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문제 정의
- Kwon 등 [4] 은 LS-DYNA 프로그램을 이용한 가드레일 충돌분석을 통해 속도, 차량 중량이 달라지는 경우 차량 및 가드레일 파손상태를 파악하고, 탑승자 상해정도를 파악하였다. 그 결과로 최근 대형 차량과 고성능 차량의 증가에 대응하기 위해 현재 설치된 가드레일의 안전기준을 높여야 한다고 제안하였다. Oh 등 [5] 은 약 7 km/h에서 10 km/h의 저속충돌에서의 충돌 반발계수를 도출하기 위해 총 6회 실차 충돌시험을 수행하여 충돌 전, 후 속도를 측정하였다.
- 따라서 PC-Crash의 사용자는 많은 경험을 필요로 하거나 기존에 실험된 연구 결과를 바탕으로 입력 값을 적용한다. 따라서 본 연구에 서는 이러한 문제점을 보완하기 위해 충돌해석에 특화된 LS-DYNA 프로그램을 이용해 충돌시점을 분석하였다. LS-DYNA로 해석된 결과로부터 PC-Crash에 입력되는 반발계수 및 DOF값을 도출하였다.
- 본 연구는 SUV와 소형차의 측면충돌 특성을 차량모델로 시뮬레이션 결과의 검증을 위해 다양한 사고유형의 차로 해석하여 측면충돌의 사고 분석한 결과는 다음과 같다.
가설 설정
- 충돌을 계산하는 시점은 두 차량이 최초 접촉후의 최대 변형에 도달하는 시간을 DOP값으로 설정할 수 있다. 일반적인 충돌상황에서 차량이 최대 변형에 이르는 시간은 30～60 ms이며, PC-Crash에서는 그 중간에 해당하는 값인 45ms에 충돌이 일어난다고 가정하여 그 시점에서 충돌 후의 속도와 이탈각도를 계산한다[10]. 차량충돌에서 두 차량의 충돌전의 속도와 자세를 가지고 충돌후의 값을 계산하며, 이 단계에서 차체변형에 의한 에너지 흡수량을 반발계수로 적용한다.
제안 방법
- 따라서 본 연구에 서는 이러한 문제점을 보완하기 위해 충돌해석에 특화된 LS-DYNA 프로그램을 이용해 충돌시점을 분석하였다. LS-DYNA로 해석된 결과로부터 PC-Crash에 입력되는 반발계수 및 DOF값을 도출하였다. LS-DYNA는 유한요소해석 프로그램으로 본 연구에서는 외연적 유한요소법 (Explicit finite element method)을 이용해 해석을 수행 하였다.
- 두 번째 사고상황은 충돌차량의 속도가 49km/h이고, 피 충돌차량의 속도는 18km/h로 유한요소해석 모델의 50%, 50km/h 조건과 유사한 형태를 보이고 있어 DOP값은 24 ms, 반발계수는 0.30을 적용하여 시뮬레이션을 하였다. 그림 11(a)의 결과는 PC-Crash의 기본 설정 값을 이용하여 시뮬레이션한 것으로 12.
- 시험자료가 없는 경우 PC-Crash에 기본으로 적용된 설정 값을 이용 하여 시뮬레이션을 할 수 있지만 오차가 발생할 수 있다. 본 연구에서는 PC-Crash에서 기본으로 제공하는 입력변수를 사용해 1차 시뮬레이션을 하였으며, LS-DYNA를 이용해 도출한 반발계수와 DOP(Depth of penetration)값을 적용하여 2차 시뮬레이션을 한 결과를 비교하였다. 결과의 비교는 PC-Crash에서 제공하는 오차분석기능을 이용하였다 [9] .
- 반발계수는 충격량을 이용한 방법, 에너지 흡수량을 이용한 방법, 두 물체의 충돌전후 상대속도비를 이용한 방법으로 구할 수 있다. 본 연구에서는 두 물체의 충돌전후 상대속도비를 이용하였다. 식 (3)은 충돌 전후 속도의 상대속도비로 반발계수를 계산하는 방법이다.
