[논문]실험계획법을 이용한 SUV의 보행자 보호 시스템 설계

이영명; 최원석; 박경진

doi:10.7467/ksae.2016.24.1.024

실험계획법을 이용한 SUV의 보행자 보호 시스템 설계
Pedestrian Protection System Design for SUV Using the Design of Experiments 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.24 no.1, 2016년, pp.24 - 32

이영명 (한양대학교 기계공학과) , 최원석 (한양대학교 기계공학과) , 박경진 (한양대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The mortality rate of car-pedestrian accidents is quite high, compared to the frequency of accidents. Researches on pedestrian protection are being actively performed worldwide. The A-pillar and lower part of the wind shield cause the most serious damage to the pedestrians. Typical devises to protect the pedestrians are the hood lift system and pedestrian airbag. The design of such devices for an sport utility vehicle is performed based on a design process using design of experiments (DOE). The design results are obtained by an orthogonal array (OA), analysis of mean (ANOM) and analysis of variance (ANOVA). A metamodel is also used in the design process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

논문에서는 SUV (sport utility vehicle) 보행자 보호 시스템을 대상으로 보행자의 생명에 큰 영향을 미치는 머리상해지수(head injury criterion, HIC)를 최소화 할 수 있도록 실험계획법을 이용한 보행자 보호 시스템의 설계방법론을 제안한다. 보행자 보호시스템의 실제 제작이 가능한 9가지 사양을 설계변수로 선정하고 제안한 설계방법론을 통해 산출한 보행자 보호 시스템과 기준 보행자 보호 시스템의 HIC를 비교하여 성능을 검증하였다.
본 연구는 SUV차량의 보행자보호를 위한 보행자 보호 시스템 설계를 수행하였다. 시스템을 구성하는 총 9개의 설계변수를 선정하여 실험계획법을 이용한 설계방법론을 제안하였다.
본 연구에서는 윤용원이 제시한 보행자 보호 시스템의 최적설계 설계방법론을 수정하여 새로운 설계방법론을 제시한다. 설계 단계는 크게 2단계로 구성하며 이산공간에서의 설계와 연속공간에서의 설계를 단계별로 실시한다.

가설 설정

제안한 설계과정으로 에어백의 원단은 얇아지고 머리모형의 충격을 충분히 흡수한 만큼 에어백의 압력이 낮아져 푹신하게 바뀌었다. 또한 에어백이 전개가 완료되어 안정화되기 위해 질량유량이 소폭 낮아졌다.

