[논문]오토바이 헬멧의 충돌 안정성 검토를 위한 유한요소해석

유병모; 송재선; 김도; 이수경; 김용환

오토바이 헬멧의 충돌 안정성 검토를 위한 유한요소해석
Finite element analysis for the impact stability investigation of the motorcycle helmet 원문보기

유병모 (충남대학교 BK21 메카트로닉스사업단) , 송재선 (충남대학교 BK21 메카트로닉스사업단) , 김도 ((주)삼양사 화성연구소) , 이수경 ((주)삼양사 화성연구소) , 김용환 (충남대학교, BK21 메카트로닉스사업단)

A motorcycle helmet is the best means to protect the head of bike's driver and it is directly connected to a driver's life. Prior to producing of the helmet, it has to be passed the process of impact test to evaluate of its safety. This test evaluates peak acceleration and H.I.C (Head Injury Criteria). This paper analyzes impact test with finite element method to find the behavior of helmet during the test. Also, the effect of impact sites on the helmet was evaluated to improve the thickness distribution of the helmet.

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문제 정의

본 논문에서는 오토바이 헬멧의 충격시험을 유한요소법을 이용하여 해석하였으며 헬멧의 설계와 성형에 적용할 수 있는 기반을 마련하는데 목적을 두었다. 해석을 통하여 얻은 결론은 다음과 같다.
본 논문에서는 유한요소법을 이용하여 미국의 소비자 보호단체에서 제정한 SNELL M90 평가 기준에서 요구하는 중격에너지로 헬멧을 자유 낙하시킬 경우, 시간에 따른 가속도 값과 HIC값을 구하였으며 이를 토대로 헬멧의 충격 위치에 따른 결과 값을 비교함으로써 Shell의 두께 성형에 어떠한 영향을 미칠 수 있는지 분석하였다.

가설 설정

H.I.C는 뇌가 점성-탄성 매개물이며 부서지지 않는다는 가정으로 가속도와 지속시간의 상승작용의 영향을 고려한 것이다. [4]
C값이 가장 컸다. 수직으로 충격이 가해진 부분의 Shell 두께를 더 얇게 하면 변형이 커져 가속도 값과 HIC값이 줄어들 것이다.

제안 방법

Anvil 은 고정하였고 Anvil 에 대하여 Shell, Liner 그리고 HeadForm 을 7.746nVs 의 초기속력으로 Z 방향 충격을 가하였다. Null 은 모델간의 접촉조건을 만족하게 하기 위해 사용되었으며 Anvil,Shell, Null 그리고 HeadForm 사이에는 Single Surface Contact 조건을 사용하여 해석하였다.
746nVs 의 초기속력으로 Z 방향 충격을 가하였다. Null 은 모델간의 접촉조건을 만족하게 하기 위해 사용되었으며 Anvil,Shell, Null 그리고 HeadForm 사이에는 Single Surface Contact 조건을 사용하여 해석하였다. 실제로 Shell 과 Liner 는 붙어있는 상태이기 때문에 Shell 과 Null 사이에는 Tied 옵션을 주어 해석하였다.
SI 발표 후 많은 해석과 실험이 진전되었으며, 연구 결과의 하나로 19기년 Versace 는 WSTC 와 SI사이의 연관관계에 대한 H.I.C의 기초가 되는 해석을 제공하였다. 그 후 H.
2 는 평판 Anvil 에 대한 헬멧의 충격 위치에 대한 가속도 값을 비교한 그래프이다. 수직으로 떨어 졌을 때를 기준으로 하여 앞, 뒤 그리고 오른쪽을 각각 45° 의 각도로 충격을 가하였다. 헬멧 모델이 좌우 대칭이기 때문에 좌로 45- 에대한 해석은 생략하였다.

대상 데이터

Anvil 과 HeadForm 은 강체 이고 나머지는 변형체이다. Shell(헬멧), Null, Anvil 은 shell 요소를 사용하였으며 Liner 와 HeadForm 은 solid 요소를 사용하였다. Shell(helmet)의 두께는 4mm 이 고 Null 의 두께는 1mm 이다.

이론/모형

있다. 우리나라에서는 보통 미국의 규정을 따르는데 본 논문에서는 SNELL 규정에 따라 해석을 수행하였다 [3]

성능/효과

(1) 평판 Aiwil에 대한 해석보다 반구형 Anvil에 대한 해석의 최고가속도 값이 더 낮게 나옴을 알 수 있다. 이는 반구형 Anvil에 부딪혔을 때 더 많이 변형이 일어나 에너지로 홉수 되었기 때문이다.
(2) 평판 Anvil과 반구형 Anvil 모두 수직으로 충격이 가해졌을 때 가속도와 H.I.C값이 가장 컸다. 수직으로 충격이 가해진 부분의 Shell 두께를 더 얇게 하면 변형이 커져 가속도 값과 HIC값이 줄어들 것이다.
가속도 값이 가장 높은 오른쪽으로 45° 기울여서 충격을 가했을 때보다 수직으로 충격을 가하였을 때 H.I.C 값이 가장 크게 나왔다. 수직으로 충격을 받았을 경우 머리에 가해지는 상해 정도가 가장 큼을 알 수 있다.
C 값이 가장 크다. 따라서 사람의 안전을 고려하였을 때 수직으로 충격이 가해지는 부분에 대한 Shell 의 두께를 얇게 변화시켜 충격을 가하였을 때 변형을 크게 하여 가속도 값과 H.I.C 값을 줄일 수 있을 것으로 예상한다.

후속연구

(3) 향후 헬멧의 안전성을 높이고 무게를 줄일 수 있도록 최적의 Shell 두께 분포를 구할 예정이다.
그 외, Shell 두께를 줄여 변형을 더 크게 하는 방법 외에 가속도 값과 H.I.C 값에 영향을 줄 수 있는 요인들에 대한 연구가 더 필요하겠다.
이러한 충격 시험의 결과 값에 따라서 Shell의 두께를 부분적으로 다르게 최적 설계를 하면 헬멧의 어느 위치에서나 충격에 대해 비슷한 가속도 값을 갖게 돠어 더욱 안전성이 높아 질 수 있으며 부분적으로 두께가 얇아지면 제품의 경량화와 원가 절감에 도움이 될 수 있을 것이다.

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