- 본 연구에서는 실제 측면충돌 사고 4건에 대해 운동량 보존법칙을 이용한 시뮬레이션을 하였으며, 에너지흡수에 따라 발생하는 속도변화는 LS-DYNA 해석을 통해 도출한 반발계수와 DOP값을 적용하여 시뮬레이션을 하였다. 여기서 적용한 실제 측면충돌사고의 자료는 NHTSA에서 수집하는 교통사고 데이터베이스인 NASS(National Accident Sampling System)자료를 활용하였다.
- Kang 등[6] 은 범퍼빔의 형상과 재질을 개선해 에너지 흡수율은 유지하면서 중량을 최소화할 수 있는 방법에 대해 연구하였다. 본 연구에서는 중량과 구조가 서로 다른 SUV 차량과 승용차의 측면충돌을 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 충돌특성을 파악하고, 그 결과로 도출된 충돌 전, 후 속도변화로 반발계수를 계산하여 운동량 보존법칙을 이용한 차량충돌해석 프로그램인 PC-Crash에 적용했을 때 차량 거동을 확인하였다.
- 본 연구의 결과를 이용해 반발계수를 사용할 때는 실제 차량의 파손상태를 파악하여 충돌차량의 Impact-beam이 피 충돌차량의 뒤차축 또는 강성이 높은 부분에 충격하는지 여부를 사전에 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 충돌전후 속도차이를 이용해 반발계수를 도출하였다. 차체 변형으로 인해 에너지 흡수율이 달라 지기 때문에 차체의 강성에 따라 반발계수가 달라진다.
- 시뮬레이션은 정지된 SUV차량의 측면을 승용차가 충돌하는 경우와 전지된 소형차의 측면을 SUV가 충돌하는 조건을 설정하고 해석을 수행하였다. 그림 5는 위치에 따른 측면의 충돌자세를 나타낸 것이다.
- 유한요소해석은 충돌부위에 따라 각 7회씩 총 21회 시뮬레이션을 하였으며, 그 결과는 다음과 같다. 그림 6은 각 자세별 100 km/h에서 나타난 두 차량의 최대 변형량을 나타낸 것으로 100% 충돌에서 가장 작은 변형이 발생 하고 50% 충돌에서 가장 큰 변형이 일어난 것을 확인할 수 있다.
- 결과의 비교는 PC-Crash에서 제공하는 오차분석기능을 이용하였다 [9] . 이 공식은 차량의 충돌 후 이동거리와 최종 정차한 상태의 차량 각도를 기반으로 실제 실험값과 시뮬레이션의 결과를 비교한다. 일반적인 사고해석에서 오차가 5 % 미만인 경우 신뢰할만한 결과를 얻었다고 판단한다.
- 첫 번째 사고상황은 충돌차량의 속도가 38 km/h이고, 피충돌 차량의 속도는 23 km/h로 유한요소해석 모델의 50%, 40 km/h 조건과 유사한 형태를 보이고 있어 DOP 값은 24 ms, 반발계수는 0.30을 적용하여 시뮬레이션을 하였다. 여기서 차량 1은 왼쪽에서 진입하는 SUV차량으로 적색으로 나타내고, 차량 2는 직진하는 승용차로 청색으로 나타냈다.
- 표 2는 충돌자세와 차량의 속도조건을 나타낸 표로 충돌차량은 Toyota Rav4로 설정하였고, 피충돌 차량은 Suzuki Swift로 정의하였다. 충돌속도는 10 km/h에서 100 km/h로 설정하였으며, 반발계수가 급격하게 변화되는 낮은 속도인 10 km/h에서 40 km/h까지는 10 km/h간격으로 설정하였고, 속도에 따른 반발계수 변화가 크지 않은 고속영역인 60 km/h에서 100 km/h까지는 20 km/h 간격으로 설정하여 각 충돌자세 당 7회의 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 SUV차량과 소형차의 측면충돌에 대한 연구로 SUV차량은 Toyota RAV4 차량모델을 이용하였으며, 승용차는 Suzuki Swift 차량모델을 이용하여 유한 요소해석을 진행하였다.
