본 연구는 자동차용 에어백 장치를 구성하고 있는 필터의 압력변화 특성을 해석하였다. 에어백 필터를 통한 압력 변화는 에어백을 부풀게 하는 기체의 압력에 직접적인 영향을 미친다. 그러나 현제 필터의 어느 설계인자가 압력변화에 얼마나 영향을 미치는지에 대한 정확한 기준이 불분명 하다. 또한 에어백 필터의 특성에서 압력 손실계수는 실험적 방법으로 평가하기에는 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해서, 시뮬레이션 해석을 이용한 필터의 압력손실계수 해석방법을 제시하였다. 그러나, 일반적인 시뮬레이션 해석에서 에어백 필터와 같이 순간적으로 갑자기 증가하는 압력변화 해석은 불가능하다. 따라서, 보간법과 축척 축소방법을 적용하여 에어백 압력 변화 해석을 수행하였다. 또한, 에어백 필터의 압력손실계수에 대한 시뮬레이션 해석을 통하여 필터 설계에 대한 가이드 라인을 제시할 수 있었다.
본 연구는 자동차용 에어백 장치를 구성하고 있는 필터의 압력변화 특성을 해석하였다. 에어백 필터를 통한 압력 변화는 에어백을 부풀게 하는 기체의 압력에 직접적인 영향을 미친다. 그러나 현제 필터의 어느 설계인자가 압력변화에 얼마나 영향을 미치는지에 대한 정확한 기준이 불분명 하다. 또한 에어백 필터의 특성에서 압력 손실계수는 실험적 방법으로 평가하기에는 많은 어려움이 따른다. 이를 해결하기 위해서, 시뮬레이션 해석을 이용한 필터의 압력손실계수 해석방법을 제시하였다. 그러나, 일반적인 시뮬레이션 해석에서 에어백 필터와 같이 순간적으로 갑자기 증가하는 압력변화 해석은 불가능하다. 따라서, 보간법과 축척 축소방법을 적용하여 에어백 압력 변화 해석을 수행하였다. 또한, 에어백 필터의 압력손실계수에 대한 시뮬레이션 해석을 통하여 필터 설계에 대한 가이드 라인을 제시할 수 있었다.
In this study, the characteristics of filter that make up the automotive airbag system were analyzed. The gas pressure change of airbag is directly impacted by the filter. However, it is uncertain how much the design factors of filter affect the pressure of airbag. And it is difficult to access the ...
In this study, the characteristics of filter that make up the automotive airbag system were analyzed. The gas pressure change of airbag is directly impacted by the filter. However, it is uncertain how much the design factors of filter affect the pressure of airbag. And it is difficult to access the pressure loss coefficient in the respect of characteristics of the airbag filter in the simulation method. To solve this problem, this study suggests pressure loss coefficient of the filter using simulation analysis. But it is impossible to interpret a sudden increase of pressure such as airbag filter. To solve this problem, by applying interpolation and scale down method, analysis was processed. Also, through the simulation interpretation of airbag filter's pressure loss coefficient, the guidelines for the filter design could be suggested.
In this study, the characteristics of filter that make up the automotive airbag system were analyzed. The gas pressure change of airbag is directly impacted by the filter. However, it is uncertain how much the design factors of filter affect the pressure of airbag. And it is difficult to access the pressure loss coefficient in the respect of characteristics of the airbag filter in the simulation method. To solve this problem, this study suggests pressure loss coefficient of the filter using simulation analysis. But it is impossible to interpret a sudden increase of pressure such as airbag filter. To solve this problem, by applying interpolation and scale down method, analysis was processed. Also, through the simulation interpretation of airbag filter's pressure loss coefficient, the guidelines for the filter design could be suggested.
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문제 정의
그리고, 인플레이터 필터의 기존에 상용화된 유동해석 Tool들은 단시간 내에서 고압의 폭발 해석을 실시하면 발산이 되어 해석이 불가능 하게 된다. 따라서, 본 연구에서는 함수 도입을 통한 압력값의 비례적 감소를 통하여 해석상의 발산 문제를 해결하고자 하였다.
