최근 자동차 교통량의 증가로 인해 차량 전복사고가 급증하여 이에 따른 인명피해가 증가해왔으며, 이를 방지하기 위한 차량충돌 실험장비 및 해석프로그램 개발 등의 다양한 기술이 진보되고 있다. 본 연구에서는 적용한 차량모델은 미국 FORD사의 EXPLORER 차종이고, Rollover 해석은 차량충돌해석에 상용되고 있는 PC-Crash 프로그램을 이용하여 SUV의 전복사고 거동 및 충돌속도를 예측하였다. 그 해석결과로 FMVSS No. 208 법규를 통한 SUV차량의 실제 Rollover 거동과 비교할 때 유사한 결과를 보여주었으며, 충돌속도 및 롤각의 특성은 1000 msec 이후부터는 다소 오차율이 커지는 경향을 나타냈다. 그리고 NHTSA의 데이터베이스를 활용하여 고찰한 결과로 충돌속도 15~77 km/h, 충돌각도 $22{\sim}74^{\circ}$ 범위에서 전복사고가 가장 많이 발생함을 나타냈고, 실제 사고사례를 적용함으로써 차량 출발 위치, Roof 파손위치, 정지위치를 재현시켜 차량 Roof가 파손될 때 차량속도 및 충돌시간을 예측할 수 있었다.
최근 자동차 교통량의 증가로 인해 차량 전복사고가 급증하여 이에 따른 인명피해가 증가해왔으며, 이를 방지하기 위한 차량충돌 실험장비 및 해석프로그램 개발 등의 다양한 기술이 진보되고 있다. 본 연구에서는 적용한 차량모델은 미국 FORD사의 EXPLORER 차종이고, Rollover 해석은 차량충돌해석에 상용되고 있는 PC-Crash 프로그램을 이용하여 SUV의 전복사고 거동 및 충돌속도를 예측하였다. 그 해석결과로 FMVSS No. 208 법규를 통한 SUV차량의 실제 Rollover 거동과 비교할 때 유사한 결과를 보여주었으며, 충돌속도 및 롤각의 특성은 1000 msec 이후부터는 다소 오차율이 커지는 경향을 나타냈다. 그리고 NHTSA의 데이터베이스를 활용하여 고찰한 결과로 충돌속도 15~77 km/h, 충돌각도 $22{\sim}74^{\circ}$ 범위에서 전복사고가 가장 많이 발생함을 나타냈고, 실제 사고사례를 적용함으로써 차량 출발 위치, Roof 파손위치, 정지위치를 재현시켜 차량 Roof가 파손될 때 차량속도 및 충돌시간을 예측할 수 있었다.
Along with the recent increase in traffic volume of vehicles, accidents involving rollover of vehicles have been rapidly increased, resulting in an increase casualties. And to prevent this, various technologies such as vehicle crash test equipment and analysis program development have been advanced....
Along with the recent increase in traffic volume of vehicles, accidents involving rollover of vehicles have been rapidly increased, resulting in an increase casualties. And to prevent this, various technologies such as vehicle crash test equipment and analysis program development have been advanced. In this study, the applied vehicle model is FORD EXPLORER model, and PC-Crash program for vehicle collision analysis is used to predict the rollover accident behavior of SUV and the collision velocity. Compared with the actual rollover behavior of SUV through the FMVSS No 208 regulations, the analysis results showed similar results, the characteristics of the collision velocity and roll angle showed a tendency that the error rate slightly increased after 1000 msec. Then, as a result of considering using the database of NHTSA, it is shown that the rollover accident occur most frequently in the range of the collision velocity of 15~77 km/h and the collision angle of $22{\sim}74^{\circ}$. And it is possible to estimate the vehicle speed and collision time when the vehicle roof is broken by reconstructing the vehicle starting position, the roof failure position and the stop position by applying the actual accident case.
Along with the recent increase in traffic volume of vehicles, accidents involving rollover of vehicles have been rapidly increased, resulting in an increase casualties. And to prevent this, various technologies such as vehicle crash test equipment and analysis program development have been advanced. In this study, the applied vehicle model is FORD EXPLORER model, and PC-Crash program for vehicle collision analysis is used to predict the rollover accident behavior of SUV and the collision velocity. Compared with the actual rollover behavior of SUV through the FMVSS No 208 regulations, the analysis results showed similar results, the characteristics of the collision velocity and roll angle showed a tendency that the error rate slightly increased after 1000 msec. Then, as a result of considering using the database of NHTSA, it is shown that the rollover accident occur most frequently in the range of the collision velocity of 15~77 km/h and the collision angle of $22{\sim}74^{\circ}$. And it is possible to estimate the vehicle speed and collision time when the vehicle roof is broken by reconstructing the vehicle starting position, the roof failure position and the stop position by applying the actual accident case.