- 본 연구에서는 실제 측면충돌 사고 4건에 대해 운동량 보존법칙을 이용한 시뮬레이션을 하였으며, 에너지흡수에 따라 발생하는 속도변화는 LS-DYNA 해석을 통해 도출한 반발계수와 DOP값을 적용하여 시뮬레이션을 하였다. 여기서 적용한 실제 측면충돌사고의 자료는 NHTSA에서 수집하는 교통사고 데이터베이스인 NASS(National Accident Sampling System)자료를 활용하였다. NASS자료는 사고차량의 파손상태와 충돌속도 등의 정보와 함께 현장과 탑승자 상해에 대한 자세한 내용을 확인할 수 있다.
- 표 2는 충돌자세와 차량의 속도조건을 나타낸 표로 충돌차량은 Toyota Rav4로 설정하였고, 피충돌 차량은 Suzuki Swift로 정의하였다. 충돌속도는 10 km/h에서 100 km/h로 설정하였으며, 반발계수가 급격하게 변화되는 낮은 속도인 10 km/h에서 40 km/h까지는 10 km/h간격으로 설정하였고, 속도에 따른 반발계수 변화가 크지 않은 고속영역인 60 km/h에서 100 km/h까지는 20 km/h 간격으로 설정하여 각 충돌자세 당 7회의 해석을 수행하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 PC-Crash에서 기본으로 제공하는 입력변수를 사용해 1차 시뮬레이션을 하였으며, LS-DYNA를 이용해 도출한 반발계수와 DOP(Depth of penetration)값을 적용하여 2차 시뮬레이션을 한 결과를 비교하였다. 결과의 비교는 PC-Crash에서 제공하는 오차분석기능을 이용하였다 [9] . 이 공식은 차량의 충돌 후 이동거리와 최종 정차한 상태의 차량 각도를 기반으로 실제 실험값과 시뮬레이션의 결과를 비교한다.
- 본 연구에 사용된 차량모델의 검증을 위하여 NHTSA(National Highway Traffic Safety Administrator)의 충돌시험 결과 [12] 와 비교 분석하였으며, 그림 6은 실차시험과 시뮬레이션의 가속도특성을 비교한 것이다.
이론/모형
- LS-DYNA로 해석된 결과로부터 PC-Crash에 입력되는 반발계수 및 DOF값을 도출하였다. LS-DYNA는 유한요소해석 프로그램으로 본 연구에서는 외연적 유한요소법 (Explicit finite element method)을 이용해 해석을 수행 하였다.
성능/효과
- (1) 측면충돌의 경우 차체의 구조에 따른 강성의 영향으로 차량의 충돌부위에 따라 반발계수와 DOP값이 달라진다는 것을 확인하였다.
- (2) Offset 100% 조건과 같이 피 충돌차량의 충격지점이 무게중심에서 멀어진 곳에 충격한 경우 회전이 일어나므로 충돌 전후의 속도차이를 이용한 반발 계수를 도출하는 방법을 사용할 때 주의해야 한다.
- (3) 본 연구에서 다룬 측면충돌과 같은 조건에서는 PC-Crash에서 기본으로 제공하는 반발계수인 0.10과 DOP값인 45 ms를 사용했을 때 보다 유한 요소해석을 이용하여 도출한 DOP값과 반발계수 값을 사용했을 때 오차를 줄여 신뢰성이 있는 결과를 얻을 수 있었다.
- 그림 10(a)의 결과는 프로그램에 기본 설정된 DOP값과 반발계수로 해석한 것을 나타낸 것으로 두 차량의 충돌 후 이동거리와 정지각도를 식 (3)～(5)에 대입하여 계산했을 때 13.0%의 오차가 나타났고, 그림 10(b)의 결과는 DOP값과 반발계수를 사용했을 때 2.0% 의 오차를 나타난 것으로 약 11.0%의 오차를 줄일 수 있었다.
