CRASHWORTHINESS
‘충돌안전‘은 차량 성능의 핵심 지표로, 탑승자의 생존 공간 확보와 충돌 에너지를 효과적으로 흡수·분산하는 능력을 의미합니다. 현대제철은 초고강도강을 기반으로 차체 충돌 안전성과 경량화, 그리고 전기차 시대에 필수적인 배터리 보호까지, 최적의 소재 솔루션을 제공합니다.
1. 차량 충돌안전 평가 (실차 충돌시험)
차량 충돌안전 평가를 위해 세계 각국은 엄격한 법규를 제정하여 차량 개발사의 기술 개발을 유도하고 있으며, 보험사나 관련 협회에서도 충돌안전 성능을 상품성중 하나로 간주하여 소비자에게 정보를 제공하고 있습니다.

2. 차량 충돌안전 평가 기준 동향
자동차 충돌안전 기준은 단순한 정면충돌 평가에서 출발해서 현재는 부분 정면·스몰 오버랩·측면·후방 등 다양한 시나리오로 확대되었습니다. 또한 보행자와 어린이 등 취약자 보호가 강화되었으며, 전기차 확산에 따라 배터리 보호와 화재 예방 같은 새로운 요구가 추가되고 있습니다. 최근에는 자동 긴급제동(AEB)과 같은 사고 예방 기능까지 평가 범위가 넓어지고 있으며, 향후 자율주행차 안전성까지 포함될 전망입니다. 이처럼 충돌안전 기준은 끊임없이 진화하며 차량의 전방위적 안전성과 신뢰성을 확보하도록 이끌고 있습니다.

[ 자동차 충돌안전 평가 기준 변화 ]


[ 배터리 파손 및 화재 / 열 폭주 평가 ('24년 C-NCAP 도입) ]
3. 충돌안전 성능 확보를 위한 차체 설계
차량 충돌시 승객을 보호하기 위해서는 승객 생존공간이 충분히 확보되어야 하고, 외부로부터 전달되는 충돌에너지를 상쇄시킬 수 있는 차체구조를 가져야만 합니다. 생존공간 확보를 위해서는 초고강도강 소재가 적용되어야 하고, 충돌에너지 흡수를 위해서는 변형을 적절히 수반할 수 있는 소재가 적용되어야 합니다.

[ 차체 생존공간과 외부 충돌하중 작용에 따른 차체 하중 분산 ]


[ 초고강도강 적용을 통한 차체 충돌성능 확보의 예 ]

4. 충돌성능 향상을 위한 가상시험
가상 충돌시험은 유한요소해석(FEA)을 활용해 차량의 충돌 상황을 시뮬레이션하는 기술로, 실제 시험 전에 안전성을 예측하고 설계를 최적화할 수 있습니다. 이를 통해 개발 비용과 시간을 절감하면서도 다양한 충돌 시나리오에 대응할 수 있으며, 특히 전기차 배터리 보호와 같은 신규 안전 요구까지 검증이 가능합니다. 대표적인 해석 도구로는 LS-DYNA, PAM-CRASH, ABAQUS 등이 있으며, 현대제철은 이러한 해석 도구를 활용하여 차체 구조 최적화와 소재 성능 검증 등을 수행하여 최적의 솔루션을 제안하고 있습니다.


[ 가상시험의 예 ]
가상시험은 주로 개발단계에서 사전 검토 목적으로 진행되어 왔지만, 최근에는 실시험을 대체한 평가법으로 기준 도입을 추진하고 있습니다. 자율주행과 같은 새로운 기술은 보다 다양하고 복잡한 미래차 운전환경을 가져오고 있기 때문에 이를 반영하기 위한 가상충돌시험은 더욱 중요해질 것입니다. EuroNCAP에서는 가상 충돌시험 도입을 포함한 향후 정책 방향과 로드맵들을 제시하고 있으며, 점진적으로 평가 항목을 확대해 나아가고 있습니다.

가상시험 적용 확대는 해석기술에 대한 높은 신뢰성을 요구하기 때문에 해석물성에 대한 중요성은 더욱 커질 것으로 예상됩니다. 기존에 요구하던 해석물성 수준을 넘어 소재 특성을 보다 현실적으로 반영할 수 있는 평가 방법 및 모델링 기술을 요구하기 때문입니다. 현대제철은 이러한 고객 요구에 발맞춰 AE기술서비스포털에 해석물성 DB를 운영하고 있으며, 기술 개발을 통해 지속적인 업데이트를 수행하고 있습니다.

