[논문]시트 동특성을 고려한 인체 진동 해석

강주석

doi:10.5762/kais.2012.13.12.5689

시트 동특성을 고려한 인체 진동 해석
Human Body Vibration Analysis under Consideration of Seat Dynamic Characteristics 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.13 no.12, 2012년, pp.5689 - 5695

초록
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본 연구에서는 차량에 적용되는 시트 재질인 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 고려하여 시트와 인체의 진동특성을 시험 및 수치해석 방법을 이용하여 분석하였다. 압축 시험을 통해 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성인 비선형성과 준-정역학적 특성을 구하였다. 또한 컨벌루션 적분법 및 비선형 강성 모델을 이용하여 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 수학적으로 모델링하였다. 시트의 승차감 기여도를 분석하기 위하여 시트의 동역학 모델과 ISO5982의 표준 인체 수직진동 모델을 이용하여 수직 진동모델을 구성하고 관련 운동방정식을 유도하였다. 비선형 운동방정식은 Runge-Kutta 적분법을 이용하여 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다. 철도차량의 차체 바닥에서 측정한 진동가속도 입력에 대한 시트와 인체의 응답 특성을 분석하고 시트 설계 파라미터에 대한 승차감 지수 값들의 변화를 분석하여 시트 설계에 대한 방법론을 제시하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, vibration properties of seat and human body are analyzed through test and numerical analysis methods by taking into account the viscoelastic characteristics of polyurethane foam as seat material which is applied for vehicle. These viscoelastic characteristics which show nonlinear and quasi-static behavior are obtained by compression test. In addition, the viscous elastic property of polyurethane foam is modelled mathematically by using convolution integral and nonlinear stiffness model. In order to analyze the performance on ride comfort of seat, vertical vibration model is established by using dynamic model of seat and vertical vibration model of human body at ISO5982, and so the related motion equations are derived. A numerical analysis simulation is applied by using the nonlinear motion equation with Runge-Kutta integral method. The dynamic responses of seat and human body on the input of vibration acceleration measured at the floor of the railway vehicle are examined. The variation of the index value at ride comfort on seat design parameters is analyzed and the methodology on seat design is suggested.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실제적인 시트 진동특성을 분석하기 위해 차량에서 측정된 가속도 신호를 이용하여 시트의 진동 특성을 계산하였다. 그림 7은 주행 중 철도차량의 차체 바닥에서 측정한 수직방향 가속도의 시간 영역과 주파수 영역에서의 결과를 나타낸다.
본 연구에서는 차량에 적용되는 시트 재질인 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 고려하여 시트와 인체의 진동 특성을 시험과 수치해석 시뮬레이션을 통해 분석하였다. 본 연구를 통해 얻어진 결과는 다음과 같다.
폴리우레탄 폼으로 구성된 시트의 정확한 진동 분석을 위해서는 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 고려한 진동 전달 특성에 대한 분석이 요구된다. 이를 위해 본 연구에서는 준-정역학적 시험을 통해 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 구하고자 한다. 또한 폴리우레탄 폼의 점탄성 시험결과를 이용하여 수학적 모델을 구성한다.
ISO5982 모델은 수직진동에 대한 인체의 진동특성을 인체의 수직진동 시험결과와의 검증을 통해 얻어진 인체의 수학적 모델이다. 좀 더 현실적인 승객의 승차감 특성을 고려하기 위해서는 시트에 기댄 모델이 필요하나 시트에 기댄 경우 다양한 변수가 존재하고 표준 모델이 없어 본 연구에서는 수직 모델에 대해 국한하여 승차감을 분석하고자 한다.
폴리우레탄 폼의 수학적 모델과 인체의 진동 모델을 이용하여 시트와 인체의 수직 진동 운동방정식을 유도한다. 철도차량의 차체 바닥에서 측정한 진동가속도 입력에 대한 시트와 인체의 응답 특성을 분석하고 시트 설계 파라미터에 대한 승차감 지수 값들의 변화를 분석하여 시트 설계에 대한 방법론을 제시하고자 한다.