또한 인플레이터 필터의 압력 손실 계수의 해석적 방법을 통한, 시뮬레이션 프로세스를 확보함으로써, 신뢰성 있고 신속하게 필터의 성능을 예측 할 수 있는 가이드라인을 제시하고자 하였다.
본 연구에서는 FEA를 활용하여 인플레이터용 필터의 성능 및 설계인자 도출을 위한 실험 및 이론해석을 실시하였다. 일반적으로 에어백 인플레이터 실험평가가 현실적으로 어려움이 존재하였는데, 이의 대안으로서 이론해석을 통한 필터 성능 및 설계인자 도출 가능성을 제시하였다.
일반적으로 에어백 인플레이터 필터의 압력손실계수를 구하기 위해서는 실험적 방법에 의해서 실시되고 있다. 본 연구에서는 시간과 경비가 많이 소요되는 실험적 방법을 탈피하기 위하여 수학적 해석방법을 도입하고자 하였다. 본 해석적 방법의 정확성 검증을 위하여 기존 실험적 방법에 의한 압력손실 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 해석에 활용한 일반 상용해석 프로그램에서 나타나는 발산문제를 해결하기 위하여 일정 시간동안에 작용하는 절대 압력의 크기를 1/10으로 축소하여 해석을 시도하였다. 따라서, Fig.
본 연구에서는 FEA를 활용하여 인플레이터용 필터의 성능 및 설계인자 도출을 위한 실험 및 이론해석을 실시하였다. 일반적으로 에어백 인플레이터 실험평가가 현실적으로 어려움이 존재하였는데, 이의 대안으로서 이론해석을 통한 필터 성능 및 설계인자 도출 가능성을 제시하였다.
가설 설정
그러나 필터의 형상 특성상 현실적으로 필터의 기공률이 얼마인지를 정량적인 관점에서 측정을 한다는 것은 어려움이 많다. 따라서 1차적으로 필터의 사이즈에 관한 데이터 Table 1을 기반으로 필터를 원기둥형상이라는 가정 하에 부피를 계산하였다.
[4] 그리고 압력 손실 계수를 구하기 위해서는 실험을 통한 압력차를 구하는 것 뿐만 아니라 필터 전단의 속도와 밀도를 구해야 한다. 밀도를 구하는 공식(6)은 비압축성과 에너지 보존법칙의 가정 하에 이상기체 방정식을 통하여 도출 하였다. 실제로 실험을 통하여 얻어진 압력은 계기 압력이다.
제안 방법
인플레이터 필터의 제작 공정은 카본 와이어를 실로 뜨개질 하는 형상과 비슷한 형태로 제작된다. 그 다음으로 일정 틀 내에서 고압으로 압축을 함으로써 기공률 밀도를 다양화하여 필터를 제작한다. 따라서 실제 필터 내부 형태는 불규칙성을 가지면서 조밀하게 형성되기 때문에 컴퓨터상으로 모델링이 불가능 하여 CFX에서 제공하는 Porous Domains를 사용하였다.
특히, 필터에서 유체가 지나가는 유동장의 면적을 계산하기 위하여 원기둥으로 가정한 필터의 내측 면적을 계산하였다. 그 면적을 메스실린더를 이용하여 얻은 필터의 기공률과 곱하여 유동장 면적을 정량적으로 계산하였다. 자동차용 에어백 임플레이터에 적용되는 필터의 유량은 소요시간 10msec, 최대 유량 1.
물론 연구 결과의 신뢰성을 높이기 위해서는 동일한 조건하에서 해석을 실시하는 것이 타당하다. 그러나, 필터의 특성값은 어느 조건에서든지 동일한 상수값으로 나타나기 때문에 작용 압력을 기존 대비 1/10 축소한 20bar로 적용하였다. 이 같은 방법을 통하여 해석의 발산문제를 해결하였고 해석결과인 압력 손실계수를 바교적 정확하게 예측할 수 있었다.
