방호울타리용 고압축성 신개념 충돌에너지 흡수장치
1.개발목표 & 과제개요
2. 주요추진실적
3. 문제점 분석에 따른 해결과정
4. 사업화 방안 및 실용화 계획
아래 동영상은 콘크리트중앙분리대 충돌영상 입니다.
도로분리대용 충격흡수 장치 특허증 보유
회전형 중앙분리대 유한요소 모델
그림 1.1은 회전형 중앙분리대 방호벽 성능 평가에 사용된 유한요소 모델을 보여주고 있다. 회전형 중앙분리대는 회전의 중심 지지대 역할을 하는 지주와 회전의 역할을 하는 외곽의 드럼형 파이프, 그리고 이를 회전시키는 베어링이 상하로 체결되어 있는 구조로 구성되어 있다.
지주와 드럼형 파이프는 변형 가능한 물성을 사용하였으며, 베어링은 파손할 위험성이 없다는 가정하에 강체(Rigid) 물성을 사용하였다. 또한, 회전을 표현하기 위하여 PAM-CRASHTM에서 지원하는 기구학적 요소인 Kinematic Joint를 지주와 베어링/파이프사이에 정의하였다.
그림 1.2와 같이 11개를 1세트로 구성한 모델을 사용하였다. 각각의 간격은 1,000mm이며, 1세트는 직경 50mm의 와이어 로프로 체결되어 있다. 또한, 중앙분리대와 와이어 로프는 접촉이 가능하도록 Contact 정의가 되어 있다.
트럭의 유한요소 모델
그림 1.3은 회전형 중앙분리대 방호벽 성능 평가 해석에 사용된 트럭의 유한요소 모델을 보여주고 있다. 각 차량 모델의 톤수는 적차중량을 나타낸 것이다. 14톤 트럭의 기본 형상 스펙은 국내 시판되는 트럭을 참고하여 구성하였으며, 실제 차량의 거동을 정확하게 표현하기 위하여 캡과 바디, 카고, 차축 등의 형상을 그대로 적용하였다. 차량의 무게중심을 보정하기 위하여 엔진, 연료탱크 등 차량의 적차중량 계산에 필요한 모든 부품들을 적용하였으며, 충돌시 중앙분리대와 접촉하게 되는 타이어는 실제 타이어의 탄성값을 수치로 환산하여 이를 분산시켜 구성하였으며 타이어의 복원력을 표현하기 위하여 내부의 공기압을 정의하여 구성하였다.
25톤 트럭 모델은 14톤과 전장은 같고, 프레임 등 차량 부재의 무게는 톤수에 맞게 보정되어 구성되어 있다. 또한, 40톤 트럭 모델은 14톤(25톤) 트럭 모델을 바탕으로 적재함의 전장을 늘이고 전후 타이어를 스펙에 맞게 추가한 뒤, 차량 적재중량을 보정하여 구성하였다.
중앙분리대 충돌해석 모델의 구성
본 해석에서는 중앙분리대 충돌 시험 법규를 근거로 모델을 구성하였다. 중앙분리대 충돌 시험 법규는 80km/h(22.2m/s)의 속도를 가진 트럭이 중앙분리대 구조물과 15° 옵셋 충돌시 중앙분리대의 충돌완화 특성을 평가하는 법규를 말한다.
그림 2.1은 14톤 트럭의 중앙분리대 충돌해석 모델을 보여주고 있다. 트럭은 80km/h(22.2m/s)의 속도를 가지며, 고정된 회전형 중앙분리대에 15° 옵셋 충돌하도록 구성되어 있다. 또한, 충돌후 발생할 수 있는 트럭과 중앙분리대의 상방향 변위에 대한 중력장의 영향을 고려하기 위하여, 전체 모델에 대하여 9.8m/s2의 중력가속도를 설정하였다.
해석 결과
14톤, 25톤 그리고 40톤 트럭에 대하여 회전형 중앙분리대의 충돌해석을 수행하였다. 아래는 그 결과를 비교 정리한 것이다.
2.2.1. 트럭의 충돌 거동 비교
그림 2.2는 14톤 트럭의 충돌시 거동을 보여주고 있다.
그림 2.3는 25톤 트럭의 충돌시 거동을 보여주고 있다.
그림 2.4는 40톤 트럭의 충돌시 거동을 보여주고 있다.
14톤, 25톤 그리고 40톤의 해석 결과 회전형 중앙분리대는 모든 차량의 반대차선의 침범을 억제하고 있음을 알 수 있었다. 제일 가혹한 조건인 40톤 트럭의 충돌시 1차 충돌에 의해 중앙분리대가 차량의 운동에너지를 변형에너지로 흡수함으로써 차량의 진행방향을 바꾸었고, 2차 충돌에 의해 또 다시 충돌에너지를 흡수함으로써 차량이 반대차선으로 침범하지 못하도록 진행방향을 완전히 바꾸어 놓고 있음을 알 수 있다.