- 그림 11(a)의 결과는 PC-Crash의 기본 설정 값을 이용하여 시뮬레이션한 것으로 12.3%의 오차가 나타났으며, 그림 11(b)의 결과는 유한요소해석을 이용하여 도출한 DOP값과 반발계수를 적용한 후 해석을 한 것으로 2.2%의 오차를 나타내어 상당한 신뢰성을 보였다. 여기서 기본값 설정을 이용한 시뮬레이션에서 오차가 크게 나왔던 이유는 기본으로 설정된 반발계수인 0.
- 29로 점차적으로 감소하는 것을 확인하였다. Offset 100% 조건에서는 30 km/h에서 100 km/h까지 약 0.46에서 0.15로 반발계수가 다른 조건에 비해 급격하게 감소하는 것으로 확인되었다.
- 10 km/h에서 20 km/h 까지는 모든 조건에서 비교적 유사한 반발계수 값을 나타냈으나 충돌속도 30 km/h에서 부터 차이를 나타냈다. Offset 50% 조건은 40 km/h에서 100 km/h까지 약 0.30에서 0.25로 반발계수가 비슷하게 유지되었으며, Offset 75% 조건은 100 km/h까지 약 0.46에서 0.29로 점차적으로 감소하는 것을 확인하였다. Offset 100% 조건에서는 30 km/h에서 100 km/h까지 약 0.
- 전체 조건에서의 DOP값은 46～12 ms 범위에 존재하는 것을 확인하였다. Offset 50%에서 100%로 갈수록 충돌감지의 시점이 짧아졌으며, 속도가 높아질수록 충돌 감지 시점이 빨라진다는 것을 확인하였다. 본 연구 결과 에서 DOP의 최대값은 46 ms로 PC-Crash의 기본 설정 값인 45ms와 유사하게 나타났지만 100%, 100 km/h 조건에서 최솟값인 12 ms로 나타났다.
- 그 이후 엔진과 전륜 타이어에서 최대 변형에 도달한 후 재료의 탄성에 의해 미소한 값으로 다시 되돌아온다. Suzuki swift 차량의 경우 약 50 ms 이후 차체가 복원되는 과정에서의 가속도 값의 차이가 나타났지만 본 연구에서는 충돌 후 최대 변형이 일어나는 시점까지의 결과로 연구를 수행하였으므로, 약 50ms 이후의 오차에 대해서는 문제가 없을 것으로 판단하였다.
- 그 결과로 56 km/h의 속도로 고정 장벽을 충돌했을 때의 결과로 시험과 시뮬레이션 결과가 매우 유사한 것을 확인하였다. 여기서 약 0～30 ms 구간은 차량의 범퍼 에서부터 라디에이터 패널까지의 구간으로 구조적으로 강성이 다소 낮기 때문에 가속도가 크지 않으며, 약 30～ 50 ms 구간은 차량 프레임에 충격이 전달되며 가속도가 급격하게 증가하는 경향을 보인다.
- 그림 12는 세 번째 사고상황으로 충돌차량이 33 km/h 의 속도로 22 km/h로 주행하고 있는 피충돌차량의 운전석 측면의 B-Pillar와 뒤차축의 중심부분을 충돌하였을 때 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다. 그 결과로 PC-Crash의 기본값을 사용했을 때 7.8%의 오차를 나타냈으나 유한요소해석을 통해 도출한 결과를 이용하여 시뮬레이션을 했을 때 1.6%로 매우 신뢰성이 있는 결과를 얻을 수 있었다.
- 그 결과로 기본조건은 8.9%의 오차를 나타냈으며, 유한요소해석을 통한 도출한 결과는 2.8%의 오차를 나타내어 시뮬레이션 해석의 신뢰성을 잘 확인할 수 있었다.
- Oh 등 [5] 은 약 7 km/h에서 10 km/h의 저속충돌에서의 충돌 반발계수를 도출하기 위해 총 6회 실차 충돌시험을 수행하여 충돌 전, 후 속도를 측정하였다. 그 결과로 저속 충돌에서 발생하는 반발계수는 약 0.66에서 0.85 범위에 존재한다는 것을 확인하였고, 그 결과를 교통사고 분석 프로그램인 PC-Crash에 적용했을 때 실차 시험과 시뮬레이션의 속도변화 오차가 약 4% 내외로 매우 유사하게 나타나는 것을 확인하였다. Kang 등[6] 은 범퍼빔의 형상과 재질을 개선해 에너지 흡수율은 유지하면서 중량을 최소화할 수 있는 방법에 대해 연구하였다.