제안 방법

1) 압축 시험을 통해 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성인 비선형성과 준-정역학적 특성을 구하였다. 또한, 컨벌루션 적분법 및 비선형 강성 모델을 이용하여 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 수학적으로 모델링하였다.
2) 시트의 승차감 기여도를 분석하기 위하여 시트의 동역학 모델과 ISO5982의 표준 인체 수직진동 모델을 이용하여 수직 진동모델을 구성하고 관련 운동방정식을 유도하였다. 비선형 운동방정식은 Runge-Kutta 적분법을 이용하여 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다.
4) 시트의 두께와 폭의 변화에 대하여 진동절연 효과를 분석하였다. 시트의 두께를 1.
이를 위해 본 연구에서는 준-정역학적 시험을 통해 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 구하고자 한다. 또한 폴리우레탄 폼의 점탄성 시험결과를 이용하여 수학적 모델을 구성한다. 폴리우레탄 폼의 수학적 모델과 인체의 진동 모델을 이용하여 시트와 인체의 수직 진동 운동방정식을 유도한다.
1) 압축 시험을 통해 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성인 비선형성과 준-정역학적 특성을 구하였다. 또한, 컨벌루션 적분법 및 비선형 강성 모델을 이용하여 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 수학적으로 모델링하였다.
시트의 두께 변화와 면적 변화에 따른 SEAT_{seat_surface} 및 SEAT_head 의 변화를 분석한다.
앞에서 구한 시트 재질 특성을 이용하여 시트 동특성 해석을 수행한다. 시트는 차량의 바닥에서 인체에 전달되는 진동을 절연시킴으로써 승차감을 향상시키는 역할을 한다.
그림 7은 주행 중 철도차량의 차체 바닥에서 측정한 수직방향 가속도의 시간 영역과 주파수 영역에서의 결과를 나타낸다. 여기서는 인체의 승차감과 연관성이 큰 20Hz이하의 성분에 대해서 주파수 분석을 수행하였다. 측정 샘플링 시간은 0.
인체의 수직 진동 모델과 앞에서 구한 시트의 점탄성 특성을 이용하여 시트 동특성 해석을 수행한다. 그림 5에 대한 운동방정식을 구하면 다음과 같다.
주파수 값의 변화에 대한 전달율은 다음과 같이 차체 바닥의 가속도에 대한 인체 수직가속도에 대한 크기로 계산하였다.
차체바닥의 입력에 대한 인체 특성을 구하기 위하여 다음과 같이 하모닉 입력을 주파수 f를 달리하면서 해를 구하였다.
여기서는 인체의 승차감과 연관성이 큰 20Hz이하의 성분에 대해서 주파수 분석을 수행하였다. 측정 샘플링 시간은 0.002초이며 10초 동안 측정한 가속도 성분을 주파수 분석하였다.
또한 폴리우레탄 폼의 점탄성 시험결과를 이용하여 수학적 모델을 구성한다. 폴리우레탄 폼의 수학적 모델과 인체의 진동 모델을 이용하여 시트와 인체의 수직 진동 운동방정식을 유도한다. 철도차량의 차체 바닥에서 측정한 진동가속도 입력에 대한 시트와 인체의 응답 특성을 분석하고 시트 설계 파라미터에 대한 승차감 지수 값들의 변화를 분석하여 시트 설계에 대한 방법론을 제시하고자 한다.
시험에서 사용된 폴리우레탄 폼은 철도차량의 시트에 사용되는 재질로서 76mm의 정방형 시편을 이용하였다. 폴리우레탄 폼의 준정역학적 특성을 알기 위해 그림 2와 같이 1070초 동안 수직변위가 44mm가 될 때까지 압축 후 힘을 서서히 제거하는 시험을 수행하였다. 이때 힘의 압축과 제거 시 수직력과 변위는 그림 3의 점선과 같이 측정되었다.

대상 데이터

먼저 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성을 시험하기 위해서 그림 1과 같이 압축시험을 실시하였다. 시험에서 사용된 폴리우레탄 폼은 철도차량의 시트에 사용되는 재질로서 76mm의 정방형 시편을 이용하였다. 폴리우레탄 폼의 준정역학적 특성을 알기 위해 그림 2와 같이 1070초 동안 수직변위가 44mm가 될 때까지 압축 후 힘을 서서히 제거하는 시험을 수행하였다.

이론/모형

인체의 동적 모델링은 이전 연구에서 수없이 많이 제시되어 왔다. 본 연구에서는 그림 5와 같은 ISO5982의 수직 진동 인체모델을 이용한다[9]. ISO5982 모델은 수직진동에 대한 인체의 진동특성을 인체의 수직진동 시험결과와의 검증을 통해 얻어진 인체의 수학적 모델이다.
2) 시트의 승차감 기여도를 분석하기 위하여 시트의 동역학 모델과 ISO5982의 표준 인체 수직진동 모델을 이용하여 수직 진동모델을 구성하고 관련 운동방정식을 유도하였다. 비선형 운동방정식은 Runge-Kutta 적분법을 이용하여 수치해석 시뮬레이션을 수행하였다.
식 (2)를 최소화하는 최적화과정을 거쳐 식 (1)의 파라미터를 구할 수 있다. 여기서는 Matlab 함수인 fminsearch 함수를 이용하여 최적화 해석을 수행하였다[8]. 식 (1)의 비선형 항인 첫째 항은 7개의 항으로 가정하여 최적화 해를 구하였다.
위의 시트와 인체모델에 대한 운동방정식은 비선형 항을 포함함으로 Runge-Kutta 방법을 이용하여 수치해석적 방법으로 적분을 수행한다. 위의 식 (3) ~ (6) 은 다음과 같은 식으로 표현할 수 있다.