제안 방법

7에서처럼 각 변수마다 영향도를 백분율로 나타냈다. HIC에 영향을 미치는 상위 4개의 변수 mass flow rate(41.0 %), injection time(18.1 %), pressure(18.1 %), thickness(14.0 %)를 대상으로 직교 배열표로 구성하여 1단계에서 수행한 설계과정을 반복한다. 2단계의 주요설계변수 이외의 설계변수는 1단계의 솔루션 1의 수준 수를 따른다.
본 연구에서는 앞서 생성한 4가지 근사모델을 교차검증(cross-validation)으로 서로의 상대적인 정확도를 비교하여 가장 정확도가 높은 근사모델을 선택하여 사용한다. 교차검증으로 선택한 근사모델을 사용하여 유전자 알고리즘(micro genetic algorithm, MGA)과 진화 알고리즘(evolutionary algorithm, EA)을 사용하여 최적해를 산출하며 최적값이 다를 경우 확인실험을 통해 더 낮은 HIC를 산출하는 값을 솔루션 3으로 선정한다.
논문에서는 SUV (sport utility vehicle) 보행자 보호 시스템을 대상으로 보행자의 생명에 큰 영향을 미치는 머리상해지수(head injury criterion, HIC)를 최소화 할 수 있도록 실험계획법을 이용한 보행자 보호 시스템의 설계방법론을 제안한다. 보행자 보호시스템의 실제 제작이 가능한 9가지 사양을 설계변수로 선정하고 제안한 설계방법론을 통해 산출한 보행자 보호 시스템과 기준 보행자 보호 시스템의 HIC를 비교하여 성능을 검증하였다. 설계방법론을 수행하기 위하여 비선형동적해석 상용소프트웨어 LS-DYNA¹⁷⁾와 설계 소프트웨어인 PIAnO¹⁸⁾를 사용하였다.
따라서 많은 제조사들은 화약폭발식을 사용하고 있다. 본 연구에 사용한 후드 리프트 시스템 역시 화약폭발식이며, 후드 리프트 시스템이 전개한 후 잔류압력을 스프링요소로 모사하였다. 후드의 전개높이를 135 mm, 스프링상수는 0.
본 연구에서는 윤용원이 제시한 보행자 보호 시스템의 최적설계 설계방법론을 수정하여 새로운 설계방법론을 제시한다. 설계 단계는 크게 2단계로 구성하며 이산공간에서의 설계와 연속공간에서의 설계를 단계별로 실시한다. Fig.
본 연구는 SUV차량의 보행자보호를 위한 보행자 보호 시스템 설계를 수행하였다. 시스템을 구성하는 총 9개의 설계변수를 선정하여 실험계획법을 이용한 설계방법론을 제안하였다. 제안한 방법론은 2단계로 구성하였으며 만약 1단계에서 설계자가 만족할만한 결과가 도출된다면 2단계를 진행하지 않아도 무방하다.
앞서 언급한 것처럼 제작 가능한 설계 변수로 에어백의 원단 두께(thickness), 인플레이터 압력(pressure), 에어백에 압력이 가해지는 시간(injection time), 질량유량(mass flow rate), 원단의 밀도(density), 후드 리프트 높이(hood lift height), 에어백 테더의 높이 (tether height), 에어백 장축 길이(shape X), 에어백 단축 길이(shape Y) 총 9개를 선정하였으며 HIC 값을 최소화 하는 것을 목적함수로 하였다. Table 1에서처럼 설계변수는 3수준으로 정규화하여 나타냈으며 수준2는 기준모델이며 근사모델을 사용한 최적설계에서는 수준 1과 수준 3의 값이 설계의 상한과 하한으로 사용한다.
1단계와 동일하게 Kriging 모델에서 가장 낮은 오차가 발생한다. 이 근사모델을 사용해 EA와 MGA를 사용하여 최적설계를 수행한다. 두 알고리즘의 최적해는 동일하게 산출하였으며 이 HIC를 솔루션 6이라고 정의한다.
¹⁾ 2008년 세계자동차기술 기준조화포럼(Global Technical Regulation, GTR)²⁾을 공표하였으며, 대한민국을 포함한 유럽, 미국, 일본 등은 이를 준수해야 한다. 이에 따라 국내 신차안전도평가(Korea New Car Assessment Program, K-NCAP)³⁾ 및 유럽신차안전도평가(EURO New Car Assessment Program, EURO-NCAP)⁴⁾에 보행자 보호 부분을 추가 및 강화 하였다. 세계적으로 보행자 보호가 중요한 문제로 대두되고 있어, 보행자 보호 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
근사모델은 1단계의 직교배열표를 사용한다. 총 4개의 근사모델에서 교차검증을 실시하여 상대적으로 오차가 가장 낮은 모델을 선택하여 EA와 MGA를 수행한다. 교차검증의 결과는 Table 4에 나타냈다.
보행자에어백은 제작사인 오토리브와 협업을 통해 실제 제작된 모델과 동일한 성능의 유한요소 모델을 생성했다. 해석의 신뢰도를 높이기 위해 자동차안전연구원에서 실시한 실차평가시험을 바탕으로 설계기준 모델의 머리상해지수의 최대10 %이내가 되도록 시뮬레이션을 구성하였다.

대상 데이터

4 kg이다. 머리 모형은 GTR의 표준 성인 머리 모형으로 무게는 4.5 kg, 총 13,143개의 요소로 구성한다. 성인 머리모형은 Fig.
머리모형 충격해석을 수행하기 위하여 보행자 안전 취약부위인 A필라 영역부터 창유리 하단에 걸쳐 총 6개의 충격지점을 Fig. 5와 같이 선정하였다. 이 6지점의 HIC값은 직교배열표의 반응장으로 사용한다.
본 연구는 Fig. 2(c)의 현대자동차의 SUV 유한요소모델을 사용한다. 요소 수는239,385개이며 총 질량은 542.
2(c)의 현대자동차의 SUV 유한요소모델을 사용한다. 요소 수는239,385개이며 총 질량은 542.4 kg이다. 머리 모형은 GTR의 표준 성인 머리 모형으로 무게는 4.
4와 같이 쿠션(cushion), 인플레이터(inflator), 하우징(housing)으로 구성한다. 총 질량은 6.019 kg이며 요소 수는 30,581개이다. 쿠션과 인플레이터는 하우징 내부에 위치하며 후드 아래에 장착한다.