중앙분리대 지주의 소성 변형 비교
그림 2.5는 각 트럭의 충돌 해석시 600msec에서 중앙분리대 지주의 소성 변형정도를 비교한 것이다. 14톤 트럭의 경우, 9, 10, 11번 지주가 소성 변형되어 탄성복원이 되지 못함을 알 수 있다. 이는 충돌후 3개의 지주를 새로 교체해야 할 필요성이 있다는 것을 의미한다.
25, 40톤의 경우는 4개의 지주가 소성 변형됨을 알 수 있다.
중앙분리대 드럼형 파이프의 소성 변형 비교
그림 2.6은 각 트럭의 충돌 해석시 600msec에서 중앙분리대 드럼형 파이프의 소성 변형정도를 비교한 것이다. 14톤 트럭의 경우 9, 10, 11번 지주가 소성 변형됨을 알 수 있다. 25톤의 경우는 14톤과 달리 8, 9 10번에서 드럼형 파이프가 소성 변형됨을 알 수 있다. 이처럼 소성 변형되는 지주가 약간의 차이를 나타내는 이유는 14톤의 경우 9, 10번의 지주에서 대다수의 충돌에너지를 흡수한 후 트럭의 진행방향을 빨리 바꾸어 주었기 때문에 8번 지주에서 변형이 일어나지 않았으며, 이후 2차 충돌에 의하여 11번 지주에서 약간의 변형이 나타나고 있다고 판단되어 진다. 또한, 40톤의 경우 1, 2차 충돌에 의해 4~5개의 드럼형 파이프가 손상되었음을 알 수 있다.
트럭과 중앙분리대 부재들의 접촉력 비교
그림 2.7, 2.8, 2.9는 각 트럭의 충돌 해석시 트럭과 와이어 로프, 지주/드럼형 파이프 사이의 접촉력을 비교한 것이다. 모든 경우의 해석에서 와이어 로프에 걸리는 하중이 크다는 것을 알 수 있다. 이는 회전형 중앙분리대 구조에서 로프가 트럭의 반대차선 침범을 억제하는데 큰 역할을 하고 있음을 알려 준다. 1차 충돌 및 2차 충돌시에도 지주와의 접촉력보다 로프와의 접촉력이 크다는 것은 로프에 의한 트럭의 진행경로를 억제할 수 있는 구속력이 크다는 것을 의미한다.
그림 2.10은 각 해석에서 트럭과 와이어 로프의 접촉력을, 그림 2.11은 지주/트럼형 파이프와의 접촉력을 비교한 것이다. 접촉력의 크기는 톤수에 비례함을 알 수 있다. 또한, 2차 충돌의 접촉력이 발생되는 시간의 차이가 있는 것은 톤수가 증가할수록 1차 충돌보다 2차 충돌에 의해 트럭의 진행경로를 전환하는 의존도가 높다는 것을 의미한다.
트럭의 감속도 비교
그림 2.15, 2.16, 2.17 그리고 2.18은 각 트럭의 충돌시 x,y,z 및 절대 감속도를 비교한 것이다. 그림 2.15의 x축 감속도를 보면, 25톤의 경우 1차 충돌의 의해 대다수의 감속이 되고 있고, 40톤의 경우 2차 충돌에 의해 많은 감속이 되고 있음을 알 수 있다.
회전형 중앙분리대의 설계 검증을 위하여 14톤, 25톤 그리고 40톤 트럭에 대해 각각 충돌 해석을 수행
회전형 중앙분리대는 트럭의 반대차선으로의 침범을 방지할 수 있는 구조임을 알수있음.
와이어 로프가 매우 중요한 역할을 하고 있음.
- 회전부분을 담당하는 베어링은 실제 그 역할을 담당하지 못할 것으로 판단된다. 따라서, 베어링보다는 베어링 형상에 상당하는 강체로 지주를 설계 변경하는 것이 바람직할 것으로 판단된다(그림 1).
- 와이어 로프의 모든 지주에 연속적으로 연결하는 것이 2차 충돌에 의한 변형을 감소시키는데 효과적일 것으로 판단된다. (예: 기존 해석에서 1번과 11번 지주를 와이어 로프로 공유하여 다른 세트와 연결함(그림 2))
- 상품성과 손상시 수리비용을 감안하여 지주간의 간격과 와이어 로프의 두께를 최적화 할 필요가 있을 것으로 판단된다.