성능/효과

3) 시뮬레이션 결과 시트-인체 진동모델의 비선형성으로 인해 입력 크기에 따라 전달율은 다르게 나타났으며 고유진동수는 약 3Hz에서 분포하는 것으로 나타났다. 철도 차량에서 측정된 가속도 신호를 이용하여 시트의 진동 특성을 계산한 결과 시트와 머리부위의 가속도는 5Hz 이하의 저주파 성분은 전달이 크지만 5Hz 이상의 성분은 줄어드는 특징을 보였다.
2배 키우는 경우 시트에서 인체로의 VDV 전달값이 줄어들며 승차감 측면에서 유리한 것으로 나타났다. 시트의 폭은 0.8배로 하는 경우 시트에서 인체로의 VDV 전달값이 우수한 결과를 보이는 것으로 나타났다.
3) 시뮬레이션 결과 시트-인체 진동모델의 비선형성으로 인해 입력 크기에 따라 전달율은 다르게 나타났으며 고유진동수는 약 3Hz에서 분포하는 것으로 나타났다. 철도 차량에서 측정된 가속도 신호를 이용하여 시트의 진동 특성을 계산한 결과 시트와 머리부위의 가속도는 5Hz 이하의 저주파 성분은 전달이 크지만 5Hz 이상의 성분은 줄어드는 특징을 보였다.
표 1의 파라미터를 이용하여 구한 수직력과 변위의 관계는 그림 3의 실선과 같다. 폴리우레탄 폼의 점탄성 특성에 대한 수학적 모델링 결과와 시험 결과가 일치하는 결과를 보이고 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	최근에 제작되는 차량용 시트는 진동 저감을 위해 어떤 충전재를 적용하고 있는가?	자동차나 철도차량의 승차감을 개선하기 위해서는 차량의 진동 저감과 함께 시트의 진동 차단 설계가 중요하다. 최근에 제작되는 차량용 시트는 진동 저감을 위해 대부분 폴리우레탄 폼 재질을 충진재로 적용하고 있다. 폴리우레탄 폼은 진동 차단에 적절한 비선형 강성특성과 감쇠특성을 가지고 있지만 이러한 비선형 특성으로 인해 시트의 진동 특성 해석을 어렵게 만든다.
	자동차나 철도차량의 승차감을 개선하기 위해 중요한것은 무엇인가?	자동차나 철도차량의 승차감을 개선하기 위해서는 차량의 진동 저감과 함께 시트의 진동 차단 설계가 중요하다. 최근에 제작되는 차량용 시트는 진동 저감을 위해 대부분 폴리우레탄 폼 재질을 충진재로 적용하고 있다.
	폴리우레탄 폼 재질의 단점은 무엇인가?	최근에 제작되는 차량용 시트는 진동 저감을 위해 대부분 폴리우레탄 폼 재질을 충진재로 적용하고 있다. 폴리우레탄 폼은 진동 차단에 적절한 비선형 강성특성과 감쇠특성을 가지고 있지만 이러한 비선형 특성으로 인해 시트의 진동 특성 해석을 어렵게 만든다.

참고문헌 (9)

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L. Zhang and R. Dupuis, "Measurement and identification of dynamic properties of flexible polyurethane foam", J. of vibration and control 17(4) pp. 517-526, 2010, Article(CrossRefLink)
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상세보기
G. Joshi, A.K. Bajaj and P. Davis, "Whole-body vibratory response study using a nonlinear multi-body model of seat-occupant system with viscoelastic flexible polyurethane foam", Industrial health 48, pp. 663-674, 2010, Article(CrossRefLink)

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원문보기 상세보기
D. Park, et al. "A basic study on plastic suspension system for automotive seat under consideration of body pressure distribution", J. of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society, Vol. 12, No. 11 pp. 4751-4755, 2011, Article(CrossRefLink)

원문보기 상세보기
Using Matlab Ver. 6, The Mathworks Inc., Natick, MA, USA, 2004.
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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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