데이터처리

평균분석을 통해 얻은 머리상해지수는 Table 3에 보여주며 솔루션2로 정의한다. 본 연구에서 제안한 설계과정은 직교배열표를 이용하여 평균분석을 진행하였다.
설계변수의 수준 수를 결정하여 직교배열표를 구성해 시뮬레이션을 실시하여 가장 낮은 HIC를나타내는 조합을 솔루션1로 선정한다. 직교배열표를 사용해 평균 분석(ANOM)을 실시하여 두 번째 솔루션 2로 선정한다. 1단계의 마지막으로 근사모델을 사용하여 연속공간에서의 최적설계를 수행한다.

이론/모형

본 연구에서는 앞서 생성한 4가지 근사모델을 교차검증(cross-validation)으로 서로의 상대적인 정확도를 비교하여 가장 정확도가 높은 근사모델을 선택하여 사용한다. 교차검증으로 선택한 근사모델을 사용하여 유전자 알고리즘(micro genetic algorithm, MGA)과 진화 알고리즘(evolutionary algorithm, EA)을 사용하여 최적해를 산출하며 최적값이 다를 경우 확인실험을 통해 더 낮은 HIC를 산출하는 값을 솔루션 3으로 선정한다.
보행자 보호시스템의 실제 제작이 가능한 9가지 사양을 설계변수로 선정하고 제안한 설계방법론을 통해 산출한 보행자 보호 시스템과 기준 보행자 보호 시스템의 HIC를 비교하여 성능을 검증하였다. 설계방법론을 수행하기 위하여 비선형동적해석 상용소프트웨어 LS-DYNA¹⁷⁾와 설계 소프트웨어인 PIAnO¹⁸⁾를 사용하였다.
설계에 필요한 조건은 K-NCAP의 보행자 평가방법에 의거하여 진행하였다. 하지만 보행자 에어백의 경우 관련된 규정과 평가방법이 부족한 실정이다.

성능/효과

원단의 두께는 얇아졌으며, 에어백 압력이 낮아지므로 인플레이터의 용량은 작아졌다. 에어백에 가스를 주입하는 시기가 느려지고, 질량유량은 감소하였으며, 원단의 밀도는 증가하였다. 후드를 들어 올리는 높이는 변화가 없었으며, 테더의 높이가 최대로 감소하여 부풀었을 때의 에어백의 총 두께가 감소하였다.
에어백에 가스를 주입하는 시기가 느려지고, 질량유량은 감소하였으며, 원단의 밀도는 증가하였다. 후드를 들어 올리는 높이는 변화가 없었으며, 테더의 높이가 최대로 감소하여 부풀었을 때의 에어백의 총 두께가 감소하였다. 에어백의 모양은 장축방향 즉 양옆으로 10 % 증가하였다.

후속연구

보행자 에어백은 보행자의 생명에 치명적인 영향을 미치는 전면창유리 하단 부와 A필라에 걸쳐 넓은 영역의 충격을 흡수하는 장점을 갖고 있지만, 사고가 발생할 경우 운전자의 시야를 방해하여 2차 사고를 야기 시킬 수 있는 단점이 존재한다. 따라서 향후 기술의 발전과 활발한 연구로 이를 보완하면 많은 제조사에서 이를 채택하여 사용하게 될 것이다.
하지만 보행자 에어백의 경우 관련된 규정과 평가방법이 부족한 실정이다. 향후 보행자 에어백에 대한 규정이 확실히 정립되고 난 후, 평가방법에 맞도록 다시 이와 같은 연구가 필요할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보행자보호 시스템에는 어떤 것이 있는가?	최근 효과적으로 보행자를 보호할 수 있는 방법으로 기계 시스템을 이용하여 보행자를 보호하는 시스템이 개발되었다. 보행자가 전면창유리 하단부와 A필라 하단 부 영역에 충돌할 경우를 대비하여 충격을 흡수하는 보행자 에어백5)과 순간적으로 후드를 들어 올려 후드 하단의 구조물과 추가적인 충돌을 방지하는 전개형 후드6)가 있다. 이 두 시스템을보행자보호 시스템이라고 한다.
	차대 보행자 사고의 경우 어디에서 최초 충돌이 일어나는가?	차대 보행자 사고의 경우 보행자의 무릎 부분과 자동차의 범퍼에서 최초 충돌이 일어난다. 충돌 후 보행자의 몸이 하늘로 향하고 이어서 보행자의 머리가 자동차의 단단한 부분인 후드 양 끝단, 전면창유리 하단 부, A필라 하단 부 영역에 직접적으로 충돌해 보행자의 생명에 치명적인 영향을 미친다.
	차대 보행자 사고의 경우 최초 충돌 이후, 발생되는 문제는?	차대 보행자 사고의 경우 보행자의 무릎 부분과 자동차의 범퍼에서 최초 충돌이 일어난다. 충돌 후 보행자의 몸이 하늘로 향하고 이어서 보행자의 머리가 자동차의 단단한 부분인 후드 양 끝단, 전면창유리 하단 부, A필라 하단 부 영역에 직접적으로 충돌해 보행자의 생명에 치명적인 영향을 미친다. 보행자 보호 시스템 관련 연구는 이 단단한 부분들을 대상으로 설계를 수행한다.

