자동차 충돌 충격 최소화 기술

 

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자동차 충돌 최소화 기술인 크래쉬 매니지먼트 시스템

 

자동차의 크래쉬 매니지먼트 시스템은 저속의 정면충돌 상황에서 충돌 에너지를 흡수하며 이 시스템은 프레임 레일보다 강성을 낮게 설계하여 충돌 시 먼저 충돌에너지를 흡수해 수리비용을 줄이는 역할을 하고 미국 연방 전자 규정(Electronic Code of Federal Regulations eCFR)은 저속의 충돌시험을 두 가지로 정의하며 첫 번째는 진자 충돌시험으로 구조물을 고정하고 진자를 움직여 충돌하며 두 번째 시험은 장벽 충돌시험(barrier impact test)이고 이 시험에서는 구조물이 저속으로 고정 장벽을 충돌하며 본 연구에서는 경계조건이 없이 8 km/h의 저속으로 고정장벽을 충돌하는 시험에 관성제거법을 이용한 등가정하중법을 적용하며 8526개의 요소와 29개의 파트로 구성하며 무게는 16.16 kg이다.

 

 

이 시스템은 앞에서 설명한 것처럼 8 km/h의 저속으로 고정장벽을 충돌하며 후면 끝 단은 x 축 방향의 자유도를 제외한 나머지 자유도는 모두 고정하였으며 즉 구조물이 x 축 방향으로 움직여 고정 장벽에 충돌하는 문제이며 따라서 충돌해석의 변위 응답은 강체 운동과 유연체 운동을 포함하고 있으며 관성 제거법을 이용하여 강체 운동을 제거하고 이동제한 전략을 적용하여 수렴성을 향상했으며 다음은 정식화이고 여기서 bi는 i 번째 설계 변수이며 29개의 파트에서 후면 끝 단의 파트를 제외한 28개의 파트의 두께를 대상으로 설계 변수를 정하였으며 설계변수는 xz 평면을 기준으로 대칭인 파트는 같은 설계변수를 사용하며 목적함수는 질량이며 구조물의 충돌안전도에서 빈번하게 고려하는 침입량을 제한조건으로 하였으며 충돌해석의 모든 시간에서 Figure 4.3의 절점 A와 C 절점 B와 C의 x 축 방향 거리가 140.5mm 이상이도록 침입을 제한했으며 pxA pxB pxC는 각각 절점 A B C의 x방향 위치를 의미하며 제안한 등가 정하중 법은 21번째 설계 주기에서 수렴하였으며 다시 말하면 22번의 비선형 동적 해석을 통해 최적해를 도출하였으며 14번째 설계주기 이후 위배율의 진동폭이 증가하였으나 목적함수인 질량은 설계주기를 반복하는 동안 지속적으로 줄어들며 21번째 설계주기에서 수렴하였으며 설계주기마다 이동제한전략의 이동제한인자는 상승한다.

 

 

초기 10%로 출발하여 위배율의 진동폭이 커지는 설계주기에서 5% 줄이고 수렴에 가까워질 때 3%로 줄여 수렴하였으며 질량은 초기 16.16 kg에서 9.98 kg으로 38% 감소하였으며 Figure 4.5에 초기 설계 변수와 최적해의 설계 변수를 비교하였으며 전체적인 두께는 목적 함수인 질량을 최소화하기 위해 얇아졌다. 제한조건을 정의한 절점 A B C 근처 레일의 파트는 침입을 막기 위해 다른 파트보다 두께가 증가했고 전면부(Figure 4.2의 BPR)는 에너지를 흡수하기 위해 얇아졌다. Figure 4.6은 초기 모델과 최적모델의 충돌 후(post-crash) 형상을 보여준다.

 

 

초기 모델은 충돌로 인한 변형이 적어 충돌 에너지 흡수면에서 좋지 않다. 최적모델에서는 침입량 제한조건으로 인해 구조물의 전면부와 레일에서 변형이 발생하여 에너지를 흡수한 형상을 보여주고 이 문제는 총 28개의 설계 변수를 고려하였으며 만약 메타모델을 이용한 근사 최적설계에서 라틴방격법을 사용할 경우 최소 435번의 해석이 필요하다. 따라서 단순히 충돌해석의 횟수만을 비교하여도 메타모델의 약 7%의 비용으로 추가적인 해의 검증이 필요 없는 최적해를 저비용으로 구할 수 있음을 보였다.

 

 

측면 충돌시험을 고려한 자동차 구조물의 치수최적설계 미국도로교통안전국의 사망분석보고시스템에 의하면 1998년부터 2013년까지 측면충돌사고로 인한 사망자수가 매년 약 4000명에 이르며 이에 미국고속도로보험안전협회(Insurance Institute for Highway Safety: 이하 IIHS)는 측면충돌시험에 대한 평가방법을 1999년부터 개발하기 시작했다

 

 

미국고속도로보험안전협회에서 제안한 측면충돌시험 평가는 충돌 변형벽을 탑재한 1500 kg의 대차는 50 km/h의 속도로 자동차 운전석에 수직 한 방향으로 충돌하며 충돌안전도는 더미 (dummy)의 머리 목 골반 다리 몸통 등에 대한 상해와 변형된 구조물에 대 하여 평가하며 본 연구에서는 구조물에 대한 충돌안전도를 고려하였다고 한다.

 

 

※참조 문헌 : 자동차 충돌안전도를 고려한 등가정하중법(이영명 2017)