인체 동작에 대한 시뮬레이션 시간을 며칠에서 몇 시간으로 단축

보행자 안전이 중요

EDAG Group은 전 세계 기업에 자동차, 모빌리티 및 산업 솔루션을 제공합니다. 모든 차량의 핵심 요소는 탑승자는 물론, 보행자를 비롯한 기타 도로 이용자들의 안전입니다. EDAG Group에는 고객이 최고 수준의 차량 안전을 달성하고, 법적 요구사항을 충족하며, 특정 지역 또는 회사에 대한 높은 고객 평가를 실현하도록 지원하는 CAE 및 안전 부서라는 전문가 팀이 있습니다.

EU(유럽 연합)에서 교통사고 사망자의 거의 20%가 보행자이며, 머리 부상이 사망 원인인 경우가 많습니다. 이를 해결하기 위해 자동차 제조업체는 법률에 따라 보행자의 심각한 부상 위험을 최소화하기 위해 가능한 모든 조치를 취하고 있다는 것을 보여줘야 합니다. 대다수의 최신 차량은 후드(보닛)의 내부 표면과 엔진실의 강체 부품 간 공간이 좁습니다. 이로 인해 보다 날렵한 차량이 만들어지지만 보행자에게는 추가적인 위험 요소로 작용합니다. 차량이 보행자를 치고 보행자의 머리가 후드에 부딪히면 그 아래의 강체 부품에 부딪히게 되므로 심각한 머리 부상을 입을 가능성이 훨씬 높습니다.

액티브 후드 시스템 작동

후드를 위로 올리고 내부 표면과 강체 부품 사이의 거리를 늘리면 HIC(머리 상해 기준)를 상당히 낮출 수 있습니다. 그러나 제조업체는 디자인의 공기 역학과 미학에 영향을 미치기 때문에 후드를 영구적으로 위로 올리는 것을 원하지 않습니다. 대신, 보행자와 부딪혔을 때 후드가 튀어오르게 하는 액티브 후드라는 시스템을 개발할 수 있습니다. 액티브 후드 시스템에는 보행자와의 접촉을 식별하고 머리가 부딪히기 전에 후드가 튀어오르도록 필요한 신호를 보낼 수 있는 센서가 필요하기 때문에 액티브 후드를 개발하는 과정은 복잡한 프로세스입니다.

EDAG Group의 제품 관리자인 Stefan Hundertmark는 'Simcenter Madymo는 생명을 구한다'고 합니다. 보행자와 처음 접촉하고 머리가 후드에 부딪힐 때까지는 걸리는 시간은 약 40~50밀리초밖에 되지 않습니다. 그 시간 내에 센서에서 신호를 CPU에 보내야 하고, 그러면 CPU가 차량에 부딪힌 것이 보행자인지 여부를 판단하여 팝업 후드를 작동시키는 힌지로 또 다른 신호를 보냅니다.

"밀리초를 다투는 상황에서 응답 시간은 매우 중요합니다. Simcenter 솔루션은 다물체 모델링의 강력한 기능과 유한 요소의 세부 사항 및 CFD를 하나의 솔버에 결합하여 이를 달성합니다."

인체 시뮬레이션

법적 요구사항을 충족하고 가장 높은 고객 평가를 달성하기 위해 제조업체는 머리가 후드에 부딪히기 전에 후드가 완전히 튀어올라 후드 아래에 있는 엔진으로부터 보행자를 보호할 수 있는 충분한 변형 공간을 만든다는 것을 보여주어야 합니다. 이를 증명하기 위해 사람이 차량에 부딪힐 때 인체의 행동을 정확하게 예측하는 시뮬레이션을 진행해야 합니다. 물리적 충돌 테스트 더미는 비용이 많이 드는 충돌 테스트에서 활성화 시간을 조정하기 위해 많은 프로토타입 자동차가 필요하기 때문에 적합하지 않습니다. 이와 다르게 휴먼 시뮬레이션 모델을 사용하면 설계 주기 초기에 많은 신속한 가상 테스트를 수행할 수 있으므로 적은 비용으로 출시 시간을 단축할 수 있습니다.

이전에 EDAG Group은 전신 키네마틱을 모델링했습니다. "이전 소프트웨어도 제대로 작동했지만 모델이 너무 복잡했기 때문에 시뮬레이션을 실행하는 데 오랜 시간이 걸렸습니다"라고 Hundertmark는 말합니다. EDAG Group에는 관심 있는 신체 부위(키네마틱 동작)만 시뮬레이션하여 모델을 더욱 단순화하고 처리 시간을 훨씬 단축할 수 있는 고성능 솔루션이 필요했습니다.

시뮬레이션 미세 조정

EDAG Group은 인체 모델에 Simcenter™ Madymo™ 소프트웨어를 사용하며, 이 소프트웨어는 포괄적이고 통합된 소프트웨어, 하드웨어 및 서비스 제품군인 Siemens Xcelerator 제품군의 일부입니다.

이러한 모델은 Euro NCAP(유럽 신차 평가 프로그램) 프로토콜에 설명된 검증 요구사항을 충족하여 충돌 중 부상 가능성을 예측합니다. 이는 제조업체가 차량의 안전성을 입증하기 위해 준수해야 하는 성능 평가 프로그램입니다. Euro NCAP는 전 세계적으로 유사한 프로그램 중 가장 까다로운 요구사항을 갖추고 있으며 히뮬레이션에 사용되는 가상 더미에 대한 엄격한 사양을 정의합니다. EDAG Group과 Siemens Digital Industries Software의 엔지니어는 Simcenter Madymo를 사용해 긴밀히 협력하여 시뮬레이션 결과가 Euro NCAP의 승인을 받을 수 있도록 이러한 프로토콜을 준수하는지 확인했습니다.