참고문헌 (19)

Road Traffic Authority, Traffic Accident Statistical Analysis, 2013.
United Nations, Global Technical Regulation No.9, Pedestrian Safety, http://unece.org/trans/wp29/180a92, 2014.
Ministry of Land Transport and Maritime Affairs, Korea New Car Assessment Program, http://www.car.go.kr/jsp/kncap/introduction, 2014.
EURO New Car Assessment Program, Pedestrian Test Protocol V7.1.1, http://www.euroncap.com/technical/protocols.aspx, 2013.
Y. W. Yun and G. J. Park, "An Optimal Design of a Pefestrian Safety System Using a Design Scenario," Transations of KSME, Vol.38, No.9, pp.1019-1027, 2014.
M. K. Shin, K. T. Park, K. B. Lee, H. I. Bae, and G. J. Park, "Design of the Active Hood Lift System Using Orthogonal Arrays," Transactions of KSAE, Vol.14, No.4, pp.123-131, 2006.
K. Clemo and R. Davies, "The Practicalities of Pedestrian Protection," The 16th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, 98-S10-P-16, 1998.
S. Yoshida, N. Igarashi, A. Takahashi and I. Imaizumi, "Development of a Vehicle Structure with Protective Features for Pedestrians," International Congress & Exposition, 1999-01-0075, Detroit, USA, 1999.
G. Belingardi, A. Scattina and E. Gobetto, "Development of an Hybrid Hood to Improve Pedestrian Safety in Case of Vehicle Impact," 21th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, 09-0026, 2009.
Y. E. Jeon, H. I. Moon, Y. S. Kim and H. Y. Kim, "Crumple Zone Design and Upper Legform Impactor Analysis for Pedestrian Protection," Transactions of KSAE, Vol.20, No.3, pp.126-132, 2012.
J. W. Lee, K. H. Yoon, Y. S. Kang, K. T. Park and G. J. Park, "Hood and Bumper Structure Design Methodology for Pedestrian Regulation," Transactions of KASE, Vol.13, No.3, pp.162-170, 2005.
T. L. Teng and V. L. Ngo, "Optimization of Bonnet Thickness with Respect to Pedestrian Safety," Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D : Journal of Automobile Engineering, Vol.224, No.12, pp.1513-1526, 2010.

상세보기
Q. Liu, Y. Xia and Q. Zhou, "Design Analysis of a Sandwich Hood Structure for Pedestrian Protection," The 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, pp.15-18, 2009.
K. B. Lee, H. J. Jung and H. I. Bae, "The Study on Developing Active Hood Lift System for Decreasing Pedestrian Head Injury," The 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, pp.18-21, 2007.
K. Nagatomi, K. Hanayama, T. Ishizaki, S. Sasaki and K. Matsuda, "Development and Full-scale Dummy Tests of a Pop-up Hood System for Pedestrian Protection," The 19th International Technical Conference on the Enhanced Safety of Vehicles, pp.6-9, 2005.
W. Choe, Y. Lee and G. J. Park, "Pedestrian Protection System Design for SUV Using the Design of Experiment," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.955-956, 2014.
LS-DYNA Keyword User's Manual, Livermore, California : Livermore Software Technology Corporation, USA, 2012.
PIAnO User's Manual, PIDOTECH Inc., Korea, 2014.
I. Hwang, K. H. Kim and T. G. Yang, "A Development of Active Hood System to Lift All Corners," KSAE Annual Conference Proceedings, pp.2025-2031, 2011.

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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