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• 연구 주제
• 연구 방법
• 연구 결과

문제 정의

• ”라고 명시되어 있음에도 불구하고 구체적인 실행 방법에 대해서는 제시되어 있지 않아서 현장문제를 해결 하는데 컴퓨터 시뮬레이션이 적극적으로 활용되지 못하고 있다. 본 기사에서는 컴퓨터 시뮬레이션을 활용 하여 차량방호울타리의 성능을 평가하는 방법에 대한 해외 기준을 살펴보고 국내 지침의 구체화를 위하여 연구되어야 될 부분에 대하여 제언하고자 한다.
• 차량 점유폭 및 충격흡수시설과 단부처리 시설의 횡방향 변위의 차이도 위와 동일한 허용 범위를 적용한다. 시설물의 변형 형상은 최종상태를 기준으로 하며 동일한 파괴모드가 발생하였는지 검토한다.
• 시뮬레이션 결과 신뢰성에 대한 확인은 표 6에 나타나 있는 항목을 비교하며, 비교 결과 기준을 만족하지 못하는 경우 최종 확인 보고서에 그 이유를 명기한다. 주요 내용은 충돌시험의 차량 거동, 상태 및 시설물의 상태와 충돌시험 평가기준(EN 1317)의 평가 항목의 만족 여부를 비교하는 것이다. 이 중에서 방호울타리의 변형, 차량 점유폭 및 충격흡수시설이나 단부처리시설의 변형량과 같이 정량적인 비교가 필요한 항목에 대해서는 허용기준을 제시한다.

제안 방법

• 네 번째 단계는 기본 실험 및 시뮬레이션 결과를 비교하여 유사한 거동을 보이는지 확인하는 것으로 RSSVP 프로그램을 활용하여 기준을 만족하는지 검토한다. 만일 기준을 만족하지 않는 경우 시뮬레이션 모델을 수정한다.
• 표 7에 나타나 있는 것과 같이 ASI 및 THIV 의 차이에 대해 규정하고 있으며, 미국 기준에 비해 허용오차가 작고 발생시간에 대한 오차 범위를 규정하고 있다. 또한, 국내 및 미국의 탑승자 보호성능 기준인 PHD(ORA)를 사용하지 않고 이를 대체하여 ASI를 적용한다.
• 방호울타리 및 차량 모델에 대한 검증·확인 및 교정이 완료된 전체 모델에 대한 해석 결과 분석이 필요하다. 시뮬레이션 모델에 대한 검증은 해석이 적정하게 수행되었는지에 대해 표 1에 나타나 있는 것과 같이 에너지 검토, 질량 변화, Shooting Node 및 솔리드 요소의 negative volumes에 대해 검토한다.
• 신뢰성 확인은 기본적으로 동일한 조건의 충돌시험과 시뮬레이션 결과를 비교하는 것으로 시뮬레이션 해석이 적절한가에 대한 검증은 표 5에 나타나 있는 것과 같이 실제상황과 유사한 물리적 거동을 보이는가에 대한 검토와 에너지 및 운동량 보전 법칙이 성립하는가에 대해 검토한다. 재하속도의 경우 재료모델에 변형률 지연 효과를 고려하여 이에 종되는 결과를 보이는지에 대한 것이다.
• 완성된 차량 모델의 입증을 위해서는 PIRT에 의해 현가장치 단독, 현가장치 및 조향장치, 대기 (Idle) 상태 차량, 선형 또는 원형 트랙 및 연석 실험과 시뮬레이션을 비교하여 수행하며 강체벽에 대한 전체 모델의 충돌시뮬레이션으로부터 전반적인 거동을 검토한다.
• 시뮬레이션 차량 및 도로안전시설 모델은 기본 실험과 지지조건이 일치하도록 개발해야 하며 주요 부재나 재료, 하위 부속이나 조립체에 대한 중요 현상 순위 목록(PIRT)에 따라 교정, 검증 및 확인 절차를 포함해야 한다. 차량의 경우 현가장치 , 차량 프레임 및 타이어 등이며, 방호울타리의 경우 레일, 지주, 블록아웃, 볼트, 보강재 및 지반 등에 대해 실시한다. PIRT는 Oberkampf가 제안한 방법으로 현상을 수치 모델로 재현하는 것을 목적으로 하고 목적 달성을 위하여 시뮬레이션 결과에 미치는 영향의 정도를 파악하여 충돌과정에서 중요한 요소로 작용하는 부재나 재료에 대해서는 상세한 모델링 및 재료 특성을 반영하여 신뢰성을 높이면서, 거동에 영향이 미미한 부재나 재료에 대해서는 간략한 방법을 적용하기 위한 방법이다.
• 추가적으로 탑승자 보호성능에 대한 비교를 수행한다. 표 7에 나타나 있는 것과 같이 ASI 및 THIV 의 차이에 대해 규정하고 있으며, 미국 기준에 비해 허용오차가 작고 발생시간에 대한 오차 범위를 규정하고 있다.

대상 데이터

• 다음 단계는 시험 및 시뮬레이션 결과에 대한 정량적 평가를 수행해야 하며, RSSVP를 이용하여 표 2에 나타나 있는 것과 같이 시험과 시뮬레이션 결과의 시간이력 데이터(가속도, 각속도)에 대한 위상과 주기를 비교하여 평가하는 Sprague-Geer MPC 방법과 두 데이터의 평균 간 차이에 대한 통계적 유의성을 검증하는 방법인 분산분석(ANOVA)에 의해 검토한다. 평가기준의 범위는 실험 오차를 근간으로 설정하였으며, 동일하거나 유사한 시설 및 차량으로 반복적인 충돌시험을 수행하여 획득한 결과이다. 이러한 검토방법은 충돌시험의 계측결과(가속도, 각속도)를 확보하고 있어야 사용가능하다.

