[논문]시트-인체 진동 모델링을 이용한 승차감 해석

강주석

doi:10.7782/jksr.2015.18.3.194

시트-인체 진동 모델링을 이용한 승차감 해석
Ride Quality Analysis Using Seated Human Vibration Modeling 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.18 no.3 = no.88, 2015년, pp.194 - 202

강주석 (Uiwang Campus)

초록
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본 연구에서는 수직 진동에 노출된 승객의 승차감을 정량적으로 분석하기 위해 점탄성 특성을 가진 시트에 기댄 인체의 동적 모델링을 제시한다. 시트 위 인체의 운동을 기술하기 위해 문헌에서 찾은 5자유도계 다물체 동역학 모델이 이용되었다. 철도차량 시트에 사용되는 점탄성 특성은 비선형 강성 특성과 시간 지연을 표현하는 컨볼루션 적분으로 수식화된다. 바닥 가진에 대한 전달함수를 분석 결과 시트의 비선형 특성으로 인해 입력 가진의 크기에 따라 전달함수는 변하는 것으로 나타났다. 측정된 철도차량의 바닥 가진을 이용하여 실제적인 인체 진동 특성을 분석한다. 주파수 가중치 자승평균치 값을 계산하고 시트 설계 파라미터가 이 주파수 가중치 자승평균치에 미치는 영향을 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, dynamic modeling with viscoelastic properties of a human body resting on a seat is presented to quantitatively analyze ride quality of passengers exposed to vertical vibrations. In describing the motions of a seated body, a 5 degree-of-freedom multibody model from the literature is investigated. The viscoelastic characteristics of seats used in railway vehicles are mathematically formulated with nonlinear stiffness characteristics and convolution integrals representing time delay terms. Transfer functions for the floor input are investigated and it is found that these are different in accordance with the input magnitude due to nonlinear characteristics of the seat. Measured floor input at the railway vehicle is used to analyze realistic human vibration characteristics. Frequency weighted RMS acceleration values are calculated and the effects of the seat design parameters on the frequency weighted RMS acceleration values are presented.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 시트에 기댄 인체 모델과 시트의 점탄성 특성을 동시에 고려하여 인체 진동 특성을 분석함으로써 실제적인 승차감 예측이 가능하도록 한다. 시트가 포함된 경우 비선형 특성에 의해 진동의 가진 크기에 따라 응답이 달라지는 데이를 전달함수 측면에서 분석한다.
본 연구에서는 시트에 기댄 인체의 진동 특성과 시트의 점탄성 특성을 동시에 고려하여 승객의 승차감을 정량적으로 분석할 수 있는 인체-시트 진동 모델을 제시하였다. 시트-인체 진동 모델은 5자유도계 인체 모델에 시트의 특성을 포함하는 9자유도계 진동 모델이다.
본 연구에서는 표준 모델은 아니지만 시트에 기댄 인체의 진동 모델로 많이 이용되고 있는 Fig. 2의 인체 진동 모델을 이용하여 차량 시트와 인체의 진동을 분석하고자 한다. 이 모델에 대한 제원 및 관련 식은 참고문헌에 자세히 나와있다[9,10].
또한, 철도차량의 바닥에서 측정한 실측 가진 데이터를 이용하여 인체 진동 특성을 분석한다. 승차감 지수를 계산하고 시트 재질의 설계 특성을 분석하여 실제 시트 설계에 이용 가능한 모델과 방법을 제시하고자 한다.

가설 설정

038m 이다. 시트 바닥의 넓이는 각 지지점에서 1/2의 크기로 가정하였다. Fig.
시트의 바닥에 2개 지점에서 지지되고 시트 등의 위치에 2개 지점에서 시트의 점탄성 힘으로 지지된다. 지지 위치는 인체 모델의 지지점과 일치하는 것으로 가정하였다.