다음으로 메스실린더에 물을 담아 필터 샘플들을 완전히 잠기게 하여 물의 부피변화를 측정함으로써 샘플 필터들의 철사 부피를 측정 하였다. 측정을 통하여 Table 2와 같은 결과를 얻을 수 있었으며, 이러한 결과를 이용하여 필터의 공극률을 도출하였다.
제작이 된다면 인명피해를 가져올 수 있다. 따라서, 본 연구에서 제시한 자동차 에어백 필터의 압력손실계수는 최적의 에어백 인플레이터 설계. 제작에 활용할 수 있을 것이다.
또한, 일반적인 점화조건에서 필터 부분의 온도를 계측하였는데, 그 때의 최대 발생온도는 약 2,000℃정도까지 상승하였다. 따라서, 본 해석적 방법의 연구에서는 초기 정상온도를 20℃, 최대 폭발온도를 2,000℃ 로 적용하였다. 다음에는 온도조건과 함께 에어백 전개 시에 발생되는 폭발압력이 중요하기 때문에 폭발 단계에서의 최대 압력을 계측하였는데, 작용압력이 200bar, 소요시간 6ms가 소요되었다.
Table 5는 필터와 탱크로 구성된 해석 대상에 적용된 노드와 요소의 특징을 나타냈다. 본 연구에서 적용한 노드와 요소의 개수는 해석의 정확도와 연산시간을 고려하여 설정하였다.
본 연구에서는 에어백의 일반적 성능을 평가하기 위한 것이 아니기 때문에 시험 시편의 온도를 20℃ 로 설정하여 실시하였다. 또한, 일반적인 점화조건에서 필터 부분의 온도를 계측하였는데, 그 때의 최대 발생온도는 약 2,000℃정도까지 상승하였다.
본 연구에서는 시간과 경비가 많이 소요되는 실험적 방법을 탈피하기 위하여 수학적 해석방법을 도입하고자 하였다. 본 해석적 방법의 정확성 검증을 위하여 기존 실험적 방법에 의한 압력손실 실험을 실시하였다. 국제적(USCAR-24 Specification)인 에어백 개발관련 요구조건에서는 관련 부품의 평가를 위하여 Table 1과 같은 환경 조건에서 일정 시간 동안 방치한 후에 실시할 것을 규정하고 있다.
2kg/sec 임을 확인하였다. 앞서 언급한 유압변화와 같이 유량변화도 에어백 초기 전개 시에 급격한 충격력 흡수가 가능하도록 하기 위하여 일차 함수적으로 급격한 유량증가를 유발하였다.
이는 수치해석 기반의 CFX 특성상, msec 단위 대비 약 200bar 정도의 급격한 압력 변화는 수학적 계산을 통한 해석이 불가능 하여 오류가 발생되기 때문이다. 이를 해결하기 위하여 축척 축소법을 적용하여 타당성을 확인하였다. 자동차 에어백 필터 설계를 위해서는 평균 압력손실계수가 2.
또한 탱크와 필터의 모서리부분의 수렴성이 나빠지는 것을 예방하기 위해 Edge sizing 기법을 사용하였다. 이와 함께, 시뮬레이션의 시간 단축을 위하여 대칭 기능을 이용하여 전체 모델의 1/4모델에 대해서만 시뮬레이션을 실시하였다.
Table 7은 유체가 지나가는 필터의 면적을 측정한 값이다. 특히, 필터에서 유체가 지나가는 유동장의 면적을 계산하기 위하여 원기둥으로 가정한 필터의 내측 면적을 계산하였다. 그 면적을 메스실린더를 이용하여 얻은 필터의 기공률과 곱하여 유동장 면적을 정량적으로 계산하였다.
대상 데이터
필터만의 성능 특성을 정확히 파악하기 위해서는 필터를 제외한 다른 설계 변수들이 동일한 조건하에 실험을 실시하여야 정확히 파악할 수 있다. 따라서 여러 시험들 중 필터를 제외한 화약량, 가스 발생제 량과 같은 다른 설계변수들이 동일한 조건하에 수행된 데이터를 수집하였으며, 필터에 대한 데이터를 Table 1과 같이 정리 하였다. 또한, 필터의 각 설계 변수들을 활용하여 FEA에서 시뮬레이션 하기 위해서는 필터의 다양한 특성값 들이 필요하다.
