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CAE 기반 차량 성능 개발 동향 - 충돌안전 성능 개발

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글 : 오토저널(ksae@ksae.org)
승인 2015-08-10 11:10:38

본문

차량개발에서의 충돌안전이란 충돌사고 발생시 차체구조 및 승객보호장치 등의 개발을 통해 운전자의 안전을 완벽하게 보호하는 일련의 활동을 의미한다. 즉, 소비자의 편의 및 욕구 충족을 위한 기존 성능과는 달리 승객의 생명을 지키기 위한 필수 성능이자 기술이라 할 수 있다.

 

세계 각국에서는 충돌안전 법규 및 상품성 평가제도, 이른바 신차평가제도(NCAP, New Car Assessment Program)를 통해 자동차의 충돌안전성을 평가하고 등급제 형태로 일반에 공개하고 있다. 우리나라에서는 국토교통부 산하 자동차안전연구원(KATRI) 주관으로 자동차안전 평가제도(KNCAP)를 도입하고 있으며, 보험개발원 산하 자동차기술연구소에서는 저속충돌시험을 실시하여 복원 수리비용 등을 통해 수리비 등급을 산출하여 보험료에 반영하고 있다. 그 외 주요 신차 안전도 평가제도로는 미국 도로 교통안전국 (NHTSA)주관의 북미 NCAP, 미국 고속도로 안전보험협회(IIHS) 주관의 신차평가제도, 유럽의 Euro-NCAP, 호주의 ANCAP, 중국의 CNCAP 및 라틴 NCAP 등을 들 수 있다<그림 1>.

 

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이러한 신차평가제도는 자동차 제작사에게는 안전기술 향상을 통한, 보다 안전한 자동차 제작을 유도하고 소비자에게는 안전의식 고취 및 차종 선택에 도움을 주는 역할을 수행해왔으며, 궁극적으로는 교통사고로 인한 인명피해를 최소화하는 역할을 하고 있다.

 

충돌안전 CAE 소개

 

● 충돌안전 CAE 역할

 

승객의 안전과 직결되는 차량의 충돌안전성능을 개발초기단계부터 예측하고 효율적으로 안전성능을 달성하기 위해서 CAE의 역할은 점점 더 커지고 있다. 차량의 충돌안전 성능은 양산 전 제작된 시작차량으로 시험 후 성능을 확인하며 개발하게 된다. 하지만, 이렇게 개발초기단계에 만들어지는 시작차량에는 1대 제작에 1억 원 내외의 막대한 비용이 소요된다. 따라서 시험을 하기 전에 충분한 사전 검토가 이뤄지지 않으면 개발 비용이 크게 증가한다. 이런 상황에서 CAE를 활용하여 선행개발된 차량은 컴퓨터상에서 재현되어 실차 충돌시험 전 충분히 검토될 수 있으며 이를 통해 시작차량의 손실과 시행착오를 최소화할 수 있다. 즉, CAE를 활용하면 시작차량 제작 비용과는 비교할 수 없는 적은 비용으로 다양한 조건의 충돌상황 및 차량조건을 반영하여 안전성능을 예측할 수 있어 그 중요성은 점점 커지고 있다.

 

최근에는 자동차에 들어가는 부품 수 만큼이나 다양한 신소재, 신공법 및 진보된 안전장비 등이 개발되고 있으며 이러한 부품들이 최상의 충돌성능을 달성하기 위해서는 개발초기단계에 충분한 검토가 필수적이다. CAE를 활용하면 이러한 신기술 적용 시 안전성능을 미리 예측하고 최적의 사양으로 성능을 달성할 수 있다. 최근 글로벌 자동차 업계는 환경 및 연비개선을 위한 방안으로 차량 경량화를 통한 연비향상에 많은 노력을 기울이고 있다. 그 중에서도 알루미늄, 고장력강 및 복합소재 등의 적용을 통한 경량화는 매우 중요한 부분으로 이러한 재료들의 충돌 성능 적합성 검증 및 최적화를 하는데도 CAE는 큰 역할을 하고 있다.