Simcenter Madymo는 회사가 정확하고 효율적인 다용도 시뮬레이션 솔루션으로 프로토타입 테스트를 제한하는 데 도움이 되는 탑승자 및 보행자 안전 시뮬레이션 분야의 선도적인 소프트웨어입니다. 다물체 동역학, FEM(유한 요소법) 및 CFD(전산 유체 역학) 기술을 단일 솔버에 통합한 형태로, 광범위한 HBM(인체 모델) 데이터베이스를 포함합니다. Simcenter Madymo 솔루션에는 액티브 HBM이 포함되어 있지만, 더 중요한 점으로 보행자 시뮬레이션을 위해 특별히 설계되고 Euro NCAP Technical Bulletin(TB024) 사양을 충족하는 전체 HBM 패밀리(큰 남성, 평균 남성, 작은 여성, 6세 아이)도 포함되어 있습니다. 이를 통해 EDAG Group은 훨씬 쉽게 인증을 획득할 수 있습니다.

Hundertmark는 다음과 같이 이 솔루션을 사용하여 어떻게 개발 시간을 상당히 단축할 수 있었는지 설명합니다. "Simcenter Madymo를 사용하여 우리는 키네마틱만 모델링할 수 있으며, 이것이 보행자가 충돌했는지 확인하고 후드를 작동시키라는 신호를 제때에 보내는 데 필요한 전부입니다. Simcenter Madymo를 사용하면 유한 요소 보행자 HBM을 사용하는 경우보다 훨씬 빠르게 분석을 실행할 수 있습니다. 며칠이 아닌 몇 시간 안에 결과를 얻을 수 있죠."

시간과 비용 절약

EDAG Group은 시뮬레이션 시간을 상당히 단축하여 엔지니어링 시간 및 비용을 절약했을 뿐만 아니라 고객이 신제품을 훨씬 더 빠르게 출시하여 경쟁 우위를 확보할 수 있도록 지원할 수 있었습니다. 고객은 시뮬레이션의 정확성을 전적으로 신뢰하여 모든 차량이 최고 수준의 안전 표준을 충족하는 액티브 후드 설계를 갖추고 있다는 것을 확신할 수 있습니다.

Hundertmark는 소프트웨어의 사용 편의성도 다음과 같이 언급합니다. "더미의 위치와 달성해야 하는 다양한 각도는 매우 엄격한 수준입니다. Simcenter Madymo를 사용하면 필요에 따라 훨씬 쉽게 더미를 처리하고 조정할 수 있습니다. 시뮬레이션의 빠른 속도 덕분에 반복을 더욱 신속하게 처리하여 최적의 설계를 보다 빠르게 얻을 수 있습니다. 궁극적으로, 이 소프트웨어는 고객이 더 적은 비용으로 더 나은 제품을 생산하는 데 도움이 되며, 이것이 고객에게 가장 중요한 이점입니다."

가상 모델이 많을수록 심각한 부상이 적어짐

EDAG Group은 보행자 안전 측면에 시뮬레이션을 성공적으로 사용했지만 많은 제조업체들이 여전히 대부분의 다른 안전 테스트에 물리적 더미를 사용하고 있습니다. Hundertmark는 미래에는 이 상황이 달라질 것이라고 믿으며 다음과 같이 말합니다. "Euro NCAP와 같은 안전 당국은 이러한 가상 모델이 물리적 더미보다 더 사실적으로 작동한다는 것을 확인했습니다. 가상 시뮬레이션이 더 정확한 결과를 내므로 앞으로 더 많은 테스트 프로젝트가 물리적 시뮬레이션에서 가상 시뮬레이션으로 전환될 것입니다."

Siemens 엔지니어들은 이미 인증으로 이어질 가상 시뮬레이션에서 더 많은 HBM을 사용하기 위한 제안서 및 공동 산업 로드맵을 작업하고 있습니다. 이러한 계획은 Euro NCAP 및 기타 관련 당국에 제출되었습니다. 앞으로 몇 년 동안 업계는 물리적 모델 대신 HBM을 사용한 시뮬레이션 방식의 테스트로 전환할 것입니다. 따라서 HBM을 사용한 시뮬레이션이 채택되고 안전 테스트가 다음 단계로 진행되는 것은 시간 문제입니다.

Hundertmark는 궁극적인 목표는 도로 안전에 대한 체계적인 접근 방식을 취함으로써 교통 관련 사망자와 심각한 부상을 종식시키는 것을 목표로 하는 Vision Zero라는 글로벌 운동이라고 말합니다. 완전 자율주행차가 출시되면 사고가 확실히 줄어들 것입니다. 하지만, 아직은 수년 동안 사람이 운전하는 자동차와 도로를 공유할 가능성이 높기 때문에 무사고 실현이라는 생각은 아직 먼 얘기입니다. 어쨌든 보행자와 충돌할 가능성은 항상 존재합니다.

차량이 변화함에 따라 보행자와 탑승자의 보호도 달라질 것입니다. 정확하고 완전한 인체 모델을 사용한 시뮬레이션을 통해 Siemens는 제조업체가 차량을 최대한 안전하게 만들 수 있도록 지원할 수 있습니다. 자율주행차는 언젠가는 모든 사고를 예방할 수 있게 되겠지만, 그때까지는 심각한 부상과 사망을 최소화하기 위해 할 수 있는 모든 일을 해야 합니다.