[논문]USNCAP에 대응하는 반응표면법을 이용한 조수석 안전구속장치 최적화

오은경; 이기선; 손창규; 김동석; 채수원

doi:10.7467/ksae.2014.22.6.001

USNCAP에 대응하는 반응표면법을 이용한 조수석 안전구속장치 최적화
Optimization of Passenger Safety Restraint System for USNCAP by Response Surface Methodology 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.22 no.6, 2014년, pp.1 - 8

오은경 (고려대학교 기계공학과) , 이기선 (한국GM AVD & CAE 본부) , 손창규 (한국GM AVD & CAE 본부) , 김동석 (한국GM 안전, 법규 및 제품조사 본부) , 채수원 (고려대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Safety performance of a new car is evaluated through USNCAP and their results in the star rating are provided to the consumers. It is very important to obtain high score of USNCAP to appeal their performance to consumers. Therefore the car companies have made the effort to improve their car safety performance. These efforts should satisfy the demand not only to get high score but also to pass the FMVSS, NHTSA regulations on safety. Huge numbers of car crash tests have been conducted on these bases by car companies. However physical tests spend too much cost and time, as an alternative way, the simulation on the car crash could be a solution to reduce the cost and time. Therefore the simulations have been widely conducted in car industry and various researches on this have been reported. In this study, restraint system had been optimized to minimize the injury of female passenger. Belted $5^{th}%ile$ female frontal crash test was selected from various test methods of USNCAP for the study. Initial velocity of the test was 56km/h. The combination injury probability of USNCAP was selected as an objective function and the injury limit value, which was defined in FMVSS, was set to an optimization constraint. Many researches that were similar to this study had been conducted, however most of them had limitation that interaction between airbag and safety belt had not been considered. Contrary to these researches, the interaction was considered in this study.

주제어

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문제 정의

남성보다 상해정도가 큰 여성 더미에 대한 실험 조건이 추가하여 좀 더 엄격한 설계를 유도한다.⁵⁾ 따라서 본 연구에서는 여성 더미의 종합상해가능성을 최소화하는 것을 목표로 조수석 안전구속장치 최적화 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 이 때 FMVSS에서 규제한 상해치 상한값을 최적화 구속 조건으로 두기 위해 벨트 미착용 남성 더미 정면 충돌 시뮬레이션 모델을 구성하였다.
본 연구는 USNCAP에 대응하는 5^th%ile여성더미 안전벨트 착용 시뮬레이션과FMVSS법규를 만족시키기 위한 50^th%ile남성 더미 안전벨트 미 착용 시뮬레이션을 구성함으로써 조수석 여성 승객의 상해 저감시키며 관련 법규에 대응할 수 있는 조수석 안전 구속장치의 설계변수 최적 조합을 찾고 조수석 안전 구속장치의 최적화 기술을 연구하는데 그 목적이 있다.
본 연구에서는 분산 기반 민감도 분석을 통해 안전구속장치 설계변수를 선정 후 최적화를 수행하여 에어백 설계변수와 안전벨트 설계변수 간의 교호작용이 고려된 여성 더미 종합상해가능성 저감을 위한 최적 설계조합을 도출하였다.
본 연구의 최적화 목표는 FMVSS208 법규에 대응함과 동시에 USNCAP에서 높은 등급을 받는 것이다. 따라서 더미의 종합상해 가능(Pcomb)을 목적 함수로 설정하고 이를 최소화 되도록 최적화 문제를 설정하였다.
USNCAP에서는 에어백과 안전벨트를 장착시킨 차량의 충돌 실험을 실시하여 더미의 종합 상해가능성을 측정하여 신차의 안전도를 평가하여 등급화한다. 이 정보를 소비자들에게 공개함으로써 소비자들이 신차의 상품성을 평가 할 수 있는 기회를 제공한다.

