휴먼모델을 이용한 EURO-NCAP 상부다리모형 평가시험 방법에 대한 분석

1. 서 론

세계적으로 차 대 보행자 사고 시 보행자의 안전을 위한 연구 및 규정이 꾸준히 개발되어 왔다. 1977년 국제 자동차 안전기술회의(International Conference of Enhanced Safety of Vehicles, ESC)는 차 대 보행자사고 시 보행자 안전을 향상시키기 위하여 차량의 보행자 보호 성능 향상을 위한 연구를 시작하였다. 또한 1994년 유럽자동차안전도개선위원회(European Enhanced Vehicle Safety Committee, EEVC)는 최초의 보행자 보호 평가방법을 개발하여 1996년 최초로 차 대 보행자 사고 시 자동차의 보호 성능을 평가하기 시작하였다.^1,2) 세계적인 추세에 따라 2007년 대한민국은 한국 신차 안전도평가(Korea New Car Assessment Program, K-NCAP)를 만들어 자동차의 보행자 보호 성능의 평가를 시작하였다.³⁾ 이처럼 최근 세계 각국의 정부 및 보험사들은 EURO-NCAP 및 K-NCAP 등과 같은 보행자 보호를 위한 기구 및 규정을 설립하고 시행하고 있다. 이에 따라 자동차 제작사 및 학계에서는 자동차의 보행자 보호 성능을 향상시키기 위한 설계에 대한 연구를 꾸준히 진행하였다.^4-10)

그럼에도 불구하고 2011년도부터 2015년도의 국내 교통사고의 사망자를 보면, 차 대 보행자 교통사고의 전체 사망자 수는 감소하는 추세이지만 전체 교통사고 사망자 중 보행자의 비율은 약 40 %의 꾸준히 높은 비율을 보이고 있다.¹¹⁾ 이러한 차 대 보행자 교통사고는 발생빈도에 비하여 사망률이 높은 특징을 가지고 있다. 따라서 보행자 사망자의 수를 줄이기 위해서는 보행자 보호의 평가방법 강화가 필요한 실정이다. 이에 따라 현재 유럽신차안전도평가에서는 보행자 안전성 평가부분으로 다리부분에서 상부다리 시험을 시행하고 있으며, 2015년도까지 전면 범퍼 부분의 기하학적치수에 따라 시험조건을 결정하는 방법을 시행하였으나, 실사고 상황과 다르다는 지적에 따라 범퍼 내부 구조와 인체치수를 고려한 새로운 평가방법을 적용하여 2015년도부터 Pedestrian Testing Protocol version 8.0으로 상부다리 평가방법이 시행중에 있으며 현재 Pedestrian Testing Protocol version 8.3까지 version 8.0과 동일한 방법으로 상부다리 평가를 시행 중이다.¹²⁾

본 연구에서는 휴먼모델인 THUMS(Total Human Model for Safety)를 이용하여 차 대 보행자 비선형동적 충돌 시뮬레이션을 EURO-NCAP 보행자 평가안전규정에 따라 수행하였으며, EURO-NCAP의 시험방법을 기반으로 하여 차 대 상부다리모형 충돌시뮬레이션을 수행하고 휴먼모델의 상부다리와 상부다리모형의 거동과 상해치에 대한 분석을 통하여 EURO-NCAP Pedestrian Testing Protocol version 8.0의 상부다리모형 시험방법의 시험각도 설정과 기존에 존재하던 미끄러짐 효과(Sliding effect)¹³⁾에 대한 한계에 대하여 고찰하였다.

2. 본 론

2.1 유한요소 모델

본 연구에서는 비선형 동적 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA¹⁴⁾를 이용하여 차 대 휴먼모델 및 차대 상부다리모형의 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 차량은 일반적으로 비율이 높은 승용 및 SUV 두 가지 차량 형상에 대하여 해석모델을 생성하여 연구를 진행하였다.

승용차량 모델의 유한요소 모델은 Fig. 1과 같으며, 총 108,213개의 절점과 108,231개의 요소로 이루어져 있다. 또한 해석에 필요한 소요시간을 줄이기 위하여 차량의 전면 구조물로 구성된 유한요소 모델을 사용하였으며, 충돌 시 충돌 에너지를 맞추기 위하여 전체 차량의 질량이 되게끔 차량 모델 후방에 질량요소를 추가하였으며, 차량 후방의 경계조건을 적절하게 설정하여 실제 사고 시 전체 차량의 거동과 같게 설정하였다.

Fig. 1

Finite element model of a sedan

SUV 차량 모델의 유한요소 모델은 Fig. 2와 같으며, 총 226,697개의 절점 및 221,824개의 요소로 구성되어 있다. SUV 차량 모델 또한 승용차량 모델과 동일하게 해석 소요시간을 줄이기 위하여 전면 구조물로 이루어진 유한요소 모델을 사용하였으며, 승용 모델과 마찬가지로 차량 후방에 질량요소를 추가하였다. SUV 차량 모델의 후방 경계조건 또한 승용차량의 후방 경계조건과 동일하게 설정하였다.

