기동형 쉘터의 교행주행에 발생하는 압력장에 의한 주행안정성 분석

1. 서론

차량탑재형 임무장비는 기동을 목적으로 설계 제작된 장비이다. 기동간에는 군사용 도로뿐만 아니라 일반 국도 및 고속도로를 이용하게 되고 도로의 특성상 주변 여러 차량과 조우하는 환경을 피할 수 없다. 탑재형 임무장비는 안전상의 이유로 최대 80 km/h 속도로 제한되고 있다. 특히 중앙선을 기준으로 서로 교행주행하는 상황이 빈번하며 이런 상황에서 비교적 큰 압력차가 발생한다.

교행중에는 압력 변화에 의한 횡방향 흔들림이 발생하여 주행의 안전상에 영향을 미칠 수 있다. 차량의 속도차가 증가하거나 차량간 간격이 좁아질수록 압력에 의한 상호간 영향은 커지고 이에 따라 차량의 구조적 안정성에도 영향을 미칠 수 있다. 이에 관하여 Jeong¹ 등이 실제 주행시 노면가진 등의 추가요소를 포함한 동특성 계측을 통하여 구조물의 진동 특성과 구조 안정성에 대한 분석을 진행하고 검증한 사례가 있다. Yang² 등의 사례 또한 동특성에 대한 검증 사례로 볼 수 있고, Lee³ 등도 컨테이너 크레인의 안정성에 대해 구조적 관점에서 해석한 사례가 있다.

하지만 구조적 안정성은 다양한 사례가 많은 반면, 임무장비 기동간의 주행안정성이 실험적, 해석적으로 검증된 사례를 찾아보기 힘들다. 유사 사례로 열차에 대해 연구한 사례를 보면, MacNeil⁴ 등은 화물 옆으로 지나가는 기차에 대해 벽면에 가해지는 압력을 계측하였고 이를 전산유체역학 모델과 비교 및 검증하였다. 또한 Nam⁵의 연구에서는 열차의 다양한 모델 별로 전복가능성에 대하여 안전율을 고려한 수식을 제시하고 확인한 바 있다.

트레일러 탑재장비의 예상되는 교행중 상대속도의 최댓값은 160 km/h이고 이는 열차를 대상으로 진행한 연구와는 다소 차이가 있다. 하지만 열차와 달리 트레일러 탑재장비는 도로 상황에 따라 교행하는 간격이 동일 구간에서도 달라질 수 있으며, 특히 중앙 분리대가 없는 경우 1m까지 간격이 좁혀질 수 있으며, 회전구간 주행시에도 주행안정성에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 열악 환경에서의 주행안정성 검증은 선행될 필요가 있다.

임무장비의 특성상 악조건의 운용환경에서도 운용이 가능해야 한다. 본 논문의 연구대상장비의 운용 환경 풍속은 18 m/s 조건으로 규정하였다. 또 대한민국의 고속도로 평면선형의 곡선부 구심거리를 고려하여 구심거리 500 m 이상의 곡선도로 주행 조건을 고려하였다.

이에 본 연구에서는 기동중인 탑재임무장비에 대하여 교행간 임무장비에 미치는 압력분포를 먼저 해석적으로 분석하고, 실험 진행 및 분석을 통해 해석모델을 검증하였다. 검증된 모델을 통해 실운용환경 조건에서 발생될 수 있는 최악의 조건을 고려하여 유동장을 확인하고 최종적으로 임무장비의 전복에 대한 안전계수를 파악하였다.

2. 해석적 접근

본 논문에서 대상으로 한 장비의 형상은 Fig. 1과 같다.

Fig. 1

3D model of a tactical trailer-shelter vehicle

차량이 주행중 입력되는 압력의 영향을 분석하기 위해 유동장에 대한 분석이 선행되어야 한다. 해석상에서 차량의 속도나 상황에 대한 조건은 제약이 없지만, 실제 시험에서는 안전상의 문제와 시험 시제의 관리 측면에서 실험의 제약이 있다. 따라서 본 연구에서는 30 km/h로 주행하여 측정된 데이트와 비교 분석하여 해석적인 내용을 검증할 것이고, 검증된 해석 모델을 통해 80 km/h의 상황에서 압력을 분석할 것이다.