제안 방법

본 연구의 최적화 목표는 FMVSS208 법규에 대응함과 동시에 USNCAP에서 높은 등급을 받는 것이다. 따라서 더미의 종합상해 가능(Pcomb)을 목적 함수로 설정하고 이를 최소화 되도록 최적화 문제를 설정하였다. 또한 Table 3과 같은 법규 상해치 상한 값을 넘지 않도록 제한을 주어 FMVSS208 법규를 대비하였다.
본 연구에서는 에어백 설계변수와 안전벨트설계 변수를 동시에 최적화를 수행하여 교호작용을 고려될 수 있게 하였다. 또한 분산기반 민감도 분석을 통해 안전벨트의 주요 설계 변수와 에어백의 주요 설계변수를 선정하여 최적화를 진행하였다.
반응표면 생성을 통해 교호작용이 존재하는 변수들 간의 승객 상해에 대한 상호 영향을 분석하였다. 향후 정면 충돌 상황 뿐 아니라 다양한 충돌 상황에 효과적으로 대응하는 restraint system의 최적화 연구가 가능할 것으로 예상된다.
반응표면의 근사도를 높여 보다 정확한 최적값을 찾기 위해 반복(iteration)을 수행하였다. 이 때 변수 수준들 간의 차는 Table 9와 같이 줄여 첫 번째 반응 표면법보다 좀 더 세밀한 조사를 통해 반응표면의 근사도를 높이고자 하였다.
벨트 미 착용 조수석 남성 더미 충돌 시뮬레이션을 수행하여 법규에 만족하는 조합들을 분리하였다. 이를 통해 FMVSS 208을 만족하며 USNCAP에 대응하는 최적화를 수행하였다.
본 연구에서는 에어백 설계변수와 안전벨트설계 변수를 동시에 최적화를 수행하여 교호작용을 고려될 수 있게 하였다. 또한 분산기반 민감도 분석을 통해 안전벨트의 주요 설계 변수와 에어백의 주요 설계변수를 선정하여 최적화를 진행하였다.
이는 여성 더미에 맞춰 모델링 된 시트 쿠션(seat cusion)과 남성더미 간의 침투(penetration)를 일으키는 원인이다. 본 연구에서는 이를 해결하기 위해 남성더미를 하나의 강체 파트(rigid part)로 구성 후 여성 더미에 맞춰진 시트 쿠션을 눌러주는 사전 해석(pre-simulation)을 통해 남성더미와 침투가 없는시트쿠션을 제작하여 남성 더미 충돌 해석 모델에 적용시켰다. Fig.
생성된 반응표면을 통해 상해 구조를 분석하였다. Fig.
설계영역 내에서 실제 설계 기준 값과 설계 한계값을 고려하여 실제 모델에 적용할 수 있도록 설계 인자 수준을 설정하였다. 각 설계 인자에 5의 수준을 주어 Table 4와 Table 5와 같이 표시하였다.
실제 충돌 실험에서 FMVSS에 규제된 시트와 더미의 위치를 맞춘 후 이와 같이 시뮬레이션 모델에 적용시킨다. 여성더미의 경우 보다 남성 더미의 무게가 크기 때문에 여성더미의 H-point보다 남성더미의 H-point가 아래에 위치하게 된다.
⁵⁾ 따라서 본 연구에서는 여성 더미의 종합상해가능성을 최소화하는 것을 목표로 조수석 안전구속장치 최적화 시뮬레이션 연구를 수행하였다. 이 때 FMVSS에서 규제한 상해치 상한값을 최적화 구속 조건으로 두기 위해 벨트 미착용 남성 더미 정면 충돌 시뮬레이션 모델을 구성하였다.
반응표면의 근사도를 높여 보다 정확한 최적값을 찾기 위해 반복(iteration)을 수행하였다. 이 때 변수 수준들 간의 차는 Table 9와 같이 줄여 첫 번째 반응 표면법보다 좀 더 세밀한 조사를 통해 반응표면의 근사도를 높이고자 하였다.
분산기반 민감도 분석을 통해 선정된 안전구속장치의 설계변수에 대해 Table 6과 같이 각 5(기준점0, 2^k 요인실험점 1과 -1, 축점 2와 -2) 수준을 선정하였다. 이 때 중간 수준을 초기 설계인자 조합의 최적값으로 설정하여 중심합성법 적용 시 초기 설계 인자 조합을 중심으로 실험설계가 구성되도록 하였다. 본 연구에서는 충돌해석 문제가 가지고 있는 비선형성을 감지하는데 탁월한 중심합성법(CCD, Cenral Composit Design)을 적용하였다.
벨트 미 착용 조수석 남성 더미 충돌 시뮬레이션을 수행하여 법규에 만족하는 조합들을 분리하였다. 이를 통해 FMVSS 208을 만족하며 USNCAP에 대응하는 최적화를 수행하였다.