Application Engineering
고속인장시험
차량 충돌성능을 평가하고 이를 향상시키기 위해서는 소재 단위에서의 동적특성 분석이 필요하며, 부품 설계를 위해서는 실제 부품에 가해지는 충돌속도와 동일한 수준으로 소재거동을 분석할 필요가 있습니다. 현대제철은 개발 소재의 고속인장 특성을 분석하기 위해 시험 장비 및 평가시스템을 구축하여 DB를 운영하고 있습니다. 고속인장 시험은 유압을 이용한 Slackrod 의 고속하중전달을 통해 이루어집니다. 하중 데이터는 Load cell을 통해 수집하고 변위 데이터는 고속카메라 DIC 시스템을 이용한 이미지촬영을 통해 수집합니다. 이후 변형량 분석 소프트웨어를 통한 후처리를 거쳐 최종 데이터를 획득합니다.



연성파단과 응력상태 변수
재료의 파단은 공극의 성장과 병합과정으로 설명되며, 응력-변형률의 관계와 연계되어 데미지라는 개념으로 표현될 수 있습니다. 파단특성을 정량화하기 위해 연성파단이론에 기반한 다양한 응력상태 변수들이 도입되었으며, 이를 시험적으로 평가하기 위해 국부파단변형률을 평가합니다.


변형모드별 파단시험편

| Fracture Mode | Stress Triaxiality | Lode Parameter |
|---|---|---|
| Uniaxial Tension | 1/3 | -1 |
| Pure Shear | 0 | 0 |
| Torsion | 0 | 0 |
| Uniaxial Compression | -1/3 | 1 |
| Plane Strain (+) | 1/√3 | 0 |
| Plane Strain (-) | -1/√3 | 0 |
| Biaxial Tension | 2/3 | 1 |
| Biaxial Compression | -2/3 | -1 |
파단특성 평가
충돌시 발생되는 파단특성을 분석하고 해석적으로 모사하기 위해서는 다양한 변형모드에 대한 파단거동을 분석할 필요가 있으며, 이를 해석적으로 구현하기 위한 재료모델 구성 및 검증 과정이 필요합니다. 최근 LS-DYNA 충돌해석 프로그램을 통해 자주 사용되고 있는 GISSMO 모델을 기반으로 당사에서 제안하고 있는 파단평가 방법 및 해석 검증 프로세스를 통해 개발 소재의 파단물성을 제공하고 있습니다. 재료의 파단은 공극의 성장과 병합과정으로 설명되며, 응력-변형률의 관계와 연계되어 데미지라는 개념으로 표현될 수 있습니다. 파단특성을 정량화하기 위해 연성파단이론에 기반한 다양한 응력상태 변수들이 도입되었으며, 이를 시험적으로 평가하기 위해 국부파단변형률을 평가합니다.


V-굽힘시험
VDA238-100 TR(Tight Radius Bend Test)은 독일 자동차 산업 협회(Verband Der Automobil industrie) 에서 제공하는 굽힘시험 방법입니다. 축하중하의 소재 변형거동 및 충돌 부품의 성능을 소재단위에서 정량적 지표로 나타내며, 실차 충돌시 파단 발생이 높은 고취성 재료(TS 1G급 이상)를 중심으로 평가되고 있습니다.


굽힘 시험 비교 - ISO 7438 & VDA 238-100
| 구분 | ISO 7438 – “Roll Bending” | VDA238-100 – “V Bending” |
|---|---|---|
| 시험법 | ![]() | ![]() |
| 각계산 | ![]() | ![]() |
| 비고 |
|
|
낙하충격시험
차량에 적용되는 충돌부재(범퍼, 프론트 사이드 멤버, 센터 필러 등)는 충돌하중 작용시 다양한 변형상태에 놓이게 되며, 충돌에너지를 흡수하기 위한 목적으로 설계됩니다. 이러한 부품들은 압괴나 굽힘하중이 주로 작용하고, 부품의 단면 형상에 의해 충돌성능이 결정됩니다. 따라서 부품에 작용하는 충돌량을 모사할 수 있는 시험이 필요하고, 주로 낙하에 의한 충격시험으로 그 특성을 평가합니다.


수직 낙하 고속충돌시험
수직 낙하 고속충돌시험은 차량 충돌 범위의 고속 강체를 소재 및 부품에 자유낙하시켜 물리적 거동 및 특성을 분석하는 시험입니다.

모자형 시험편

<모자형 시편의 예>

압괴시험


굽힘시험

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