2.1 유동 해석

교행 주행하는 차량이 받는 유동의 방향이 서로 다르므로 동적 격자(Dynamic Mesh)를 사용하여 비정상 해석을 진행하여야 한다. Fig. 2에 도시된 것과 같이, 초기상태의 기동임무차량은 중앙선을 사이에 두고 서로 마주본 상태에서 격자가 구성된다.^7-10

Fig. 2

Mesh grid plot before start moving

동적 격자 구역(Dynamic Mesh Zone)은 동일형상 직선운동에 최적화된 레이어링(Layering) 기법을 사용하기 위하여 차량 형상의 격자 주변에 박스를 구성하고 프리즘을 높이 60 mm로 박스의 전방 60층, 후방 3층을 형성하였다. 최종 목표인 80 km/h의 속력으로 진행할 때, 1 ms동안 진행하는 거리는 22.2 mm이고 이는 60 mm인 프리즘 높이와 두 배 이상 차이가 나기 때문에 적절하다고 할 수 있다.

난류 모델은 벽면에서의 압력장을 분석할 때 비교적 정밀하다고 알려진 k-w SST모델이고 0.003초 단위로 총 4.38초간의 비정상유동해석을 수행하여 두 차량이 서로를 완전히 지나쳐 영향을 주지 않을 때까지 약 36 m를 이동하도록 구성하였다. 유체의 속력은 차량의 이동 속도 기준 최대 속력 80 km/h인 경우의 마하수가 약 0.07수준이므로 비압축성 유체로 간주하였다.

해석의 주요한 결과값은 차량의 측면에 작용하는 압력장의 분포와 횡방향으로 작용하는 힘이다.⁶ Fig. 3에서 분석 결과를 보면 차량이 교행중 압력차로 인해 서로 당기거나 미는 방향의 힘이 번갈아 발생하는 것을 확인할 수 있다. Car 1는 힘의 방향이 양수일 때 서로 당기는 방향이고, 음수일 때 서로 밀어내는 방향으로 작용하는 것이며, Car 2는 이와 반대이다. 해석의 진행이 서로 대칭적으로 진행되었으므로, 두 차량이 받는 힘의 크기는 같고 방향이 반대임이 자명하다. 해석 결과에서 서로 당기는 방향의 최대 풍하중은 약 486 N 으로 계산되었다.

Table 1

Numerical analysis condition of CFD (30 km/h)

Fig. 3

Z-Direction force by time and distance (30 km/h)

Fig. 4

Pressure contour of plane 1.5 m offset from base (top) t= 0.6 sec, (middle) t= 2.19 sec, (bottom) t= 4.38 sec

Table 2

Numerical analysis condition of structural analysis

2.2 구조 해석

구조해석은 상용유한요소해석 프로그램인 Ansys 17.1을 사용하였고, 요소는 Solid 186, Solid 187, Shell 181을 구성하였으며, 총 노드 및 요소수는 각각 454, 597, 199, 351개와 같다. Fig. 5는 구축된 유한요소해석 모델의 형상이다. 구속 조건은 실제와 유사하도록 쉘터 하단부 모서리에 위치한 코너블록 4개소의 Fixed Point를 설정하였다.

Fig. 5

FEA model

기동임무차량의 주행중 측면패널의 위치에 따라 압력이 다르기 때문에 측면 패널을 30개의 구역으로 나눠 압력값을 구하였다. 기동임무차량의 횡방향 힘이 가장 크게 작용하는 시점은 두 차량이 거의 겹쳐있는 상황이며, 이 때의 30개 각 구역의 평균압력을 이용하여 패널 벽면에 가해지는 영향을 분석하였다. 각 패널의 위치는 Fig. 6에, 패널별 평균압력은 Table 3에 나타내었다.

Fig. 6

Panel section devided to 30 planes

Table 3

Pressure applied on each panel [Pa]

Fig. 7의 해석 결과 중, Fig. 7(a) 최대 변위는 5.74 μm, Fig. 7(b) 최대 응력은 470 kPa 임을 확인할 수 있다. 구조적으로 상당히 안전한 범위의 응력과 변위를 나타내지만, 기동임무차량의 특성상 기밀성, 차폐성이 중요한 요소로 작용하기 때문에 해당 요소가 반복적으로 작용했을 때 긴 시간동안 구조적 이음부에서의 변형을 추가적으로 검토해 볼 필요가 있다.

Fig. 7

Static structural analysis of side panels of shelter

3. 실험적 접근

3.1 시험 준비

시험은 일반국도 왕복 2차선로에서 안전 통제하에 진행되었으며 동일한 기동임무차량 2대 중 1대를 정차해둔 상태에서 다른 1대를 60 km/h로 교행하는 형태로 3회 반복수행하였다.

