[논문]복합제 초 저상 굴절버스의 충돌 특성 해석

김유석; 최정훈; 조진래; 이상진

문제 정의

본 논문에서는 복합제 초 저상 굴절버스의 충돌 거동을 확인하기 위한 유한요소를 통한 시뮬레이션을 수행하였다. 충돌해석은 유럽 법규 66번(ECE regulation No.
본 연구는 초 저상 버스의 3차원 모델을 FEM(유한요소법)에 근거하여 차체의 전복 및 충돌 해석을 수행함으로써 각각의 특성을 평가하고, 이를 통해 사고 발생 시의 안전성을 검증하며 탑승객의 안전을 위한 생존 공간(survival space)의 확보를 목적으로 하고 있다.

가설 설정

(1) 승객 거주공간이 낮게 설계되어 있다.
(3) Rear engine - rear drive 구조로 차체의 무게중심이 차체의 중심보다 뒤쪽으로 위치한다.

제안 방법

1. 초 저상 굴절보스에 대한 정면 충돌해석을 수행하였다. 속도는 유럽규정에 따라 48km/h로 하였으며 강체 벽면에 수직으로 충돌했을 때 발생하는 운동에너지 및 충돌에너지의 변화와 에너지 흡수에 대하여 고찰하고 차체의 거동에 대하여 고찰하였다.
2. 전복해석은 해석시간을 줄이기 위하여 강체 바닥면에 속도를 부여하여 버스와 충돌시키는 방법으로 해석하였으며 전복 시 발생하는 프레임의 좌굴에 의한 승객 거주공간의 침범을 확인하고 실차모델과 형상을 비교하였다. 에너지의 주 흡수부제는 프레임 좌, 우측 필러이며 상부프레임의 좌굴에 의한 거동보다 필러의 굽힘 현상에 의한 에너지 흡수가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
해석을 위한 모델을 개발하기 위하여 차체를 지지하는 프레임 모델과 카울(cowl)을 따로 모델링한 후 contact 조건을 이용하여 결합하는 방식을 사용하였으며 해석 시간과 오차를 줄이기 위하여 해석에 불필요한 부분을 제거하여 최대한 단순하게 모델링 하였다. 그리고 차체의 무게 중심을 동력학 프로그램인 ADAMS로 측정하여 무게 중심에서 발생할 수 있는 관성력에 의한 차량거동을 파악할 수 있게 하였다. 이러한 전 처리 과정은 상용 프로그램인 Hyper-mash와 ANSYS를 이용하였으며 solver로는 LS-Dyna를 이용하였다.
초 저상 굴절보스에 대한 정면 충돌해석을 수행하였다. 속도는 유럽규정에 따라 48km/h로 하였으며 강체 벽면에 수직으로 충돌했을 때 발생하는 운동에너지 및 충돌에너지의 변화와 에너지 흡수에 대하여 고찰하고 차체의 거동에 대하여 고찰하였다.
전복해석의 경우 일정 높이의 회전 대(tilting platform) 위에 시험차량을 올려놓고 회전 대를 초당 5초 이내의 가속도로 기울려 전복 시키는 형태로 수행 했다. 이를 해석적으로 구현하기 위하여 차량 전복 속도를 동력학 프로그램인 ADAMS를 이용하여 측정한 다음 지면에 속도를 부여하여 시뮬레이션을 수행하였다.
정면충돌은 규정에 따라서 강체 벽면에 차체를 수직을 충돌시키는 형태로 시뮬레이션 하였으며 충돌 속도는 48km/h (13m/s)로 설정하고 차체의 움직임이 완전히 정지할 때까지 시뮬레이션을 수행하였다.
11은 초 저상 굴절버스의 정면 충돌해석 결과를 나타낸다. 충돌시간은 120ms로 하여 차체의 거동이 완전히 정지할 때까지 충분한 시간을 두고 해석을 수행하였다. 정면충돌의 에너지 흡수는 대부분 프레임부에서 발생하는 것을 볼 수 있으며, 캡 오버 타입인 버스의 특성에 따라 카울에서 20%정도의 흡수가 일어나는 것을 확인할 수 있다.
해석을 위한 모델을 개발하기 위하여 차체를 지지하는 프레임 모델과 카울(cowl)을 따로 모델링한 후 contact 조건을 이용하여 결합하는 방식을 사용하였으며 해석 시간과 오차를 줄이기 위하여 해석에 불필요한 부분을 제거하여 최대한 단순하게 모델링 하였다. 그리고 차체의 무게 중심을 동력학 프로그램인 ADAMS로 측정하여 무게 중심에서 발생할 수 있는 관성력에 의한 차량거동을 파악할 수 있게 하였다.

