Ansys LS-DYNA의 Airbag 이야기(The Story of Airbag in LS-DYNA)
자동차의 여러 기술 중 가장 중요하게 여겨지는 기술이 바로 “안전”과 관련된 기술일 것입니다.
이전 시대의 자동차는 ‘성능 경쟁’ 구도였다면, 최근에는 ‘안전 경쟁’이 성능 못지않은 중요한 이슈가 되고 있습니다.
자동차의 안전 관련 기술에는 여러가지가 있지만 운전자와 탑승자의 생명을 보호하는 최후의 보루로 에어백을 꼽을 수 있습니다.
에어백은 많은 분들이 알고 있듯이 자동차 사고 발생 시 빠르게 전개되어 탑승자를 충격에서 보호하는 역할을 합니다.
최근 여러 법규에 의하여 차량에 에어백이 의무적으로 장착되어 있으며, 운전석, 조수석, 커튼 에어백 등 상당히 많은 에어백이 장착되어 있습니다.
하지만 현재 안전에 필수적인 에어백이 실제 자동차에 적용되기까지 오랜 시간 많은 우여곡절을 겪기도 했습니다.
이번 블로그에서는 LS-DYNA를 이용하여 차량에 적용되는 airbag 개발 사례와 다양한 부분에 적용된 사례도 함께 살펴 보도독 하겠습니다.
Airbag의 기원
에어백이라는 개념은 2차 세계대전 당시 1952년 미국 해군에서 어뢰 속도를 높이기 위해 압축공기를 이용한 에어백의 특허를 획득하면서 처음 등장하게 되었습니다.
이후 1960년대 초 미국, 독일, 일본에서 자동차 에어백에 대한 연구와 특허가 나왔지만 상용화 되지 못했습니다.
에어백의 효과와 필요성은 공감했지만 자동차에 적용하기에 비용이 상당히 많이 들었기 때문입니다.
또한 당시에는 사고 순간의 짧은 시간동안 에어백을 충분히 부풀릴 수 있는 만한 기술이 없었습니다.
이후 점차 에어백에 대한 연구가 이루어 지면서 압축공기 대신 기폭재를 이용해 팽창시키는 기술이 나오면서 자동차에 적용하기 시작합니다.
최초 1970년대 초 크라이슬러의 에어백 장착을 시작으로, 안전벨트와 함께 자동차의 주요 안전 장치로 자리잡게 됩니다.
Airbag과 LS-DYNA
자동차는 충돌 시 매우 짧은 시간 동안 상당히 많은 일이 일어납니다.
차체는 구조적으로 대변형을 일으키며, 탑승자는 관성에 의하여 충돌 방향으로 이동하게 됩니다.
이때 탑승자는 주변 구조물과 충돌하면서 상해를 입게 되는데 에어백이 전개되면 탑승자를 보호할 수 있습니다.
에어백의 전개는 매우 빠른 시간 (0.05초)에 이루어집니다. 이런 짧은 시간에 정확하게 전개되고, 탑승자를 보호하고, 임무가 다하면 압력이 빠져 탑승자의 구조할 수 있는 공간을 확보해야 합니다.
이런 복합적인 동적 거동을 효과적으로 구현하여 시뮬레이션 할 수 있는 프로그램이 LS-DYNA입니다.
Explicit 기반의 Dynamic transient 해석을 이용하여 다양한 접촉 조건과 물리현상, 가스의 유동을 계산할 수 있습니다.
따라서 LS-DYNA를 이용하여 차체의 소성에 의한 대변형을 구현할 수 있으며, Dummy의 거동 문제를 풀어 냄으로써 탑승자의 거동을 예측하며, 동시에 에어백을 전개 시켜 상해치를 낮추는 과정을 한번의 해석으로 구현해 낼 수 있습니다.
LS-DYNA를 이용하여 개발 초기에는 완전히 팽창된 에어백에 대한 dummy의 충돌 영향을 평가하는데 중점을 두었으나 현재는 에어백에 대한 다양한 이슈를 다루게 됩니다.
에어백을 접는 folding, 팽창 후 가스가 빠져나가는 vent hole 디자인, 에어백 위치 등을 고려하게 되며, 유동에 대한 개념이 추가되어 내부 가스의 흐름과 패브릭 구조 간의 상효작용을 포함한 multi physics 개념이 도입되었습니다.
LS-DYNA의 다양한 기법을 적용하여 다양한 방식으로 airbag 전개를 구현 할 수 있습니다.
기본적으로 패브릭에 면압을 적용하여 전개시키는 *AIRBAG keyword와 유동을 고려할 수 있는 ALE와 PARTICLE 방식으로도 구현이 가능 합니다.
자동차분야에서 에어백이 사용되는 모델이 다양하게 존재합니다.
대표적인 모델이 바로 타이어입니다. 원리는 에어백과 동일하며, 다만 압력 조건이 처음부터 일정하게 유지되는 경우입니다. LS-DYNA에서 동일한 *AIRBAG keyword를 사용합니다.