센서는 Fig. 8과 같이 총 9위치에 부착하였다. 이 중 1번 센서는 차량은 주행에 의한 유동장 외에도 엔진의 진동, 노면가진 등의 여러 외란이 존재하므로 실제 교행중 압력에 의한 기동임무차량 측면패널의 변위를 측정하기 위한 기준센서의 역할을 한다. 사용된 장비는 Table 4와 같다.

Fig. 8

Acceleration sensor position

Table 4

Experiments overview

3.2 ODS (Operating Deflection Shape) 분석

특정 주파수에서 모드 형상의 선형조합을 분석하는 Star 7의 ODS (Operating Deflection Shape) 분석 기법을 통해 실험데이터를 분석하였다. 해석적 분석결과에서 가장 큰 변위가 발생한 7번 센서의 계측 및 분석 결과는 Fig. 9 과 같으며 변위는 5.47 μm이다.

Fig. 9

Displacement curve of panels at sensor position

Table 5

Numerical analysis condition of CFD(80 km/h)

해석 모델의 검증을 위해 실험 결과와의 분석이 필요하다. 해석 모델에서의 구조해석 결과 최대 변위는 5.74 μm이고 실험 결과는 5.47 μm로, 측정값 기준 4.94%의 오차율을 갖는다. 이는 충분히 합리적 결과로 간주할 수 있다.

4. 실제 조건에서의 유동 해석

검증된 해석모델을 이용하여 80 km/h의 속도로 서로 교행하는 차량을 수치적으로 계산하였다. 이전의 해석과 실험의 비교로 검증된 모델을 이용하여 최고 속력인 80 km/h의 조건에서의 해석을 수행하였다. 해석 모델은 사전수행된 30 km/h의 경우와 같은 격자에서 수행했으며, 동적 격자(Dynamic Mesh)의 이동 속도가 22.2 m/s로 변함에 따라 시간 증분(Time Step Size)이 같이 변경되었다.

시뮬레이션 결과를 주요 시간에서의 압력분포로 Figs. 10과 11에 나타내었다. Fig. 10은 각 시간 별로 기동임무차량의 벽면에서의 압력분포를 나타내는데, 차량이 서로 겹쳐지며 차량이 마주보는 벽면에 음압이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 10

Pressure contour of around of vehicles (Isometric view)

Fig. 11

Pressure contour of plane 1.5 m offset from base (top) t= 0.2 sec, (middle) t= 0.82 sec, (bottom) t= 1.64 sec

Fig. 11에서는 노면과 평행하고 1.5 m 떨어진 가상평면에서의 압력분포를 나타내어 차량의 벽면이 아닌 주변 유동장에서의 압력분포를 확인할 수 있다. Fig. 10과 마찬가지로 시간 별로 차량 주변 압력분포를 가시적으로 나타내었다.

Fig. 12에서의 Car 1과 Car 2가 받는 힘의 방향은 앞에서와 같이 Car 1 기준으로 양수일 때 서로 당기고, 음수일 때 서로 밀어내는 방향으로 작용한다. 해석 결과로 횡방향 최대 작용 힘은 약 3370 N으로 상대속도 60 km/h의 경우보다 상당히 큰 차이를 보임을 확인하였다. 검증 모델과 분석 대상의 상대속도차이는 2.67배이고, 최대 작용 힘은 6.93배의 차이를 보인다. 이는 일반적으로 유동에 의한 동압이 유체 속도의 제곱 항에 비례하는 것을 고려하면 합당한 결과로 판단되어 다시 한 번 해석 모델과 실제의 경향 유사성을 검증 확인할 수 있다.

Fig. 12

Z-Direction force by time and distance (80 km/h)

5. 주행안정성 분석

주행중 차량의 전복가능성에 연관하여 주행중 외력에 의한 이론적으로 가장 열악한 상황은 곡선구간 주행중 교행 풍압과 자연 풍압을 동시에 받는 상황이다. 이 상황에 대하여 힘을 도식화 하면 Fig. 13과 같다. 자연풍의 풍하중과 교행간 발생하는 풍하중, 곡선구간 주행시 발생하는 원심력이 차량의 횡방향으로 작용하여 주행안정성을 위협하는 요소들이며, 차량의 하중이 수직방향으로 작용하여 외력에 대항하여 차량의 주행안정성을 보장한다. 즉 외력과 자중의 합력의 방향으로 차량의 주행안정성의 기준을 판단할 수 있다.¹² 본 논문에서는 안전성의 기준으로 안전계수를 2.0이상으로 산정하여 안전성을 판단한다.