Fig. 2

Finite element model of a SUV

휴먼모델의 유한요소모델은 Toyota에서 만들어진 Total Human Model for Safety(THUMS) AM50 Pedestrian Model Academic Version 4.02 로 Fig. 3과 같으며, 총 772,156개의 절점과 1,975,422개의 요소로 이루어져있다. 휴먼모델은 인체의 내부 장기 상해를 조직의 레벨에서 시뮬레이션하기 위하여 CT 스캔을 통하여 만들어졌다. 해당 AM50 버전의 휴먼모델은 평균 성인남성으로서 신장 173 cm, 체중 77.3 kg으로 이루어져 있다.¹⁵⁾

Fig. 3

Finite element model of a human model

상부다리모형의 유한요소 모델은 LSTC사의 LSTC.PEDESTRIAN_UPPER_LEGFORM.100624_V2.3.2를 사용하였으며, 총 20,151개의 절점과 34,038개의 요소로 구성되어있다. 상부다리모형은 Fig. 4와 같이 대퇴골을 대변하는 멤버 1개와 피부 및 조직을 대변하는 2개의 폼(Foam)재 및 2차원 평면요소로 이루어 져있다. 맴버(Member)의 상부 및 하부에는 충격 시 멤버에 작용하는 하중을 측정하기 위한 2개의 로드셀(Load cell)이 생성되어 있으며, 멤버의 중간지점 및 상하로 50 mm에 위치한 지점에는 굽힘모멘트 측정을 위한 섹션(Section)이 정의되어 스트레인 게이지를 대신 할 수 있도록 되어있다. 또한 상부다리모형의 모델 후면에 위치한 무게판의 질량을 조절하여 총 상부다리모형의 무게가 10.5 kg이 되도록 설정하여 Pedestrian Testing Protocol version 8.0의 상부다리 평가시험과 동일하도록 하였다.

Fig. 4

Finite element model of an upper legform impactor

2.2 해석 조건

차 대 상부다리모형의 충돌 시뮬레이션의 조건은 Fig. 5와 같이 EURO-NCAP Pedestrian Testing Protocol version 8.0에 명시되어있는 것과 동일하게 다음과 같이 시험 조건을 설정하였다.¹²⁾ 충격 지점은 승용 및 SUV 각 차량의 횡단경계선(Wrap Around Distance, WAD) 775 mm으로 설정한다. 상부다리모형의 충격 각도는 승용 및 SUV 각 차량의 내부범퍼 기준선(Internal Bumper Reference Line, IRBL)과 횡단경계선 930 mm를 연결하는 선과 수직하도록 설정한다. 또한 EURO-NCAP의 상부다리 평가 시험은 상부다리모형이 가이드를 따라 직선의 움직임만 보이므로, 상부다리모형 모델 후면의 경계조건을 충격각도 방향의 병진운동만 하도록 설정 하였다.

Fig. 5

Car to upper legform to WAD775 test12)

차 대 휴먼모델의 충돌 시뮬레이션의 경우, EURONCAP 및 국내 K-NCAP의 보행자 안전성 평가규정에 따라 40 km/h(11.11 m/s)의 속도로 차 대 휴먼모델 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 휴먼모델의 충돌 자세는 독일의 교통사고 심층조사기관인 GIDAS의 데이터를 토대로 Fig. 6과 같이 휴먼모델의 왼발이 앞으로 향하게 걷는 자세이며, 차량 중앙선에 수직방향으로 휴먼모델의 우측이 차량과 충돌하도록 설정하였다.

Fig. 6

Positioning of a human model

3. 해석 결과

3.1 상부다리 궤적에 따른 고찰

Fig. 7과 Fig. 8은 각각 승용 모델과 SUV 모델의 차 대 휴먼모델의 충돌과정을 시간대별로 나타낸 것이다. Fig. 9와 Fig. 10은 각각 승용 및 SUV모델의 충돌 과정 중 휴먼모델의 대퇴골 중점의 궤적을 차량 관점에서의 상대위치로 나타낸 것이다. 승용 및 SUV 모델 모두 차 대 보행자 더미모델의 충돌 해석결과 상부다리는 충돌과 동시에 차량 전면부의 윤곽을 따라서 내측방향으로 포물선형태의 비선형 궤적의 거동을 보인다. Fig. 11과 Fig. 12의 차 대 상부다리모형 충돌에서는 상부다리모형이 가이드를 따라 운동하기 때문에 선형적인 궤적을 보인다.