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문제 정의
또한 Jeong 등[8]은 ADAMS를 이용한 다물체 동역학 모델링을 통하여 정적 천정강도시험 및 동적 천정강 도시험을 실시하여 실험계획법(DOE : Design of Experiment)의 결과분석을 통하여 승객의 안전에 영향을 미치는 부재의 특성을 고찰한 결과로 정적 천정강도에는 B-Pillar > Front roof bow > A-Pillar 순으로 나타냈다. 본 연구에서는 교통사고 분석을 위해 사용되는 차량충돌해석 프로그램인 PC-Crash를 이용하여 SUV의 전복사고를 재현하여 충돌속도 및 롤각 등을 산출하고, 실제 사고사례를 적용하여 충돌속도를 예측하고자 한다.
가설 설정
PC-Crash의 Rollover 모델링을 위하여 바퀴와 서스펜션의 질량은 없는 것으로 가정하고, z방향 타이어 힘은 서스펜션의 주행거리와 속도로부터 직접 계산하여 서스펜션 및 댐핑 값은 시뮬레이션 최적화를 위한 충돌 시험에서 알려진 차량운동과 가장 일치하도록 설정하였다[10].
차량 모멘트를 형상하는 힘 위치의 차이로 차량이 선회반경의 바깥쪽으로 롤운동을 하게 된다. 이러한 거동을 해석하기 위해 차량은 롤 가속도 없이 정상상태로 선회한다고 가정하고, 타이어에 작용한 힘들은 전륜 및 후륜에 작용하는 힘을 나타낸다. 전복상황에서 횡방향 기울기, 횡경사를 고려하면 적절하게 반영된다.
제안 방법
8로 설정하였다. 또한 Rollover시 다른 방향 이탈을 막기 위해 감속도 값을 설정하였다.
여기서 시뮬레이션에 사용되는 종방향 타이어모델 매개변수이지만 해석상 큰 차이가 없어 횡방향 타이어모델로 설정하여 매개변수를 적용하였다. 또한 실제 타이어와 접지마찰은 차체와 접지마찰이 처리되는 방식과 유사하게 다각형 마찰방식을 적용하였다.
본 연구에서는 FMVSS No 208 법규를 통한 SUV차량의 Rollover 시험결과와 해석결과를 비교하여 PC-Crash 시뮬레이션의 유효성 검증을 한 후 충돌속도 및 롤각 특성을 고찰하였고, 시뮬레이션을 통한 충돌특성을 분석하여 실제 사고사례를 적용하여 충돌속도를 예측한 결과는 다음과 같다.
그림 5는 타이어 모델을 입력하는 화면을 나타낸 것이다. 여기서 시뮬레이션에 사용되는 종방향 타이어모델 매개변수이지만 해석상 큰 차이가 없어 횡방향 타이어모델로 설정하여 매개변수를 적용하였다. 또한 실제 타이어와 접지마찰은 차체와 접지마찰이 처리되는 방식과 유사하게 다각형 마찰방식을 적용하였다.
대상 데이터
Car body 항목에 Stiff, Normal, Soft의 3가지로 분류되어 선택할 수 있으며. 본연구의 Rollover 해석에 적용한 차체강도는 Normal로 선택하여 마찰계수 1.0, 반발계수 0.45, 강도 399.94 kN/m으로 자동 입력된다. 그림 5는 타이어 모델을 입력하는 화면을 나타낸 것이다.
208 Rollover 법규[9]의 실제 시험차량과 같이 PC-Crash 프로그램의 유사성을 확인하기 위해 적용하였다. 표 1은 PC-Crash 시뮬 레이션을 위한 차량제원을 나타낸 것이며, 무게중심 높이(C.G height)는 Euro NCAP의 자료를 이용하였고, 차량무게는 공차무게로 입력하였다.
해석차량의 Rollover를 재현하기 위해 23° 기울어져 있는 대차(Trolley)와 같이 시험차량의 롤 각도를 23°로 주어지고, 기존 해석모델 차량의 무게중심 711 mm에서 대차의 높이를 포함해서 1,203.9 mm로 설정하였다.
이론/모형
본 연구에서 적용할 차량모델은 미국 FORD사의 EXPLORER 차종으로 FMVSS No. 208 Rollover 법규[9]의 실제 시험차량과 같이 PC-Crash 프로그램의 유사성을 확인하기 위해 적용하였다. 표 1은 PC-Crash 시뮬 레이션을 위한 차량제원을 나타낸 것이며, 무게중심 높이(C.