제안 방법

가진의 크기가 다른 경우 진동 전달 양상이 달라지므로 실제 여러 가진 크기가 존재하는 실측 가진 데이터를 이용하여 시트와 인체의 동적 특성을 분석하였다. Fig.
시트가 포함된 경우 비선형 특성에 의해 진동의 가진 크기에 따라 응답이 달라지는 데이를 전달함수 측면에서 분석한다. 또한, 철도차량의 바닥에서 측정한 실측 가진 데이터를 이용하여 인체 진동 특성을 분석한다. 승차감 지수를 계산하고 시트 재질의 설계 특성을 분석하여 실제 시트 설계에 이용 가능한 모델과 방법을 제시하고자 한다.
시트는 식 (2)와 같이 비선형 특성을 포함하므로 입력 가진의 크기에 따라 전달 함수 특성을 달라질 수 있다. 본 연구에서는 입력 가진 크기 B=0.001m, 0.01m, 0.1m에 대해 전달 함수를 구하였다.
시트 바닥 가진에 대한 시트에 기댄 인체의 진동 특성을 분석하기 위해 전달 함수를 구하였다. 이를 위한 시트 바닥 가진은 다음 식과 같다.
본 연구에서는 시트에 기댄 인체 모델과 시트의 점탄성 특성을 동시에 고려하여 인체 진동 특성을 분석함으로써 실제적인 승차감 예측이 가능하도록 한다. 시트가 포함된 경우 비선형 특성에 의해 진동의 가진 크기에 따라 응답이 달라지는 데이를 전달함수 측면에서 분석한다. 또한, 철도차량의 바닥에서 측정한 실측 가진 데이터를 이용하여 인체 진동 특성을 분석한다.
시트의 설계 변수를 변화시키며 주파수 가중치 가속도 RMS a_w의 변화를 계산하였다. 여기서는 시트의 강성값 k_j, 준-정역학적 특성값 aj, 시트의 등 부위의 두께, 시트의 바닥 두께 변화를 20% 감소 시킨 경우 주파수 가중치 가속도 RMS의 변화를 계산하였다.
8은 바닥 진동 가속도에 대한 인체 머리의 수직 방향(y) 가속도와 수평방향(x) 가속도 전달함수이다. 시트의 진동 전달 특성을 알아보기 위해 시트의 점탄성 특성이 고려되지 않은 상태인 Fig.2 의 인체 모델과 비교하였다. 점선은 시트의 점탄성 특성이 고려되지 않은 경우 인체에 대한 전달함수이다.
이는 시트가 포함됨으로써 강성이 약화됨을 의미한다. 실제 이 효과로 인한 인체 진동에 대한 시트의 기여도를 실측 가진 데이터을 이용하여 다음 절과 같이 승차감 지수를 분석하였다.
10은 철도차량 차체 바닥에서 측정한 가속도 측정 결과이다. 이 가속도 결과를 이용하여 시트에 기댄 인체 모델에 대한 가속도 응답을 구하였다.
인체 각 부위의 진동 응답을 정량적으로 표시하기 위하여 다음 식과 같이 ISO 2631-1의 주파수 가중치 가속도의 RMS(자승평균치) VDV(Vibration dose value)를 계산하였다[11].
진동에 대한 시트의 기여도를 철도차량 차체 바닥에서 측정한 가속도 측정 결과를 이용하여 승차감 특성을 분석하였다. 인체의 주파수 가중치 가속도 RMS는 수직 방향이 지배적이었으며 머리 부위의 수직방향이 29.

대상 데이터

본 연구에서 사용된 시트는 철도 차량 승객용 시트로서 형상은 Fig. 3과 같다. 재질 특성은 Fig.

이론/모형

위의 식을 수치적분하여 수치해를 구한다. 본 연구에서는 Runge-Kutta 방법을 이용하였다.
인체 모델은 집중질량이 아닌 수직 및 수평방향 진동 특성까지 포함하는 2차원 모델이며 현실 적인 승객의 진동 특성을 고려할 수 있다. 시트는 철도차량 승객용 시트에 대한 비선형 특성과 시간 지연 특성을 나타내는 수학적인 하중-변형 모델을 이용하였다.