이론/모형
NSYS FLUENT CFX에서 제공하는 Mesh 형성기법 중에서 Inflation 과 Edge sizing 기법을 사용하였다.
그 다음으로 일정 틀 내에서 고압으로 압축을 함으로써 기공률 밀도를 다양화하여 필터를 제작한다. 따라서 실제 필터 내부 형태는 불규칙성을 가지면서 조밀하게 형성되기 때문에 컴퓨터상으로 모델링이 불가능 하여 CFX에서 제공하는 Porous Domains를 사용하였다. CFX는 복잡한 형상 주위의 층류 및 난류 유동과 열전달 문제를 해석하기 위해 개발된 상용 해석 프로그램이다.
3과 같이 모든 유체들이 지니고 있는 유동 간의 점성에 기인한다. 따라서, 점성 유체의 유동을 정확하게 표현할 수 있는 Mesh 기법인 Inflation 방법을 사용하였다. 그리고, 두 번째로 이유로서는 필터의 형상이 원기둥 형상이기 때문에 반경 방향으로의 Mesh를 일정 수로 나눔으로써 더욱 균질한 형태의 요소 형성이 가능하게 된다.
그리고, 두 번째로 이유로서는 필터의 형상이 원기둥 형상이기 때문에 반경 방향으로의 Mesh를 일정 수로 나눔으로써 더욱 균질한 형태의 요소 형성이 가능하게 된다. 또한 탱크와 필터의 모서리부분의 수렴성이 나빠지는 것을 예방하기 위해 Edge sizing 기법을 사용하였다. 이와 함께, 시뮬레이션의 시간 단축을 위하여 대칭 기능을 이용하여 전체 모델의 1/4모델에 대해서만 시뮬레이션을 실시하였다.
2(a)과 같은 폭발 압력 차트를 도출 하였다. 본 압력 결과 데이터 기반의 보간법을 이용하여 폭발압력 함수식을 구하였다. 여러 가치 보간법 방법 중에서 본 폭발압력 데이터 처리에 적합한 Polynomical fitting 방법을 이용하였다.
7 및 8은 필터에 작용하는 밀도변화를 나타낸 것이다. 본 필터의 밀도를 구하기 위해서는 이상기체 방정식을 적용하였다. 이상기체 방정식을 활용하기 위해서는 Table 6과 같은 이상기체의 매개변수를 활용하였다.
본 압력 결과 데이터 기반의 보간법을 이용하여 폭발압력 함수식을 구하였다. 여러 가치 보간법 방법 중에서 본 폭발압력 데이터 처리에 적합한 Polynomical fitting 방법을 이용하였다. Fig.
성능/효과
다음에는 온도조건과 함께 에어백 전개 시에 발생되는 폭발압력이 중요하기 때문에 폭발 단계에서의 최대 압력을 계측하였는데, 작용압력이 200bar, 소요시간 6ms가 소요되었다. 본 해석단계에서는 실제 발생압력을 적용하여야 하나 ANSYS 해석 Tool이 짧은 시간 6msec 동안에 연산이 불가능한 발산상태를 나타냈다. 물론 연구 결과의 신뢰성을 높이기 위해서는 동일한 조건하에서 해석을 실시하는 것이 타당하다.
그러나, 필터의 특성값은 어느 조건에서든지 동일한 상수값으로 나타나기 때문에 작용 압력을 기존 대비 1/10 축소한 20bar로 적용하였다. 이 같은 방법을 통하여 해석의 발산문제를 해결하였고 해석결과인 압력 손실계수를 바교적 정확하게 예측할 수 있었다.
이론해석 결과, 평균 압력손실계수는 2.343으로 압력 손실계수가 2.547인 실험 결과 값과 약간의 차이가 발생되었다. 이와 같이 약간의 오차가 발생한 주된 이유는 임플레이터 내부에서 가스 발생 시 가스 잔사가 발생하여 필터가 일부분 막히기 때문에 차이가 발생될 것이라 판단된다.
