차륜형전투차량은 보병부대의 전투력 강화와 기동성 향상을 목적으로 운용하는 군용차량이다. 전투차량은 운용 특성상 험난한 지형의 주행이 불가피하고 높은 무게 중심으로 인해 전복 사고의 위험성이 크다. 이러한 이유로 전투차량의 내부는 전복 사고에 따른 승무원의 안전성을 고려하여 설계해야 할 필요가 있다. 하지만 실제 차량을 이용한 시험은 현실적으로 많은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 차륜형전투차량의 전복 시험을 모사하여 승무원의 안전성을 측정하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션 및 모델링 방법에 관한 연구를 수행한다. 본 논문의 연구 범위는 전투차량 전복 시험 조건, 전투차량 유한요소 모델링, 유한요소 인체 더미의 적용 방법, 전복 시험 시뮬레이션, 시뮬레이션 적용 시 발생 가능한 문제와 해결 방안 제시, 인체 상해치 계산 및 평가를 포함한다.
차륜형전투차량은 보병부대의 전투력 강화와 기동성 향상을 목적으로 운용하는 군용차량이다. 전투차량은 운용 특성상 험난한 지형의 주행이 불가피하고 높은 무게 중심으로 인해 전복 사고의 위험성이 크다. 이러한 이유로 전투차량의 내부는 전복 사고에 따른 승무원의 안전성을 고려하여 설계해야 할 필요가 있다. 하지만 실제 차량을 이용한 시험은 현실적으로 많은 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 차륜형전투차량의 전복 시험을 모사하여 승무원의 안전성을 측정하기 위한 컴퓨터 시뮬레이션 및 모델링 방법에 관한 연구를 수행한다. 본 논문의 연구 범위는 전투차량 전복 시험 조건, 전투차량 유한요소 모델링, 유한요소 인체 더미의 적용 방법, 전복 시험 시뮬레이션, 시뮬레이션 적용 시 발생 가능한 문제와 해결 방안 제시, 인체 상해치 계산 및 평가를 포함한다.
A wheeled armored vehicle is a military vehicle that has been developed to enhance combat capabilities and mobility for the army. The wheeled armored vehicle has a high center of gravity, and it operates on unpaved and sloped roads. Therefore, this vehicle has a high risk of rollover crashes. To des...
A wheeled armored vehicle is a military vehicle that has been developed to enhance combat capabilities and mobility for the army. The wheeled armored vehicle has a high center of gravity, and it operates on unpaved and sloped roads. Therefore, this vehicle has a high risk of rollover crashes. To design the interior of the military vehicle, the crew's safety during rollover crashes is an important factor. However, actual vehicle tests for design are extremely expensive. In this paper, nonlinear dynamic analysis is performed to simulate the rollover crashes and the passenger injury is assessed for a wheeled armored vehicle. The scope of this research is the rollover condition, FE modeling of the wheeled armored vehicle and the dummy, arrangement of dummies, assessment of passenger injuries, and simulation model for rollover crashes.
A wheeled armored vehicle is a military vehicle that has been developed to enhance combat capabilities and mobility for the army. The wheeled armored vehicle has a high center of gravity, and it operates on unpaved and sloped roads. Therefore, this vehicle has a high risk of rollover crashes. To design the interior of the military vehicle, the crew's safety during rollover crashes is an important factor. However, actual vehicle tests for design are extremely expensive. In this paper, nonlinear dynamic analysis is performed to simulate the rollover crashes and the passenger injury is assessed for a wheeled armored vehicle. The scope of this research is the rollover condition, FE modeling of the wheeled armored vehicle and the dummy, arrangement of dummies, assessment of passenger injuries, and simulation model for rollover crashes.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 인체 더미의 머리 상해치를 측정해 승무원의 안전성을 판단한다.
본 논문은 전투차량의 전복 사고 해석을 위한 시험 방법을 정의하고 현재 전투차량 설계안에 대한 승무원 안전성을 평가하는 방법을 제시하였다.
본 연구는 차륜형전투차량의 전복 상황 시 승무원 안전성을 평가하고 승무원 거동 특성을 분석하기 위한 전복 조건과 시뮬레이션 방법을 제시한다. 이러한 연구를 통하여 실제 차량 시험에 드는 비용과 시간을 효과적으로 줄일 수 있으며, 전투차량 설계 시 실내 안전성을 높이는 방안을 검토할 수 있고 수정된 새로운 설계안에 대한 재해석 시시뮬레이션 모델링 상에 시행착오를 줄일 수 있다.
가설 설정
두 번째 문제는 탑승하는 더미 모델에 초기 속도가 부분적으로 적용되지 않는 것이다. 더미 모델의 팔과 다리가 몸통을 따라오도록 부분적으로 자유도가 제약된다.
제안 방법
그리고 자유낙하 전복 시험 조건을 바탕으로 전투차량 모델의 전복 시험을 실시하고 승무원의 안전성을 평가하였다.