성능/효과
(1) 실제 차량의 Rollover 거동을 재현하기 위해 해석한 결과를 볼 때 거의 유사한 결과를 보여주었으며, 충돌속도 및 롤각의 특성은 1000 msec 이전에는 유사하게 진행되다가 1000 msec 이후부터 다소 오차율 커지는 경향을 볼 때 재료의 동적 특성을 고려되어야만 신뢰성을 확보할 수 있었다.
(2) NHTSA의 NASS 데이터베이스를 활용한 PC-Crash 해석결과로 충돌속도는 약 15～77 km/h, 충돌각도는 22～74° 범위에서 가장 많이 발생함을 나타냈다.
(3) 실제 사고사례를 적용하여 차량 출발위치, Roof 파손위치, 정지위치를 재현시켜 차량 Roof가 파손될 때 차량속도 및 충돌시간을 추정할 수 있었다.
이 어려움의 해결방안으로 NHTSA의 NASS(National Accident Sampling System) 데이터베이스[12]를 이용하여 차량 단독사고 중 Rollover 충돌 4,135건 중 160건을 확인한 결과로 약 55건을 도출할 수 있었다. 검색한 55건을 그림 10에서 나타낸 충돌모델을 적용하여 PC-Crash 프로그램으로 도로상황, 차량제원, 전복위치를 시뮬레이션을 수행한 결과로 Rollover시 지면 충돌속도와 충돌각도를 도출할 수 있었다.
그 결과로 그림 11에서 나타난 바와 같이 해석 결과 분포를 볼 때 충돌속도 20～50 km/h 범위에서 가장 충돌이 많이 발생함을 알 수 있었고, NASS 데이터베이스를 분석한 결과를 참고로 할 때 충돌각도는 30～60° 범위에서 가장 많이 발생함을 나타내고 있다.
그림 8은 실제 Rollover 시험결과와 PC-Crash 해석 결과를 비교하기 위하여 시간에 따른 차량속도의 특성을 나타낸 것이다. 그 결과로 시간 0에서 약 1000 msec 까지는 유사한 경향으로 차량속도의 특성을 나타나지만약 1000 msec 이후에서는 PC-Crash로 시뮬레이션 한 결과가 실제 데이터와의 오차범위가 점점 커지면서 급격하게 감속함을 확인할 수 있다. 이는 교통사고분석프로그램 PC-Crash는 각 차량의 특성 값이 아닌 차량 충돌을 고려했을 때의 Stiffness, Suspension, Damping 등이 일정한 값으로 설정되어 있어 차량속도의 특성곡선을 보면 감속하는 경향은 유사하게 나타나지만, 약 1000 msec 이후에 급감속하는 이유는 차량의 충돌인자를 입력하는 재료의 동적 특성차이로 사료된다.
하지만 그림 14는 차량 단독 Rollover 사례로 PC-Crash의 최적화 기능을 사용하여 오차율을 도출할 수 없어 그림 15에서 나타난 바와 같이 해석을 통하여 차량 출발위치, Roof 파손위치, 정지위치를 재현시킬 수 있었다. 그 결과로 차량 Rollover가 진행되는 과정에서 Roof가 파손되는 위치는 시간 1.005 sec에서 차량속도는 38.67 km/h로 나타내었다. 이 때 EXPLORER 차량의 파손사진에서 산출한 x, y축방향의 변위량은 약 461, 520 mm로 계측될 때 이에 상당한 차량속도는 38.
그 결과로 충돌속도는 약 15～77 km/h에서 일어났으며, 이때 지면의 충돌각도는 22～74° 범위에서 Rollover 발생이 일어남을 예측할 수 있었다.
이는 시험시작부터 2 sec까지 실제 차량의 Rollover 거동을 일치하도록 영상 분석한 것으로 비교적 유사한 결과를 보여주어 PC-Crash 프로그 램에 대한 시뮬레이션의 유효성을 검증할 수 있었다. 따라서 PC-Crash 시뮬레이션을 통하여 10～2000 ms 시간 동안 차량의 위치와 방향에서 얻어진 데이터를 근거로 차량속도와 롤각을 계산하는데 사용할 수 있었다.
67 km/h로 나타내었다. 이 때 EXPLORER 차량의 파손사진에서 산출한 x, y축방향의 변위량은 약 461, 520 mm로 계측될 때 이에 상당한 차량속도는 38.67 km/h로 예측할 수 있어 PC-Crash 충돌해석의 신뢰성을 확인할 수 있었다.
실제 Rollover 교통사고분석을 위한 TAAS(Traffic Accident Analysis System : 국내 교통사고분석시스템) 는 실제 Rollover시 도로상황, 사고개요, 차량제원, 전복 위치 등을 도출하기에는 어려움이 있다. 이 어려움의 해결방안으로 NHTSA의 NASS(National Accident Sampling System) 데이터베이스[12]를 이용하여 차량 단독사고 중 Rollover 충돌 4,135건 중 160건을 확인한 결과로 약 55건을 도출할 수 있었다. 검색한 55건을 그림 10에서 나타낸 충돌모델을 적용하여 PC-Crash 프로그램으로 도로상황, 차량제원, 전복위치를 시뮬레이션을 수행한 결과로 Rollover시 지면 충돌속도와 충돌각도를 도출할 수 있었다.
과 시뮬레이션을 통하여 얻어진 영상을 비교하기 위해 카메라 30 ms 간격으로 포착한 사진을 정리하여 일부만 나타낸 것이다. 이는 시험시작부터 2 sec까지 실제 차량의 Rollover 거동을 일치하도록 영상 분석한 것으로 비교적 유사한 결과를 보여주어 PC-Crash 프로그 램에 대한 시뮬레이션의 유효성을 검증할 수 있었다. 따라서 PC-Crash 시뮬레이션을 통하여 10～2000 ms 시간 동안 차량의 위치와 방향에서 얻어진 데이터를 근거로 차량속도와 롤각을 계산하는데 사용할 수 있었다.
후속연구
그 결과로 초기에는 롤각의 특성은 유사하게 진행되 다가 약 1000 msec 이후부터는 롤각이 다르게 나타나는 것으로 PC-Crash의 시뮬레이션이 실제 시험상황과 해석상황을 100% 일치시키기에는 어려움이 있으므로 차량의 동적 특성을 고려한 반복적인 Correlation 시뮬레이션을 통하여 신뢰성을 확보할 필요가 있다.
향후, 본 연구에서 얻어진 Rollover의 충돌속도 및 충돌각도의 범위를 LS-DYNA 유한요소해석에 적용하여 SUV의 Roof Crush 평가가 이루어진다면 보다 교통사고 재구성을 위한 연구는 더욱더 향상될 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
일반적으로 PC-Crash의 시뮬레이션 결과와 실제 최종위치의 오차율을 확인하는 방법은 무엇인가?
일반적으로 PC-Crash의 시뮬레이션 결과와 실제 최종위치의 오차율을 확인하는 방법으로는 Collision optimizer 기능을 사용하여 차량의 위치좌표, 차량방향 등으로 오차율을 확인하지만 Collision optimizer 기능은 차량 2대 이상의 충돌에서만 사용이 가능하다. 하지만 그림 14는 차량 단독 Rollover 사례로 PC-Crash의 최적화 기능을 사용하여 오차율을 도출할 수 없어 그림 15에서 나타난 바와 같이 해석을 통하여 차량 출발위치, Roof 파손위치, 정지위치를 재현시킬 수 있었다.
SUV의 단점은 무엇인가?
SUV((Sport Utility Vehicle)은 승용차에 비해 차량의 실내가 넓기 때문에 많은 양의 짐을 적재할 수 있어 여가생활에 필요한 장비를 적재하기 유용할 뿐만 아니라 여려 명이 탈 수 있다는 장점이 있고, 높은 차고로 인해 시야확보가 유리하여 쾌적한 운전환경을 제공한다. 하지만 높은 차고로 인해 차량 무게중심의 높이가 상승 하게 되어 차량이 급선회하는 경우 전복 또는 전도가 쉽게 발생될 수 있다는 단점이 있다. 따라서 자동차의 대중화에 따른 자동차 교통량의 증가로 인해 차량 전복사고가 급증하여 이에 따른 인명피해가 증가해왔으며 이를 방지하기 위한 여러 기술이 진행되고 있다.
전복사고가 발생하는 이유는 무엇인가?
차량 선회시 차체는 원심력에 의해 도로 곡선의 외측 방향으로 기울어지게 되어 원심력으로 인한 롤각이 발생하여 차량이 견딜 수 없는 한계를 벗어나면 타이어가 노면을 이탈하게 되어 전복사고가 발생하게 된다. 차량전복에 관련된 역학은 차량을 강체로 가정하고 힘의 균형만 고려하므로 현가장치와 타이어의 변형은 무시한 다.
참고문헌 (12)
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