 

또한 사람의 안전을 최우선으로 하는 자동차의 충돌안전은 차량 내의 승객 뿐만이 아니라 일반 보행자를 보호하는데에도 많은 노력을 기울이고 있다. 보행자와 차량의 충돌시 직접 접촉하는 신체부위를 모사한 임팩터 충격 해석을 통해 상해를 최소화하여 보행자의 안전을 확보하고 있으며 최신 안전 기술인 액티브 후드와 같은 능동적 시스템 개발에도 CAE는 많은 시험을 대체하는 수준으로 기여하고 있다.

 

● 차량 및 승객 해석

 

충돌 안전 해석에는 크게 차량 충돌 해석과 승객 거동 해석으로 나눌 수 있으며, 차량 충돌 해석에는 대변형 유한요소해석을 기반으로 상용 소프트웨어가 활용되고, 승객 거동해석에는 멀티바디 다이나믹스 모델을 기반으로 하는 소프트웨어가 사용되고 있다.

 

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유한요소 모델로 구성된 차량 충돌해석을 통해 최적 구조 설계안을 제시하고 이 결과를 반영한 승객 거동 해석을 통해 더미 상해 최소화를 위한 에어백/벨트 등 구속장치 최적화 안을 제시하게 되며 이 과정에서 해석 시간/정확도/효율성 등을 고려하여 유한요소 모델 해석결과와 승객 모델을 결합한 커플링 해석을 수행하거나 유한요소 모델로만 구성된 차량/승객 일체해석이 수행되기도 한다<그림 2>.

 

● 주요 성능개발 항목

 

주요 해석 항목은 고속충돌영역인 정면/옵셋/측면/후방충돌과 저속충돌 및 보행자 보호 해석으로 구분될 수 있다. 고속충돌 해석은 주로 승객의 안전을 위해 차체의 강건성 확보 및 에어백/벨트 등과 같은 구속장치 최적화를 목표로 해석이 진행된다<그림 3>.

 

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저속충돌 해석은 실제 도로에서 자주 발생할 수 있는 접촉사고 발생시 차량부품의 손상을 최소화하여 수리비를 저감하기 위한 해석으로, 10도 경사 배리어에 충돌하는 전방스트럭처 테스트, 강체 배리어를 10도 경사지게 충돌하는 후방 스트럭처 테스트, 그리고 범퍼 형태의 배리어를 이용하여 충돌하는 전/후방 범퍼 테스트 세 가지가 있다<그림 4>.

 

보행자 보호 해석은 주행중인 차량과 외부의 보행자 사고시 보행자의 상해를 최소화하기 위해 차량 구조의 최적 설계안을 찾는 해석으로 다리보호를 위해 레그폼 해석과 머리보호를 위한 헤드폼 해석이 있다.

 

● 결과분석 및 개선과정

 

실차 충돌시험은 충돌 후의 최종상태의 변형과 센서에서 계측되는 제한된 계측 데이터만을 얻을 수 있어 분석의 한계가 있으나 해석은 실시간으로 상세 부위별 변형 및 상해의 연관 관계를 분석할 수 있어 원리적 접근이 용이하다<그림 5>. 이런 원리적 접근을 통해 중량/원가를 최소화하는 최적 설계안 제시를 목표로 충돌해석을 수행하게 된다. 결과분석의 과정은 모두 표준화를 통해 구축된 자동분석시스템을 활용하여 진행된다. 충돌안전 항목별로 주요 지표들에 대한 상세한 결과들이 추출되고 미리 설정된 세부 목표들의 만족여부가 모니터링 된다. 자동분석 과정들은 개발 담당자들이실수 할 수 있는 가능성을 최소화 시켜 주어 신뢰성있고 신속한 개발을 가능하게 한다.

 

충돌 성능 관련 최적화 기법은 완성차 유한요소모델 크기와 연관된 과도한 계산 시간의 한계 등으로 인해 그동안 제한적으로 적용되었으나 최근 등가정하중기법(ESLM : Equivalent Static Load Method) 및 간이 해석모델 도입 등으로 단품 또는 시스템 단위의 충돌 성능 최적화 해석이 진행되고 있다.

 

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<그림 6>에서 최적화 수행 시 각 시간별 동적 충격 하중을 등가 정하중으로 치환 후 최적화 수행하는 등가정하중기법(ESLM)을 적용하여 보행자의 머리 상해 및 후드 강성 목표 동시 만족하는 후드 인너 부품 개발 사례를 보여준다.

 

이러한 최적화 기술들은 차량의 중량을 최소화하면서 우수한 성능을 확보하게 함으로써, 제품개발의 효율을 높이고, 연비개선 등의 부수적인 효과도 얻게 한다.

 

● CAE를 활용한 최고성능 달성 사례

 

이상과 같이 해석을 활용하여 전방위 충돌 성능을 개발하여 당사는 유럽, 미국, 일본의 유수한 자동차 회사와 어깨를 견줄만한 성과를 이루어냈다. 특히 최근에 출시되어 언론에 회자되고 있는 신형 제네시스는 미국보험협회(IIHS)에서 실시한 스몰오버랩 충돌시험에서 승용차 최초로 전항목만점이라는 최고의 성능을 달성하였다<그림 7>. 또한 국내의 KNCAP, 호주(유럽)의 ANCAP에서도 역대 최고점으로 1등급을 달성하였다. 이것은 고급차의 대명사인 벤츠나 BMW보다도 우수한 성적으로 현대자동차의 안전성능이 최고임을 증명하는 사례라 하겠다. 그리고 이보다 앞서 YF 소나타 차량은 2010년 북미 강화 NCAP 시험에서도 세계 최초로 5★를 달성하는 위엄을 달성하기도 하였다. 이와 같이 제네시스를 비롯한 당사 차량은 차량 개발 초기 단계부터 승객과 보행자의 안전을 위해 절대 안전을 목표로 개발하는데 이 때 CAE 역할의 중요성은 매우 중요하다.

 

충돌안전 CAE의 발전 방향

 

앞서 서술한 바와 같이, 현재 차량개발에 있어서 충돌안전 CAE는 주로 당사와 같은 완성차 업체에서 차량의 충돌해석용 유한요소 모델을 이용하여 충돌관련 법규 및 상품성 기준을 만족시키기 위한 각종 활동 위주로 그 역할을 수행하고 있다. 각 자동차 업체에서는 이러한 충돌안전 CAE의 활용을 극대화하기 위하여 해석 정도 및 상관성 향상의 다양한 기술개발 연구를 수행하고 있으며 차량개발 전체 공정에서 해석의 역할 증대에 대한 다양한 논의가 진행되고 있다.

 

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몇 가지 예를 들어보면, 현재의 충돌관련 법규 및 상품성 기준 달성에 국한된 역할에서 벗어나 실제 시험하기 힘든 다양한 실제 충돌사고를 해석으로 대체할 수 있으며<그림 8>, 실제 인체와 흡사한 해석모델을 이용하여 인체 상해 특성과 그 발생 메커니즘에 대한 근본적인 이해를 바탕으로 좀 더 현실적인 인체 상해기준을 마련하고 이에 기반한 차량구조를 개발할 수 있도록 그 역할 영역을 확대하고 있다.

 

또한 충돌안전 CAE의 역할과 그 활용범위가 세분화되고 확대됨에 따라 CAE를 통해 얻게 되는 정보의 신뢰성 및 정확성도 함께 요구되는데, 이를 위해 부품의 파단과 같은 복잡한 물리현상에 대한 연구에서부터 부품의 제작과정에서 발생하는 구성재료의 물성 변화까지도 미리 예측하고 이를 충돌해석 시 반영하는 방법 연구 등도 함께 이루어지고 있다<그림9>.

 

글 / 임재영 (현대자동차)
출처 / 오토저널 15년 3월호 (
http://www.ksae.org)

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