성능/효과

가진의 크기와 관계없이 시트의 점탄성 특성이 고려되는 경우 인체의 진동 피크치가 낮아지는 것을 확인하였다. 이는 시트가 포함됨으로써 강성이 약화됨을 의미한다.
8Hz로 이동하며 진동 전달도 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 가진의 크기와 관계없이 시트가 포함되지 않을 때의 인체 진동 피크치가 시트의 점탄성 특성을 고려하는 경우 낮아지는 것을 확인하였다.
9는 바닥 진동 가속도에 대한 복부에서의 수직 방향(y) 가속도와 수평방향(x) 가속도 전달함수이다. 수직 방향 가속도는 머리와 비슷한 전달 특성을 가지나 수평방향 가속도는 가진 변위가 작은 경우에도 피크치가 존재하는 것으로 나타났다.
시트 바닥 입력 가진에 대한 인체의 진동 특성은 시트의 비선형 특성으로 인해 가진의 크기에 따라 전달함수 특성이 변화하는 것으로 나타났다. 수직 방향 가속도는 시트의 점탄성 특성이 고려되지 않은 경우 인체 모델에서 나타난 5.7Hz의 피크치에서 가진의 크기가 0.001m와 0.01m의 가진인 경우 3.7Hz 부근으로 피크치가 나타났으나 0.1m의 가진인 경우 4.8Hz로 이동하며 진동 전달도 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 가진의 크기와 관계없이 시트가 포함되지 않을 때의 인체 진동 피크치가 시트의 점탄성 특성을 고려하는 경우 낮아지는 것을 확인하였다.
수평 방향 가속도는 가진 변위가 작은 경우인 0.001m와 0.01m에서는 진동 전달이 많이 감소하였으나 가진 변위가 큰 경우인 0.1m에서는 시트의 점탄성 특성이 고려되지 않은 경우와 비슷한 진동 전달 특성을 보였다.
시트 바닥 입력 가진에 대한 인체의 진동 특성은 시트의 비선형 특성으로 인해 가진의 크기에 따라 전달함수 특성이 변화하는 것으로 나타났다. 수직 방향 가속도는 시트의 점탄성 특성이 고려되지 않은 경우 인체 모델에서 나타난 5.
9%로 감소하였다. 시트 바닥의 두께를 20% 줄인 경우, 주파수 가중치 가속도 RMS 값은 평균적으로 102.0%로 증가하는 것으로 나타났다. 시트 바닥의 두께를 축소하는 경우 제조 원가는 감소하나 승차감은 악화되므로 시트 설계시 고려하여야 한다.
시트의 설계 변수를 변화시키며 주파수 주파수 가중치 가속도 RMS 변화를 계산한 결과, 시트의 강성값과 등 부위 두께를 감소하는 경우 승차감이 일부 개선되나 바닥 두께를 축소하는 경우 승차감이 일부 악화하는 결과를 보였다.
진동에 대한 시트의 기여도를 철도차량 차체 바닥에서 측정한 가속도 측정 결과를 이용하여 승차감 특성을 분석하였다. 인체의 주파수 가중치 가속도 RMS는 수직 방향이 지배적이었으며 머리 부위의 수직방향이 29.5%로 가장 컸으며, 머리 부위의 수평방향 전달률은 5.4%로 가장 작게 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대부분의 인체 진동모델은 어떻게 만들어지는가?	이들 인체 진동 모델은 대부분 인체에 대한 진동 시험 결과를 반영하여 얻어진다. 질량 및 감쇠, 강성으로 이루어진 인체의 강체 진동계 모델의 진동 응답을 인체 진동 시험의 평균치와 비교하여 가장 가까운 진동 모델을 구함으로써 완성된다. 그러므로, 인체 진동모델은 진동 가진에 대한 인체의 진동 응답을 시험을 대체하여 정확하게 계산할 수 있는 효율적인 방법이다.
	철도차량의 경우 승차감 지수를 어떻게 정하고 있는가?	승차감은 정성적 특성이지만 객관적이며 정량적인 평가방법을 개발하기 위한 시도가 계속 이어져 왔다. 철도차량의 경우 차량 바닥에서 측정한 진동 가속도에 인체 감응 가중치를 주파수 대역에서 곱하여 구한 값을 정량적인 승차감 지수로 이용하고 있다[1,2]. 다만, 이 승차감 지수 값은 차량 현가계의 특성에 따라 변화될 수 있는 값이지만 시트의 특성과는 무관하여 시트 설계에는 이용할 수 없는 단점이 있다.
	시트에서 인체 진동 모델은 어떻게 나뉠 수 있는가?	시트의 동역학적 특성을 고려하여 승차감을 분석하기 위해서는 인체의 진동 모델까지 포함하여야 한다. 인체 진동 모델은 크게 수직 진동 모델과 시트에 기댄 모델이 있다. 수직 진동 모델은 수많은 시험과 해석 등을 통해 표준화된 모델이 존재한다[3,4].

참고문헌 (11)

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International Organization for Standardization (1997) International Standard 2631-1 Mechanical vibration and shock-evaluation of human exposure to whole!body vibration. Part 1: general requirements.

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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