5 및 6은 최대 검출 압력이 1 대 10의 비율로 나타났을 뿐 압력 증가 및 감소 형상은 거의 동일한 양상을 나타내고 있다. 이를 통하여, 단 시간에 고압이 작용하고 있는 압력조건에서 적용 압력의 크기를 저감시켜서 해석이 가능함을 확인하였다. 자동차 에어백 장치 필터에서 발생되는 압력 변화는 소요시간 10msec, 최대압력 220bar로 선형적인 변화를 확인하였다.
이를 통하여, 단 시간에 고압이 작용하고 있는 압력조건에서 적용 압력의 크기를 저감시켜서 해석이 가능함을 확인하였다. 자동차 에어백 장치 필터에서 발생되는 압력 변화는 소요시간 10msec, 최대압력 220bar로 선형적인 변화를 확인하였다. 이 같은 변화는 자동차 충돌시 발생되는 충격을 흡수시키는데 필요한 완충력을 확보하기 위함이다.
그 면적을 메스실린더를 이용하여 얻은 필터의 기공률과 곱하여 유동장 면적을 정량적으로 계산하였다. 자동차용 에어백 임플레이터에 적용되는 필터의 유량은 소요시간 10msec, 최대 유량 1.2kg/sec 임을 확인하였다. 앞서 언급한 유압변화와 같이 유량변화도 에어백 초기 전개 시에 급격한 충격력 흡수가 가능하도록 하기 위하여 일차 함수적으로 급격한 유량증가를 유발하였다.
후속연구
따라서, 본 연구에서 제시한 자동차 에어백 필터의 압력손실계수는 최적의 에어백 인플레이터 설계. 제작에 활용할 수 있을 것이다.
향후 연구에서는 본 연구에서 제시한 압력손실계수 해석방법을 활용하여 세부적인 필터사양을 결정을 진행하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차량용 인플레이터의 역할은 무엇인가?
한편, 국내에서 양산되고 있는 에어백 인플레이터는 미국 등의 선진국에서 제공한 기술에 생산기술을 접목한 것이기 때문에 독자적인 설계 기술을 확보 하지 못하고 있다.[1] 그중 차량용 인플레이터는 에어백의 핵심 부품으로써 자동차의 충돌사고가 발생하면 내장 화약을 점화시켜 에어백을 부풀리는 역할을 한다.[2] 이 가스체의 압력을 조절하는 역할을 하는 것이 바로 인플레이터 필터이다.
인플레이터 필터는 어떤 역할을 하는가?
[1] 그중 차량용 인플레이터는 에어백의 핵심 부품으로써 자동차의 충돌사고가 발생하면 내장 화약을 점화시켜 에어백을 부풀리는 역할을 한다.[2] 이 가스체의 압력을 조절하는 역할을 하는 것이 바로 인플레이터 필터이다. 기존의 인플레이터에 대한 연구는 해석과 실험을 통하여 인플레이터 케이스의 성형 기술을 개발 하고, 최적화하여 원가절감과 에어백시스템의 경량화에 대한 연구가 수행 되어져 왔다.
정면 에어백의 장착이 국내뿐 아니라 해외 수출을 위해서 의무화가 되고 있는 이유는 무엇인가?
최근 전 세계적인 자동차 산업에서 가장 중요하게 여기고 있는 요소 중 하나인 안전에 대한 요구와 규정이 강화되고 있다. 따라서, 정면 에어백의 장착은 국내 판매뿐만 아니라 해외로의 수출을 위해서는 선택이 아닌 의무화가 되고 있다.
참고문헌 (5)
Byeong Woo Kim, Optimizing design of side airbag inflator using DOE method, KSPE, Vol. 28, No. 10, pp. 1189, 2011.
Seok Jae Chu, Developing of a pab disk type inflator, KSME, pp. 571, 2009.
Yang-Hwan Oh, A study of the thermal stability of polymer mixtures using air bags, KSTLE, Vol. 20,No. 4, pp 353-357, 2003.
MoonGeun Hong, Pressure loss coefficient mearsurements of pyrostarter filters, KARI, 2005.
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