대상 데이터

버스 충돌은 일반 승용차와는 달리 프레임에서 충격에너지가 흡수되고 전달되기 때문에 해석에 있어서 매우 중요한 부재이다. 이러한 프레임은 셸(shell) 요소를 사용하였으며 노드(node)의 개수는 8,876개, 요소(element) 수는 10,491개이다. 프레임의 구조는 상부 프레임과 측면 프레임, 상부프레임이 결합된 구조이다.
해석에 사용된 모델은 최근에 많이 개발되어 상용화 되고 있는 초 저상 굴절버스로 하였다.

데이터처리

이러한 전 처리 과정은 상용 프로그램인 Hyper-mash와 ANSYS를 이용하였으며 solver로는 LS-Dyna를 이용하였다. 그리고 해석결과의 후처리는 EtaPost를 이용하여 결과를 도출하였다. 아래 Fig.
그리고 차체의 무게 중심을 동력학 프로그램인 ADAMS로 측정하여 무게 중심에서 발생할 수 있는 관성력에 의한 차량거동을 파악할 수 있게 하였다. 이러한 전 처리 과정은 상용 프로그램인 Hyper-mash와 ANSYS를 이용하였으며 solver로는 LS-Dyna를 이용하였다. 그리고 해석결과의 후처리는 EtaPost를 이용하여 결과를 도출하였다.

이론/모형

수치해석은 버스충돌 사고에서 가장 많이 일어나고 있는 정면충돌과 전복해석을 수행하였으며 해석 시나리오는 유럽 법규 66번 (ECE regulation No.66)에 따라 해석을 수행 하였다.
유한 요소 해석을 위한 모델은 아래 그림과 같으며 상용 프로그램인 CATIA를 이용하여 모델링하였다. 초 저상 굴절버스의 구조는 크게 프레임(frame), 바디(body), 섀시(chassis), 엔진(engine) 등 여러 부재로 나눌 수 있다.
충돌에 따른 바디의 변형을 확인하기 위하여 카울 모델을 적용하였으며 노드 수는 79,082개, 요소 수는 78,016개이며 충돌변형과 무관한 요소에 대해서는 1개의 요소로 정의하였다.
본 논문에서는 복합제 초 저상 굴절버스의 충돌 거동을 확인하기 위한 유한요소를 통한 시뮬레이션을 수행하였다. 충돌해석은 유럽 법규 66번(ECE regulation No.66)을 모델로 실험하였으며 정면충돌과 전복거동에 대한 해석을 수행하였다.
충돌해석을 위한 물성은 LS-Dyna에서 제공하는 탄소성 재료 모델인 biliner kinematic hardening 을 이용하여 충돌 특성에 직접적인 영향을 주는 요소들에 적용하였으며 나머지 부재에 대해서는 탄성 재료 모델을 사용하였다. 실험 모델에 적용된 물성치는 Table.

