에 대한 평가가 이루어져야 한다.
- 해석 모델 중에서 ''모델 1"이 실차시험에 적용된 가드레일과 동일하도록 모델링되었다. 해석모델의 전체 규모는 137, 384개의 요소와 140, 265의 절점으로 구성되었다. 해석을 위한 경계조건은 지주의 밑면을 완전 고정하여 실차실험조건과 가능한 동일하게 적용하였다.
데이터처리
- 해석모델은 레일의 재질과 연결대의 노치 홀에 의해 분류된 모델 4개를 완성하여 방호울타리 성능에 대한 평가를 수행하였으며 또한 그 결과를 실차실험의 결과와 비교하였다.
성능/효과
- (1) 방호울타리의 충돌시뮬레이션 결과를 실험결과와 비교해봄으로써 개발초기 단계에서의 짧은 기간 내에 방호 울타리의 개선작업 가능성을 확인하였다.
- (2) 레일의 재료와 연결대의 노치 홀에 의한 이탈각도와 이탈속도를 살펴보면 레일의 재료는 인장강도가 큰 모델이 유리하고 연결대는 노치 홀은 없는 모델이 유리하였다.
- (3) 방호울타리의 흡수에너지 크기는 레일, 연결대, 지주 순으로 나타났으며, 인증을 위한 이탈각도와 이탈속도 측면에서 살펴보면 가능한 레일은 적은 에너지를 흡수하는 것이 유리하고 연결대와 지주는 많은 에너지를 흡수하는 것이 유리하였다.
- 이는 가드레일의 인장강도에 의한 영향으로 판단된다. 그리고 접힘이 있는 연결대의 노치홀에 의한 평가는 노치 홀이 있는 모델1, 2가 노치에 의한 국부적인 변형으로 노치가 없는 모델 3, 4보다 각각 1.2%, 0.9% 크게 나타났다.
- 방호울타리의 충돌해석에 대한 해석결과를 살펴보면 차량이 레일과 충돌 후 40msec까지는 연결대, 지주 및 레일에서 동등수준의 에너지를 흡수하였고, 40msec 이후부터는 주로 레일에서 에너지를 흡수하였으며 충돌 후 2번째 지주를 지나는 100 msec부터는 차량이 레일에서 이탈하는 양상을 보였다. Fig.
- 해석모델로부터 이탈각도와 이탈속도를 살펴보면 레일의 재료를 saph45로 사용하고 연결대에노치 홀이 없는 모델 4가 이탈각도와 이탈속도 면에서 가장 좋은 결과를 보였다. 이 결과를 구성부품의 흡수에너지로부터 살펴보면 레일은 가능한 변형에 의한 흡수에너지가 적은 모델이 유리하였으며 동일한 형상에 대한 연결대 경우는 흡수에너지가 큰 모델이 유리하였다. 지주의 경우도 연결대와 같이 변형에 의한 흡수에너지가 큰 경우가 유리하였다.
- 있다. 재료에 의한 가드레일의 흡수에너지 결과를 보면, 전체에너지에서와 같이 재료의 인장강도에 의한 영향으로 saph45 모델이 ss400 모델보다 적은 에너지를 흡수하였다. 그리고 노치 홀에 의한 연결대의 흡수에너지 평가도 전체 에너지에서와 같이 노치 홀의 국부적인 변형으로 노치 홀이 있는 모델이 노치 홀이 없는 모델보다 큰 에너지를 흡수하였다.
- 의한 영향으로 판단된다. 해석모델로부터 이탈각도와 이탈속도를 살펴보면 레일의 재료를 saph45로 사용하고 연결대에노치 홀이 없는 모델 4가 이탈각도와 이탈속도 면에서 가장 좋은 결과를 보였다. 이 결과를 구성부품의 흡수에너지로부터 살펴보면 레일은 가능한 변형에 의한 흡수에너지가 적은 모델이 유리하였으며 동일한 형상에 대한 연결대 경우는 흡수에너지가 큰 모델이 유리하였다.
후속연구
- (4) 차량의 형상을 단순화한 본 논문의 단순모델에 대해서는 추후 차량의 상세모델에 의한 추가적인 해석에 의해 시험 결과와 비교가 이루어질 것이다.
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