전투차량의 전복 시 가혹한 낙하 충격 상황을 고려하기 위하여 바닥은 강체로 모델링 하였다.
본 시험에서는 주행 중 발생하는 전복 상황으로 S-곡선 주행 시험 시 속도에 따른 상해치 결과를 관찰한다. 그리고 자유낙하 시험 방법에 따라 산출된 인체 상해치와 S-곡선 주행 전복 시험에 의해 산출된 인체 상해치 간의 연관성을 평가한다.
을 참고하여 전투차량 전복 시험 방법을 정의하였다. 그리고, 전복 사고 시 인체상해 및 사망에 관한 통계 자료(4,5)를 분석하였다. 그 결과, 머리 상해가 전복 시 탑승자에게 가장 치명적인 부상 및 사망의 원인이 되는 것으로 나타났다.
첫 번째 해결 방법은 접촉조건 명령어를 중복하여 사용하는 것이다. 두 번째 해결 방법은 2차원 요소의 너비를 늘려 더미와의 접촉면적을 늘리는 것이다. 접촉면적이 늘어나면 벨트의 응력이 분산되어 접촉조건을 무시하고 통과하는 현상뿐 아니라 어깨의 Negative volume도 해결할 수 있다.
차량 모델에 현가장치와 조향장치의 기능은 추가하지 않았다. 따라서 5.1장에서 설명한 것과 같이 초기 속도만을 이용하여 가이드레일을 따라 주행하는 모델링 방법을 사용하였다.
또한 이렇게 정립된 자유낙하 전복 시험의 시험 특성을 확인하기 위하여 주행 중 발생 가능한 전복 상황을 시뮬레이션하고 인체 상해도 결과를 비교한다.
이러한 상황은 어깨 끝에 벨트가 걸려 응력이 집중되면서 Negative volume이 발생할 수 있다. 문제를 해결하기 위하여 Fig. 8과 같이 어깨 사이에 1차원 벨트요소를 추가하여 모델링 하였다. 이러한 모델링에 의해 벨트가 어깨를 벗어나는 현상을 막을 수 있다.
(2,6,7) 머리상해기준값의 수식은 식 (1)과 같다. 본 논문에 기록된 머리상해기준값의 결과는 보안 관련 사항이므로 정확한 수치를 기록하지 않으며, 이를 대신하여 정규화가 이루어진 머리상해기준값을 사용한다. 규화가 이루어진 머리상해기준값을 사용한다.
본 논문에서는 한국, 유럽 대형차량의 자유낙하전복 시험 기준(2,3)을 참고하여 전투차량 전복 시험 방법을 정의하였다. 그리고, 전복 사고 시 인체상해 및 사망에 관한 통계 자료(4,5)를 분석하였다.
본 시험에서는 주행 중 전복을 발생시키기 위해 마지막 540°로 조향한 상태를 유지함으로써 전복상황을 설정한다.
본 연구의 전복 상황 해석은 4장에서 소개한 바와 같이 전투차량의 자유낙하를 이용하여 승무원의 상해치를 측정하고 승무원 안전성을 판단한다. 그러나 이러한 시험 방법이 주행 중 발생하는 전복 사고와 유사성을 갖는지 확인할 필요가 있다.
빗면의 기울기를 조절하여 차량의 무게 중심이 가장 높은 위치에서 자유낙하 하도록 하였다.
위에서 정의한 자유낙하 전복 시험 방법으로 전복 조건을 모델링하여 비선형 동적 해석을 수행한다. 이 결과를 통해 승무원의 동적 거동 및 상해치를 분석하고 안전도를 평가한다.
위에서 정의한 자유낙하 전복 시험 방법으로 전복 조건을 모델링하여 비선형 동적 해석을 수행한다. 이 결과를 통해 승무원의 동적 거동 및 상해치를 분석하고 안전도를 평가한다. 또한 이렇게 정립된 자유낙하 전복 시험의 시험 특성을 확인하기 위하여 주행 중 발생 가능한 전복 상황을 시뮬레이션하고 인체 상해도 결과를 비교한다.
자유낙하 시험의 특성을 검증하기 위해 주행중 발생 가능한 실제 전복 사고 상황을 시뮬레이션하고, 그 결과를 자유낙하 시험과 비교하였다.
전투차량에 관한 전복 시험 사례가 없기 때문에 비슷한 조건을 가지는 대형차량 전복 시험 규정을 활용하여 자유낙하 전복 시험 조건을 설정하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용하는 인체 더미 모델은 Fig. 4와 같은 성인 남성 더미 모델(Hybrid III 95th percentile male dummy)이다.
성인 남성 더미의 유한요소 모델은 비선형 동적 해석 소프트웨어 프로그램 LSDYNA(8)의 LSTC사에서 제공하는 188cm, 100kg의 인체 더미 모델이다. 이러한 유한요소 모델은 4,383개의 요소로 이루어져 있으며, 전투차량의 전복 해석에는 5인의 유한요소 더미가 사용되었다.