성능/효과

에너지 측면에서는 충돌 후 4msec근방에서 에너지 교환이 일어났으며 이후부터 에너지 흡수가 일어난 것을 확인할 수 있었으며 충돌직후 충돌 면과 직접 접촉하는 면에서 최대 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
전복해석은 해석시간을 줄이기 위하여 강체 바닥면에 속도를 부여하여 버스와 충돌시키는 방법으로 해석하였으며 전복 시 발생하는 프레임의 좌굴에 의한 승객 거주공간의 침범을 확인하고 실차모델과 형상을 비교하였다. 에너지의 주 흡수부제는 프레임 좌, 우측 필러이며 상부프레임의 좌굴에 의한 거동보다 필러의 굽힘 현상에 의한 에너지 흡수가 더 큰 것을 확인할 수 있다.
충돌시간은 120ms로 하여 차체의 거동이 완전히 정지할 때까지 충분한 시간을 두고 해석을 수행하였다. 정면충돌의 에너지 흡수는 대부분 프레임부에서 발생하는 것을 볼 수 있으며, 캡 오버 타입인 버스의 특성에 따라 카울에서 20%정도의 흡수가 일어나는 것을 확인할 수 있다. 프레임의 최대 응력은 충돌 직전에 출돌 벽면과 처음 접촉하는 부분에서 가장 강하게 나타났으며 최대응력은 24msec일 때 1.
정면충돌의 에너지 흡수는 대부분 프레임부에서 발생하는 것을 볼 수 있으며, 캡 오버 타입인 버스의 특성에 따라 카울에서 20%정도의 흡수가 일어나는 것을 확인할 수 있다. 프레임의 최대 응력은 충돌 직전에 출돌 벽면과 처음 접촉하는 부분에서 가장 강하게 나타났으며 최대응력은 24msec일 때 1.16GPa로 항복강도보다 약 15% 높다.

후속연구

초 저상버스의 특성상 차체의 무게중심의 높이와 하부프레임이 일반버스에 비해 낮게 설계되기 때문에 충돌에너지가 필러(pillar)를 통하여 상부 프레임으로 전달되는 것을 확인할 수 있으며 이러한 현상에 의해 프레임의 에너지 흡수가 끝난 다음 차체의 뒤 타이어가 지면과 떨어지는 현상이 확인된다. 이러한 현상은 버스 전복과 2차적인 사고의 발생 원인이 되기 때문에 에너지 전달 면에서 프레임 구조 설계의 개선이 필요할 것으로 보여 진다.
이처럼 충돌 및 전복에 대한 실제적인 법규가 제정되고 충돌 안전성에 대한 인식의 정도가 높아지고 있으므로 새로 개발될 초 저상 버스의 안전성 검증을 위한 충돌 및 전복 실험을 통해 버스 구조의 개발이 우선적으로 연구되어야 한다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	대중교통 중 이용 정도가 가장 높고 교통 상황에 가장 유연하게 대처할 수 있는 수단으로 여겨지는 교통수단은?	버스는 대중교통 중 이용 정도가 가장 높고 교통 상황에 가장 유연하게 대처할 수 있는 수단으로 여겨지고 있으며 초 저상 버스 등과 같은 새로운 버스의 개발로 미래에도 가장 대중적인 교통수단으로 많이 사용되어 질 것이다.
	초 저상 굴절버스는 어떻게 설계되었는가?	초 저상 굴절버스는 기존의 버스보다 낮은 지상고로 탑승객의 이용이 편리하게 설계하였다. Fig.
	초 저상 굴절버스의 특징은 무엇인가?	(1) 승객 거주공간이 낮게 설계되어 있다. (2) Air-conditioner와 CNG tank가 지붕으로 위치하기 때문에 전체적인 무게 중심은 일반버스에 비해 위쪽에 위치한다. (3) Rear engine - rear drive 구조로 차체의 무게중심이 차체의 중심보다 뒤쪽으로 위치한다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

복합제 초 저상 굴절버스의 충돌 특성 해석
Crashworthiness Characteristic Analysis of Composite Non-step Bus 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

복합제 초 저상 굴절버스의 충돌 특성 해석 Crashworthiness Characteristic Analysis of Composite Non-step Bus 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

데이터처리

이론/모형

성능/효과

후속연구

질의응답

이 논문을 인용한 문헌

관련 콘텐츠

원문 보기

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

복합제 초 저상 굴절버스의 충돌 특성 해석
Crashworthiness Characteristic Analysis of Composite Non-step Bus 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper