크럼플 존 번역(한국어 원본)본 논문은 보행자 보호용 크럼플 존의 설계 프로세스에 대하여 기술하였다. 충격해석을 통해 예측된 충격하중과 벤딩 모멘트 값들을 바탕으로 보행자의 허벅지 부위의 상해치를 저감하기 위한 플라스틱 구조물을 설계하였다. 충격해석 시 플라스틱 재료가 받는 damage를 계산하여 파단의 효과가 나타날 수 있도록 모델링 하였고, ESI 사에서 개발한 upper legform과 GTR의 시험 조건을 사용하였다. 또한, 충격 해석을 통해 예측된 결과값들은 실제 충격 시험 결과와 비교하여 신뢰성을 검증하였다.
1. 서 론
최근 차량의 보행자 보호 성능에 대한 관심이 증가되고 있다. 이러한 움직임은 차량 성능 평가 시험에 보행자 보호에 대한 관한 시험을 추가시켰고, 평가 결과가 공개되어 차량의 성능을 정량적으로 비교 평가할 수 있는 자료로 활용되고 있다.
본 논문은 보행자의 충격을 효과적으로 흡수할 수 있도록 차량의 프론트 엔드 모듈(front end module, FEM)에 장착될 수 있는 크럼플 존(crumple zone)의 설계와 충돌 성능 평가에 관하여 기술하였다. 1차원 스프링 요소를 사용하여 플라스틱을 사용한 크럼플 존의 기초 설계를 수행하였고, GTR이 제정한 보행자 보호 성능 평가 시험들 중 하나인 상부 다리모형 후드 선단부 시험(upper legform to bonnet leading edge test)을 해석적으로 구현하여 크럼플 존의 상세 설계 및 성능을 예측하여 보았다.
2. 상부 다리모형 후드 선단부 시험
자동차 제작에 관한 분과위원회(WP29)에서 제시한 세계기술기준(GTR)은 국제기준조화활동(IHRA)의 보행자 연구결과 및 EEC Directive(2003/103/EC)를 기초로 하여 제정한 것으로, 한국의 경우, GTR 보행자 충돌 안전 법규가 2012~2013년에 적용 될 경우 이를 수용하여 시행할 예정이다.
GTR 보행자 충돌 안전 법규는 5가지로 분류되고, 시험방법은 Fig.1 과 같이 상부 및 하부 다리모형 범퍼 시험(upper and lower legform test), 상부 다리모형 후드 선단부 시험, 성인 및 어린이 머리 모형 충격시험(adult and child headform test)이 있다. 이중, 본 논문에서 사용한 상부 다리모형 후드 선단부 충격시험은 보행자의 허벅지 부위의 상해치를 평가하는 시험으로써, Fig. 2와 같은 상부 다리모형 임팩터(upper legform impactor)를 차량 후드 선단부에 충격하여, 측정된 충격(합성) 하중과 굽힘 모멘트로부터 상해치를 유추하는 시험이다.
3. 1차원 스프링 요소를 사용한 크럼플 존의 초기 설계
크럼플 존의 설계는 1차원 스프링 요소를 사용한 초기 설계, GTR 시험 조건을 사용한 충격해석 결과를 이용하는 상세설계 순으로 진행하였다.
1차원 스프링 요소를 사용한 모델은 GTR 시험의 충격하중 조건을 만족할 수 있는 크럼플 존의 기본적인 형상 및 재료를 선택하기 위해 사용하였다. 스프링 모델은 Fig. 3과 같이 평행한 두 평면(크기) 사이에 1차원 스프링 요소를 연결한 구조이다. 해석 시 스프링의 배치에 관계없이 안정적인 결과를 가져야 하므로, 가로 및 세로 방향에 대하여 각각 1~19개, 1~4개의 스프링을 일정한 간격으로 배치한 모델들에 대하여 충격하중의 변화를 확인하였다. 해석 조건은 하단부 평면을 고정하고 상단부 평면에 수직한 방향으로 상부다리 모형이 충격하도록 하였다. 다리 모형의 충격 속도는 후드의 역할을 고려하여 GTR시험 속도를 30% 감소하여 사용하였고, PAM-CRASH를 사용하여 해석하였다. 해석 결과 Fig. 3과 같이 가로 방향은 17개, 세로 방향은 3개의 스프링을 사용할 때 안정적인 결과를 얻을 수 있음을 확인하였다. 검증된 모델을 사용하여 스프링 강성에 따른 다리 모형의 하중 및 상단면의 처짐량(deflection)을 확인하였다. 충격 하중을 만족하기 위해서는 크럼플존 구조물이 0.5KN/mm 이하의 강성을 가지도록 설계되어야 함을 확인할 수 있었다.(Fig. 4) 해석 결과와 제품의 생산성을 고려하여 플라스틱 재료를 사용한 립 구조물을 기본 설계 방향으로 결정하였다.
4. 상부 다리모형 충격해석
4.1 충격시험 조건
GTR의 상부 다리모형 후드 선단부 시험 조건은 다음과 같다. 후드 선단부는 지면과 40도를 이루면서 차량 종단 센터 라인과 평행한 막대가 본넷(bonnet)과 이루는 접선에 대하여 충격 시험이 실시된다. 자동차의 종류, 형상에 따라 선단부의 위치가 달라지므로, 상해치를 유발할 만하거나 임의의 3지점 이상을 지정하여 수행되며, 충격 지점 간 거리는 150mm 이상 떨어진 지점들에 대하여 시험이 실시된다. 각각의 측정 지점에서 임팩터가 받는 충격 하중이 7.5KN 이하, 프론트 멤버의 3지점(UPR, CTR, LWR)에서 측정되는 굽힘 모멘트가 510NM 이하가 되어야 한다. (Fig. 2)
본 논문에서는 Fig. 5와 같이 5개의 타격지점에 대한 시험을 수행하였다. 이 지점들에서의 시험 조건은 GTR에 명시된 산출 공식에 따라 각 지점 별 상부 다리모형 임팩터의 속도, 각도 및 에너지를 결정하였다. 시험 결과는 CFC180으로 필터링하여 충격하중과 굽힘 모멘트를 산출하였다. |
크럼플 존 번역(영어 번역본)This paper is about design process of crumple zone for pedestrian protection. The impact load and the bending moments predicted by impact interpretation were used to design the plastic structure that may help to reduce injuries around the thigh area of pedestrians. It was modeled to enable fracture effect by calculating the damage imposed on the plastic material during the impact and the upper legform and GTR test conditions developed by ESI were used. In addition, the values predicted by impact interpretation were compared with the result of the live crash test for validation.
1. Abstract
Interest in vehicles’ pedestrian protection ability have been in increase recently which had in turn added pedestrian protection test to the vehicle performance tests that are disclosed which can be used to evaluate and comparatively analyze vehicles’ overall performance in this regard.
This paper is about the basic design and of crash tests of crumple zone for vehicles’ front end module (FEM) that can effectively absorb impact on the pedestrians. The 1st dimension spring element was used to basically design the plastic made crumple zone and the upper legform to bonnet leading edge test (one of pedestrian protection evaluation test defined by GTR) was interpretively implemented which was then used to design the crumple zone in detail and predict its performance.
2. Upper legform to bonnet leading edge test
The GTR (Global Technical Regulation) proposed by the automobile production sub-committee (WP29) is based on the studies carried out by IHRA and the EEC Directive(2003/103/EC) and in case of Korea, if GTR pedestrian crash safety act is enacted in 2012-2013, it’ll be adopted and implemented.
There are 5 classifications for GTR pedestrian crash safety act and the test methods are as the following: upper and lower legform test, upper legform to bonnet leading edge test, and adult and children headform test. The upper legform to bonnet leading edge test evaluates the damage on the thigh area of pedestrians and as shown on Fig. 2, it infers the level of damage from the impact load and bending moment by crashing the upper legform impacter on the vehicle’s upper bonnet.
3. Initial design of crumple zone using 1st dimension spring element
Crumple zone design process underwent two phases – initial design using the 1st dimension spring element followed by detailed design that used the impact interpretation of the test with GTR test conditions.
The model that used the 1st dimension spring element was used to select the basic form and material of crumple zone that could satisfy the GTR test conditions. The spring model consists of 1st dimension springs connecting the two parallel planes as shown on Fig. 3. Because consistent results are necessary regardless of spring placements, 1-19 and 1-4 springs were placed in regular distances on the model in horizontal and perpendicular directions respectively and the differences in impact loads were verified. As for conditions of interpretation, the lower plane was fixed and the upper legform was crashed into the upper plane perpendicularly. The legform crash speed was reduced by 30% of the GTR test speed considering the role of the bonnet and was interpreted using the PAM-CRASH. It was verified that consistent results can be obtained when 17 and 3 springs in the horizontal and perpendicular direction respectively were used as can be in Fig 3. By using a verified model, deflection of the upper plane and legform load according to stiffness of the springs. In order to satisfy the impact load, it could be seen that the crumple zone structure must be designed with less than 0.5KN/mm rigidity (Fig. 4). Considering the result of interpretation and productivity, it was decided that the basic design will consist of Rip structure using the plastic materials.
4. Upper Legform Model Impact Interpretation
4.1 Crash Test Condition
GTR’s conditions for upper legform to bonnet leading edge test are as the following. The crash test is carried out for the contact point between the vehicle’s center line and the pole parallel to it while the upper hood is in 40 degrees to the ground level. Because the location of the fore-end changes according to vehicle type and its form, the test is carried out after appointing 3 points that have the potential to cause injuries and the distance between the impact points is set at 150nm. In addition, the impact load for imposed on the impactor at each measurement point must be lesser than 7.5KN and the bending moment measured at 3 points of front member (UPR, CTR, LWR) must be lesser than 510NM (Fig. 2).
In this paper, test was carried out at 5 impact points as can be seen on Fig.5. The test conditions (upper legform at each point, impactor speed, angle and energy) at these points were determined according to formulas defined in GTR. Test result was filtered using CFC180 and the impact load and bending moment were calculated. |