데이터처리

• 다음 단계는 시험 및 시뮬레이션 결과에 대한 정량적 평가를 수행해야 하며, RSSVP를 이용하여 표 2에 나타나 있는 것과 같이 시험과 시뮬레이션 결과의 시간이력 데이터(가속도, 각속도)에 대한 위상과 주기를 비교하여 평가하는 Sprague-Geer MPC 방법과 두 데이터의 평균 간 차이에 대한 통계적 유의성을 검증하는 방법인 분산분석(ANOVA)에 의해 검토한다. 평가기준의 범위는 실험 오차를 근간으로 설정하였으며, 동일하거나 유사한 시설 및 차량으로 반복적인 충돌시험을 수행하여 획득한 결과이다.

이론/모형

• PIRT는 Oberkampf가 제안한 방법으로 현상을 수치 모델로 재현하는 것을 목적으로 하고 목적 달성을 위하여 시뮬레이션 결과에 미치는 영향의 정도를 파악하여 충돌과정에서 중요한 요소로 작용하는 부재나 재료에 대해서는 상세한 모델링 및 재료 특성을 반영하여 신뢰성을 높이면서, 거동에 영향이 미미한 부재나 재료에 대해서는 간략한 방법을 적용하기 위한 방법이다. PIRT 검토는 비교 대상인 수행된 실험이나 수치모델 목록에 따라 시뮬레이션을 수행하여 각 결과를 평가항목 비교표를 작성하여 RSSVP(Roadside Safety Simulation Validation Program)을 사용하여 평가한다.

성능/효과

• 2) 차체와 타이어의 상호작용 및 타이어 강성의 정확한 구현 강성방호울타리의 경우 실(sill) 및 휠 아치 하중에 따라 가속도에 영향을 미친다.
• 3) 조향장치, 현가장치의 움직임, 현가 스프링 및 감쇠 특성의 정확한 구현 약한 지주를 적용한 방호울타리의 경우 바퀴와 지주의 충돌이 종방향 가속도에 큰 영향을 미치므로, 충돌 시 전면 바퀴의 반응 및 조향에 대한 거동 검토, 횡방향 가속도의 경우 차량의 조향 여부에 영향을 받는다.
• 4) 차량 거동을 모사하기에 충분한 상세 모델링 모델의 세밀도를 낮추거나 통합한 경우 계산을 위한 충분한 제원을 확보하지 못할 수 있다. 가속도의 획득 주기는 결과에 영향을 미치므로 적정한 수준으로 수렴하는지 확인이 필요하다.
• 5) 요소 크기 및 해석 시간 간격의 조합에 따라 차량 모델 mass scaling을 사용하는 경우 질량 추가가 최소화(2% 이하) 되도록 하며, 추가 질량은 주요한 부위에 집중되지 않도록 한다.

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질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
검증	검증이란?	검증 및 확인 절차를 설명하기에 앞서 혼돈을 주거나 혼용하여 사용하는 용어(검증, 확인, 교정)에 대해 정의를 명확히 하였다. 검증(Verification)은 수치계산 결과가 알고 있는 결과와 얼마나 근접하는지에 대해 평가하는 것으로 기본적인 수학적 모델로부터 개발된 코드가 프로그램 개발자가 의도한 결과를 어느 정도 정확하게 나타내는지에 대한 확인 및 계산결과가 기본 물리 법칙과 에너지, 운동량 보전법칙 등을 만족하는지에 대하여 검토하는 것이다. 확인(Validation)은 충돌시험 기준에 의해 수행된 결과를 시뮬레이션 모델이 얼마나 정확하게 표현하는지를 검토하는 것이다.
차량방호안전시설	차량방호안전시설의 종류는?	차량방호안전시설(각종 방호울타리, 전이구간, 단부처리시설, 충격흡수시설, 트럭탈부착용 충격흡수 시설)은 공인 시험장에서 수행되는 실물차량 충돌시험을 이용한 성능평가를 통하여 차량 충돌에 따른 안전성능을 확인하여 사용되고 있다(도로안전시설 설치 및 관리지침; 국토교통부, 2014). 실물충돌시험을 통하여 검증된 차량방호안전시설이라 할지라도 도로현장에 적용할 때 시험장과 현장조건이 상이하여 그 성능이 제대로 발휘되지 못하는 경우가 빈번 하게 발생하고 있다.
충돌 시뮬레이션의 정확성 및 신뢰성 확보	충돌 시뮬레이션의 정확성 및 신뢰성 확보를 위해 필요한것은?	차량방호안전시설의 성능평가를 위한 컴퓨터 충돌 시뮬레이션을 적용하기 위해서는 충돌 시뮬레이션의 정확성 및 신뢰성 확보가 필요하다. 이를 위하여 해석대상 구조물을 구성하는 부재의 재료특성, 해석프 로그램의 에너지밸런스 관리와 수치 안정성 및 다양한 계산 특성을 적절하게 정의할 수 있어야 하기 때문에 이를 반영하는 통합적인 기준이 설정될 필요가 있다. 다양한 분야의 충돌 시뮬레이션에 대한 검증및 확인을 위한 대표적인 기준으로 미국기계학회의 ASME V&V 10-2006(ASME, 2006), 미연방항공국의 FAA Advisory Circular 20-146(FAA, 2003) 및 철도 차량에 대한 유럽기준인 prEN 15227(Euopean Committee of Standardization, 2005) 등이 있다.

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이 논문을 인용한 문헌

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