- 이에 관련하여 충돌사고 분석 및 재현에 관한 연구 동향으로 Han 등 [2] 은 두 차량모두 소형차인 경우의 측면 충돌을 유한요소 해석프로그램으로 수행하여 충돌 전, 후 속도를 도출하였다. 도출된 속도 정보로 발발계수를 계산한 결과로 차량 측면의 50% 옵셋으로 충돌했을 때는 정면충돌과 유사한 반발계수의 특성을 보였으나 75% 와 100% 옵셋에서는 반발계수가 상대적으로 높게 나타나는 것을 확인하였다. Baek 등 [3] 은 PC-Crash와 MADYMO 프로그램의 좌표계를 연동할 수 있는 조인트 모델 제작을 통해 새로운 탑승자 거동분석 방법을 제안 하였다.
- Offset 50%에서 100%로 갈수록 충돌감지의 시점이 짧아졌으며, 속도가 높아질수록 충돌 감지 시점이 빨라진다는 것을 확인하였다. 본 연구 결과 에서 DOP의 최대값은 46 ms로 PC-Crash의 기본 설정 값인 45ms와 유사하게 나타났지만 100%, 100 km/h 조건에서 최솟값인 12 ms로 나타났다. 측면충돌은 전방과 후방에 비해 상대적으로 거리가 짧은 특성을 가지고 있으며, 특히 뒤 차축을 충돌하는 경우 구조적으로 매우 강한 성질을 가지고 있기 때문에 충돌 부위에 따라 결과의 차이가 큰 것으로 확인되었다.
- 2%의 오차를 나타내어 상당한 신뢰성을 보였다. 여기서 기본값 설정을 이용한 시뮬레이션에서 오차가 크게 나왔던 이유는 기본으로 설정된 반발계수인 0.10을 사용 했을 때 새롭게 도출한 반발계수인 0.30보다 운동에너지가 더 많이 소실됨을 알 수 있었다.
- 전체 조건에서의 DOP값은 46～12 ms 범위에 존재하는 것을 확인하였다. Offset 50%에서 100%로 갈수록 충돌감지의 시점이 짧아졌으며, 속도가 높아질수록 충돌 감지 시점이 빨라진다는 것을 확인하였다.
- 본 연구 결과 에서 DOP의 최대값은 46 ms로 PC-Crash의 기본 설정 값인 45ms와 유사하게 나타났지만 100%, 100 km/h 조건에서 최솟값인 12 ms로 나타났다. 측면충돌은 전방과 후방에 비해 상대적으로 거리가 짧은 특성을 가지고 있으며, 특히 뒤 차축을 충돌하는 경우 구조적으로 매우 강한 성질을 가지고 있기 때문에 충돌 부위에 따라 결과의 차이가 큰 것으로 확인되었다.
후속연구
- 본 연구에서는 2차원 직각 충돌조건으로 피충돌차량이 움직이지 않는 상황에서 해석을 수행하였지만 향후 실제의 다양한 차대차 측면충돌에 관련된 실차변수를 적용하여 연구를 수행한다면 충돌사고분석의 신뢰성은 더욱더 향상될 것으로 사료된다.
- Offset 75%의 경우 Suzuki swift 차량의 뒤차축과 Toyota Rav4 차량의 Impact-beam 부분이 충격하는 모습을 나타냈다. 본 연구의 결과를 이용해 반발계수를 사용할 때는 실제 차량의 파손상태를 파악하여 충돌차량의 Impact-beam이 피 충돌차량의 뒤차축 또는 강성이 높은 부분에 충격하는지 여부를 사전에 파악할 필요가 있다. 본 연구에서는 충돌전후 속도차이를 이용해 반발계수를 도출하였다.
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