Fig. 13

Schematic of forces applied on the vehicle

차량탑재형 임무장비의 운용환경은 각 임무의 성격에 따라 상이하게 달라진다. 본 논문의 대상 장비는 18 m/s의 강풍 상황에서도 기동이 가능하여야 하며 군용 도로를 포함한 일반 도로를 빠르게 주행하여 이동하는 목적의 차량이므로, 차량의 전복가능성에 대하여 서론에서 서술한 것과 같이 18 m/s 풍속과 구심거리 500 m의 곡선 구간 주행에서의 전복에 의한 주행안정성을 분석하였다.¹¹

여기서 F_p는 교행 주행으로 인한 힘, F_c는 곡선 구간을 통과하며 발생하는 원심력, F_w는 자연풍에 의한 풍하중, W는 자중, F는 합력이다. H는 도로면과 중심 사이의 거리로, 무게중심은 탑재 장비에 따라 그 값이 가변적일 수밖에 없다. 그러므로 예측되는 범위에서 가장 주행안정성에 열악한 조건인 최댓값을 선택하였다. 또한 풍하중이 작용하는 지점은 무게중심이 아닌 기하학적 중심인데, 이는 해석적으로 확인된 위치를 적용할 수 있으며 주행 위치와 시간에 따라 가변적이다. 단 본 논문에서는 확인된 풍하중의 작용점이 무게중심과 매우 근사하므로 두 힘의 작용점을 동일한 위치로 계산할 수 있다. 이에 따라 도시된 힘들에 대한 관계식을 정리하면 다음과 같다.⁵

식(3)에서 계산되는 최종 합력의 작용점과 중심간의 거리(x)가 차량의 바퀴간 간격의 절반을 넘게 되면 전복안정성에 위협이 될 수 있기 때문에 이 값을 기준으로 안전계수를 정의한다. 본 연구에서 제시한 분석 조건보다 열악한 환경에서 임무를 수행할 가능성이 있기 때문에 목표로 하는 안전계수는 2.0 이상으로 산정하였고, 식(4)에서 계산되는 안전계수는 약 2.2 이상이므로 2.0보다 커 안전함을 확인하였다.

6. 결론

임무장비가 차량에 탑재되어 기동하면서 발생하는 환경요인들은 고온, 저온, 강우, 수송진동 등이 있다. 본 연구는 이 중 차량 주행안정성을 검증하기 위하여 진행되었고 특히 전복가능성에 초점을 맞춰 진행되었다.

장비의 여건상 고속 교행주행을 실제로 시험하기에 안전상의 이유 등 제약조건이 있어 시험이 어려우므로 시뮬레이션을 통해 검증하고자 하였다. 먼저 저속에서의 교행주행을 모델로 하여 전산유체해석을 진행하였고, 해석 결과 중 벽면 패널에 위치 별로 전달되는 압력을 추출하여 교행중 발생하는 패널의 변위를 계산하였다. 해석을 수행한 모델의 정확성을 검증하기 위해 상대속도 60 km/h의 교행시험을 수행하여 주요 물리량인 속력과 벽면 패널에서의 압력과 변위를 중점적으로 비교하여 해석모델을 검증하였다.

검증된 모델을 이용하여 실제 시험이 어려운 속력에서의 교행시 발생하는 압력파의 경향을 분석하였다. 압력으로 계산되는 차량 측면 패널이 받는 힘을 구하고, 최종적으로 횡방향으로 기동임 무차량에 작용하는 힘을 구하였다. 해석 결과로 300 kgf 이상의 힘이 차량의 횡방향으로 작용하는 것을 확인할 수 있었다.

차량의 주행안정성이 가장 열악할 것으로 예상되는 상황³에서 자중에 의한 힘과 외력에 의한 힘의 크기와 방향을 비교하여 합력의 작용점이 차폭의 거리보다 작은 것을 안정성의 기준으로 산정하여 계산한 결과 안전계수 2.20의 준수한 설계치를 확보하였다. 이는 돌풍과 같은 열악한 환경에서도 기동임무 중 주행안정성을 확보할 수 있음을 의미한다.

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