Fig. 7

Car to human model accident simulation (Sedan)

Fig. 8

Car to human model accident simulation (SUV)

Fig. 9

Position of the middle point of the femur (Sedan, relative coordinates)

Fig. 10

Position of the middle point of the femur (SUV, relative coordinates)

Fig. 11

Trajectory of the upperlegform impactor (Sedan)

Fig. 12

Trajectory of the upperlegform impactor (SUV)

3.2 최대 하중에 따른 상부다리 각도에 대한 고찰

차 대 휴먼모델의 충돌 과정 중 상부다리의 궤적이 시간에 따라 비선형적이므로, Fig. 13, Fig. 14와 같이 대퇴골의 각도 또한 시간에 따라 꾸준히 변화한다. 본 연구에서는 시간에 대한 대퇴골이 받는 하중과 상부다리가 지면의 법선과 이루는 각도를 산출하여, 하중이 최대일 때 상부다리가 법선과 이루는 각도를 확인하였다. Fig. 15, Fig. 16은 차 대 휴먼모델의 충돌 과정 중 시간에 따른 대퇴골에 걸리는 하중이다. 승용 모델의 경우 0.05442 s에서 1372.76 N의 최댓값을 가지며, SUV 모델의 경우 0.02797 s에서 2041.37 N의 최댓값을 가진다. 또한 승용 모델의 경우 하중이 최대일 때 상부다리의 각도는 48.17°의 값을 가지며, SUV 모델의 경우 23.90°의 값을 가진다.

Fig. 13

Angle of the upper leg of the human model (Sedan)

Fig. 14

Angle of the upper leg of the human model (SUV)

Fig. 15

Contact force of the femur (Sedan)

Fig. 16

Contact force of the femur (SUV)

차 대 상부다리모형의 충돌에서의 상부다리모형의 충격각도는 차량의 내부범퍼기준선과 횡단경계선 930 mm를 연결하는 선과 수직인 각도이며 승용모델의 경우 47.8°이며 SUV 모델의 경우 24.4°의 값을 가진다.

4. 결론 및 고찰

본 연구에서는 EURO-NCAP의 Pedestrian Testing Protocol version 8.0의 상부다리 평가시험과 동일한 조건으로 차 대 상부다리모형 충돌 시뮬레이션을 수행하였으며, 국내외 보행자 안전성 평가규정에 따라 차 대 휴먼모델 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 상부다리의 평가시험의 시험 각도 및 충격속도의 설정은 차량 전면부의 기하학적 형상 및 범퍼의 내부 구조에 따라 변화하므로 두 시뮬레이션의 차량모델은 차고의 높이가 다른 승용모델과 SUV모델 두 차종의 유한요소 모델을 이용하였으며, 두 시뮬레이션의 결과를 바탕으로 현재 EURO-NCAP의 상부다리 평가시험에 대하여 고찰하였다.

차 대 휴먼모델 충돌 시뮬레이션의 결과의 상부다리가 최대의 하중을 받을 때의 각도와 EURONCAP의 상부다리 평가시험의 상부다리 설정각도를 정리하여 Table 1에 나타내었다. 여기서 T_c는 대퇴골에 걸리는 하중이 최대일 때의 시간이며, f_atTc는 대퇴골이 받는 최대 하중, α_femur,atTc는 T_c일 때 대퇴골의 각도, α_{upper legform}는 EURO-NCAP 시험방법에서 상부다리모형의 충격각도이다. 대퇴골이 받는 하중이 최대일 때 각도와 EURO-NCAP 상부다리모형 충격 각도는 수치적으로 상당히 유사하며, EURO-NCAP의 시험방법이 상부다리의 상해치가 심각할 때를 기준으로 한 것으로 미루어 보아 타당한 것으로 보인다. 또한 상부다리모형과 대퇴골이 받는 하중, 모멘트는 값의 차이는 존재하며 기존의 연구 결과 휴먼모델의 상부다리가 상부다리모형의 값보다 크다는 연구가 꾸준히 진행되어 왔으며,¹⁴⁾ 기존 평가방법에서도 대퇴골이 받을 수 있는 하중보다 큰 값으로 평가하고 있으므로¹⁶⁾ 하중과 모멘트 값은 비교하지 않았다.

Table 1

Table of the angle of the femur of the human model and the upper legform impactor

그러나 차 대 휴먼모델 충돌 시뮬레이션과 차 대상부다리모형의 충돌 시뮬레이션에서 상부다리와 상부다리모형의 궤적을 산출한 결과, 차 대 보행자 사고 시 보행자의 상부다리는 차량 전면부 내측으로 비선형적인 궤적을 보이는 반면, 상부다리모형의 충격 시뮬레이션의 경우 상부다리모형이 선형적인 병진운동만을 보인다. 따라서 변경전의 EURONCAP Pedestrian Testing Protocol version 7.1.1의 상부다리 평가방법에서 존재하던 미끄러짐 효과(Sliding effect)¹³⁾를 여전히 묘사하지 못하는 한계가 존재한다.

따라서 현재의 상부다리모형을 이용한 후드선단부 고립계 충격시험방법을 개선하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다. 최근 Flex-PLI(Flexible Pedestrian Legform Impactor)를 통한 상부다리 평가방법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며,^17,18) 해당 상부다리 평가기술 관련 연구에 주목할 필요성이 존재한다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통부 및 국토교통과학기술진흥원의 연구비지원(16PTSI-C054118-08)으로 수행된 연구임.

이 논문은 한국과학기술정보연구원/국가슈퍼컴퓨팅연구소로부터 슈퍼컴퓨팅 자원과 기술지원을 받아 수행된 연구성과임(KSC-2016-S1-0010).

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