Airbag과 화성탐사선 패스파인더
이외에도 다양한 control volume에 압력이 가해지는 조건 즉, 풍선과 같이 LS-DYNA의 *AIRBAG keyword를 적용 할 수 있는 사례는 주변에서 쉽게 찾아볼 수 있습니다.
그러나 여기에 의외의 사례가 있습니다.
LS-DYNA에서 에어백을 최초로 해석 한 사례는 자동차가 아닌 NASA에서 진행한 화성탐사선 패스파인더의 화성 착륙을 시뮬레이션한 사례입니다.
화성 탐사선에서 에어백을 이용한 최초의 사례이면서, LS-DYNA를 이용한 에어백 시뮬레이션의 최초 사례이기도 합니다.
실제로 우주산업에서 최초로 에어백이 사용된 사례는 1966년 달 착륙선 “루나 9호’에서 시작되었습니다.
이후 에어백 착륙 시도는 몇 번 실패를 거듭하면서 그다지 주목을 받지 못했습니다.
NASA에서 화성 탐사 프로젝트를 진행하면서 바이킹1, 2호를 통해 탐사선을 화성에 보내는데 성공합니다.
당시 역추진 방식으로 연착륙을 하였는데 추진기로 감속하면서 지표면이 훼손되고, 오염되면서 화성 탐사의 주 목표인 암석과 토양을 분석하는 것이 무색해졌습니다.
NASA에서는 다른 착륙 방법을 개발해야 했으며, 화성의 거친 지형을 고려해야 하기에 더 안전한 착륙 방식이 필요 했으며, 에어백 착륙방식이 다시 주목받게 됩니다.
다만, 이전의 거듭된 실패를 만회하기 위해 다양한 실험과 시뮬레이션을 수행하게 됩니다.
1997년 화성에 착륙한 마스 패스파인더는 4면체 피라미드 형상이며, 내부에는 소저너라고 하는 탐사 로버를 가지고 있었습니다.
NASA 연구진은 패스파인더를 착륙 시키기 위해 4면체에 각각 6개의 반구 형태의 에어백을 설치하고, 고도 355m 지점에서 팽창시킨 패스파인더를 떨어뜨립니다.
지면에 떨어진 패스파인더는 에어백의 영향으로 지면에서 15.7m 높이까지 튕겨 올랐다가 다시 떨어지기를 15회 반복하고 여러 번 구른 뒤 멈추게 됩니다.
이후 에어백의 가스가 모두 배출된 후 패스파인더가 열리고 임무를 시작하게 됩니다.
아래 동영상은 화성탐사선의 착륙과정과 입무수행 장면에 대한 동영상입니다. 에어백의 역할이 잘 드러나 있습니다.
에어백을 이용한 착륙으로 착륙선인 패스파인더와 탐사 로버인 소저너 모두 아무런 손상 없이 모든 기능이 작동하였으며, 예상된 활동 기간 1주일을 훨씬 넘긴 297일 동안 임무를 수행할 수 있었습니다.
패스파인더와 LS-DYNA의 Airbag
이런 패스파인더의 에어백 착륙이 처음부터 순탄하게 진행되었을까요?
지구와 다른 대기 압력과 중력 조건, 주변 온도 조건 등을 고려해야 하고, 적절한 에어백 크기와 압력을 결정해야 합니다.
날카로운 표면의 암석이 깔려 있는 험한 지형도 에어백에게는 치명적인 환경이 되었습니다.
이런 조건을 만족하기 위해 다양한 실험 뿐만 아니라 시뮬레이션도 함께 진행 되었으며, 이때 사용된 프로그램이 바로 LS-DYNA ( 당시 DYNA 3D )입니다.
다양한 실험으로 최적의 에어백을 설계할 수 있으나 문제는 지구의 중력과 대기 조건에서의 실험이 화성에서도 동일하게 적용될 수 있는지에 대한 확실한 답을 얻을 수 없었습니다.
이 문제는 결국 시뮬레이션에 의존할 수밖에 없었습니다.
NASA의 연구원들은 LS-DYNA를 이용하여 에어백을 모델링 하고 시뮬레이션을 진행하여 최적 조건의 에어백을 만들 수 있었습니다.
지구 환경에서 시험조건과 동일한 조건으로 Dyna-3D로 해석하여 이를 보정한 후 화성의 환경에서 다양한 조건의 낙하 실험을 시뮬레이션 하였습니다.
이를 통해 최적의 에어백 설계를 진행하였으며, LS-DYNA를 사용한 최초의 에어백 성공 사례가 되었습니다.
이 사례는 우주 산업에 LS-DYNA가 본격적으로 진출하게 되었습니다.
또한 많은 대학과 연구기관에서 이 사례를 연구하고 있으며, 심지어 대학교 교재의 연습문제로 사용되고 있습니다.
최근 2001년 발사된 쌍둥이 화성 탐사 로버(스피릿 & 오퍼튜니티)가 2002년 화성에 착륙할 때도 동일한 방식의 에어백을 이용한 착륙을 시도하였고, 두 탐사선 모두 착륙에 성공하여 성공적으로 임무를 수행하였습니다.
자료 출처 : NASA, LST
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