대상 데이터

4는 시트의 중심 단면이며 회색 선은 여성 더미에 맞춰진 시트에 해당하며 검정색선은 남성 더미에 맞춰진 시트에 해당한다. 감속도 곡선은 FMVSS208 실험 조건인 40km/h로 정면 충돌 시킨 실제 시험으로부터 얻어진 결과를 사용하였다.
남성 승객거동 해석 모델은 Fig. 2와 같이 조수석에 대하여 모델링하였다. 시뮬레이션에 사용되는 모델의 구성은 Hybrid III 50^th%tile 남성 더미, 더미, 에어백, 차체 골격(BIW), 계기판(Instrument panel), 시트로 구성이 된다.
2와 같이 조수석에 대하여 모델링하였다. 시뮬레이션에 사용되는 모델의 구성은 Hybrid III 50^th%tile 남성 더미, 더미, 에어백, 차체 골격(BIW), 계기판(Instrument panel), 시트로 구성이 된다. 시트의 위치와 H-point는 차종과 더미 종류에 따라 다르다.
1과 같이 조수석에 대하여 모델링 하였다. 시뮬레이션에 사용되는 모델의 구성은 Hybrid-III 5^th%tile 여성 더미, 에어백, 차체 골격(BIW), 계기판(Instrument panel), 시트, 안전벨트로 구성이 된다. 감속도 곡선은 USNCAP 실험 조건인 56km/h로 정면 충돌 시킨 실제 시험으로부터 얻어진 결과를 사용하였다.
이에 따라 안전구속장치의 설계인자는 랩 벨트 유입량, 로드리미터 포스, 인플레이터압력, 테더 길이로 선정하였다.
중심합성계획법의 실험점은 독립변수 k개가 있을 때 2^k개의 실험점과 2k개의 축점 그리고 중심점(n₀)으로 이루어져 실험점의 수는 총 2^k + 2k + n₀가 되므로 본연구에선 총 25개가 된다. 이 때 축점의 좌표값은 #이므로 여기선 2가 된다.

이론/모형

본 연구에서는 충돌해석 문제가 가지고 있는 비선형성을 감지하는데 탁월한 중심합성법(CCD, Cenral Composit Design)을 적용하였다. Table 7의 중심합성법을 적용하여 총 25번의 시뮬레이션을 수행하였다.
이 때 중간 수준을 초기 설계인자 조합의 최적값으로 설정하여 중심합성법 적용 시 초기 설계 인자 조합을 중심으로 실험설계가 구성되도록 하였다. 본 연구에서는 충돌해석 문제가 가지고 있는 비선형성을 감지하는데 탁월한 중심합성법(CCD, Cenral Composit Design)을 적용하였다. Table 7의 중심합성법을 적용하여 총 25번의 시뮬레이션을 수행하였다.
신차 안전성능은 미국 신차 안전도 평가 프로그램(USNCAP, United States New Car Assessment Program)을 통해 평가 된다.³⁾

성능/효과

반복(iteration) 결과 Fig. 7과 같이 두 번째 최적조합의 종합상해가능성이 첫 번째 최적조합의 종합상해가능성 보다 감소하였음을 확인 할 수 있었다. 이는 두 번째 반응표면법의 경우가 첫 번째 반응표면법의 경우보다 국부 범위를 조사하여 국소 최소해를 도출하였다고 판단할 수 있다.
에어백의 설계인자 4개의 민감도 분석 결과는 Fig. 6과 같이 인플레이터 압력, 테더 길이, 인플레이터 작동시간, 벤트 홀 크기 순으로 민감도가 크게 측정되었다.
테더 길이가 적정값보다 짧은 경우에는 에어백이 테더에 의해 전개가 방해되며 에어백과 더미 상체 사이의 공간이 발생하여 에어백이 더미 상체를 충분히 받쳐주지 못한다. 이 상태에서 랩 벨트 유입량이 클수록 더미의 상체가 랩 벨트 유입량이 적은 경우보다 상대적으로 앞으로 쏠리게 되어 더미 몸통과 머리의 상대 운동을 유발시켜 목 상해(Nij)가 커지기 때문에 종합 상해가능성이 커진 것으로 판단된다.

후속연구

반응표면 생성을 통해 교호작용이 존재하는 변수들 간의 승객 상해에 대한 상호 영향을 분석하였다. 향후 정면 충돌 상황 뿐 아니라 다양한 충돌 상황에 효과적으로 대응하는 restraint system의 최적화 연구가 가능할 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	에어백과 안전벨트는 어떠한 역할을 하는가?	에어백과 안전벨트는 대표적인 자동차 안전장치로, 차량 충돌 시 승객을 구속해줌으로써 승객이 차량 내부 구조물과 부딪히거나 차량 밖으로 튀어나가는 것을 막아준다. 에어백과 안전벨트의 작동으로 인해 차량 충돌 사고 시 사망 비율이 줄어들었다.
	신차 안전성능은 무엇을 기준으로 평가되는가?	신차 안전성능은 미국 신차 안전도 평가 프로그램(USNCAP, United States New Car Assessment Program)을 통해 평가 된다.3)
	자동차 회사들이 신차의 안전 성능을 향상 시키는데 많은 노력을 하는 이유는?	자동차의 안전장치가 발전함에 따라 자동차의 안전 성능은 소비자들이 차량 구매 시 중점적으로 고려하는 사항 중 하나가 되었다.1) 이에 따라 자동차 회사들은 신차의 안전 성능을 향상 시키는데 많은 노력을 기울이고 있다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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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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