전투차량의 유한요소 모델은 실제 차량 설계에 포함된 재료 정보를 적용하여 Fig. 3과 같이 평균크기가 40mm인 93,635개의 요소로 모델링 하였다.
한국과 유럽의 대형차량 전복 시험을 시행하기 위해 Fig. 2와 같이 전투차량을 모델링 하였다.
이론/모형
그 결과, 머리 상해가 전복 시 탑승자에게 가장 치명적인 부상 및 사망의 원인이 되는 것으로 나타났다. 따라서 탑승자의 상해 평가는 머리 상해치를 기준으로 하였고 측정방법은 머리상해기준값(HIC, Head Injury Criterion)을 이용한다.(2,6,7)
성능/효과
이러한 연구를 통하여 실제 차량 시험에 드는 비용과 시간을 효과적으로 줄일 수 있으며, 전투차량 설계 시 실내 안전성을 높이는 방안을 검토할 수 있고 수정된 새로운 설계안에 대한 재해석 시시뮬레이션 모델링 상에 시행착오를 줄일 수 있다.
따라서 앞에서 정의한 자유낙하 시험 방법은 55km/h의 주행 중 전복 상황보다 완만한 전복 시험 조건임을 확인할 수 있다. 그리고 자유낙하시험 방법이 주행 중 발생하는 승무원 거동 특성및 인체 상해치 경향을 유사하게 반영함을 확인하였다. 자유낙하 시험 방법은 S-곡선 주행 시험보다 해석 시간이 적게 필요하며 해석을 위한 모델링도 간단하다는 장점이 있다.
또한 자유낙하 전복 시험의 결과와 비교하여 볼 때, 자유낙하 전복 시험의 조건이 55km/h의 주행 중 전복 시험 보다 완만한 시험임을 확인할 수 있다.
시험의 비교 결과, 55km/h, 65km/h, 75km/h의 S-곡선 주행 시험은 자유낙하 전복 시험의 결과와 비교하여 각각 승무원 상해치 평균 1.28배, 1.50배, 1.92배 높은 머리상해기준값을 기록하였다.
위의 자료를 참고한 결과, 머리상해치가 전복사고 시 가장 중요한 상해 원인이라는 것을 판단할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 인체 더미의 머리 상해치를 측정해 승무원의 안전성을 판단한다.
전복 충격에 따른 위치별 승무원의 거동을 살펴보면, 충격 전후 더미의 움직임 방향과 이동량 특성이 자유낙하 전복 시험에서의 거동과 크게 다르지 않음을 확인할 수 있다. S-곡선 주행 전복 시험의 인체 상해치 결과는 Table 2와 같다.
후속연구
이러한 시험 및 평가 방법의 정립은 앞으로 설계개선을 위한 기초 자료로 활용할 수 있다.
다음 설계가 전투차량의 실내 안전성 향상을 목적으로 한다면, 앞에서 정의한 시험 방법을 토대로 최적설계 기법을 적용할 수 있겠다. 향후, 승무원 좌석과 머리받침대 설계 시 형상최적설계 기법을 적용하여 차량 경량화와 함께 승무원 안전성을 개선하는 연구가 추가로 수행되어야 하겠다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
차륜형전투차량의 전복 사고 시 승무원 상해에 대한 안전성 확보연구가 필요한 까닭은 무엇인가?
때문에 차량 운행 중 발생 가능한 전복 사고에 대비하여 탑승자를 보호할 수 있는 전투차량의 실내공간 설계가 필요하다. 그러나, 군용 차량은 상용차량과 달리 탑승자 보호를 위한 안전장치의 적용이 매우 제한적이다. 따라서 현재 차륜형전투차량의 설계안이 전복 사고 발생시 승무원의 상해에 미치는 영향과 실내 안전성 확보 여부에 관한 연구가 필요하다.
차륜형전투차량이 전복 가능성이 높은 까닭은 무엇인가?
차륜형전투차량은 차량 운용의 특성상 험난한 지형의 주행이 불가피하며 구조적으로 높은 무게중심을 갖고 있다. 이러한 점이 차륜형전투차량의 전복 가능성을 높인다.
2000년대 호주의 차량 전복 사망사고 중 머리 상해로 인한 사망률은 얼마인가?
호주의 NCIS(National Coroners Information System) 자료에 따르면 2000~2007년 호주 차량 전복 사망사고 중 머리 상해로 인한 사망이 54.7%를 기록하고 있다. (4) 미국의 1995~2003년 차량 전복 사고 통계자료에 따르면 전복 사고로 인한 중상 이상(AIS3+, Abbreviated Injury Scale)의 상해 원인 중 머리 상해는 좌석벨트 착용 시 35%, 좌석벨트 미착용 시 49%이다.
참고문헌 (10)
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Kim, H. B., Lee, K. H., Lee, K. W., Kim, J. H., Lee, J. Y., Jung, U. J. and Park, G. J., 2012, "Analysis of Rollover Crashes and Passenger Injury Assessment for a Wheeled Armored Vehicle," The Korean Society of Automotive Engineers, pp. 2694-2702.
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