까다로운 FE 더미 개발? 하이퍼웍스 하나로 끝내다!

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의생명과학, 생명 공학 분야에서 우수성을 인정 받고있는
웨이크 포레스트 대학의 의과 대학 CIB는?

  웨이크 포레스트 대학은 의생명과학 및 생명 공학 분야에서 우수성을 인정 받는 연구 대학으로서 학생과 교수진에게 개인 및 직업적으로 발전할 수 있는 훌륭한 기회를 제공하고 있습니다.
  웨이크 포레스트 대학의 의과 대학 내 CIB(Center of Injury Biomechanics)에서는 차량 충돌로 인한 외상 이후에 부상 메커니즘을 조사하여, 부상에 대한 인체의 저항력에 관한 이해를 더욱 넓히고 개선된 안전 대책을 마련하고 있습니다. CIB의 조엘 스티첼(Joel Stitzel) 및 스콧 게이직(Scott Gayzik) 박사는 2006년부터 GHBMC(Global Human Body Modeling Consortium)의 책임연구원으로 활동하고 있습니다. 자동차 제조업체 및 공급업체로 구성된 이 국제 컨소시엄은 연구 대학 및 정부 기관과 협력하여 충돌 시뮬레이션의 인체 모델링 기술을 개선하는 활동을 펼치고 있습니다.

차량 충돌 시뮬레이션을 위한 FE 인체 모형 개발 과정

  컴퓨팅 모델링은 부상 생체역학 및 외상 연구에서 성장하고 있는 분야입니다. 인체에 대한 자세한 수학적 모델링을 통해 실제 부상 시나리오의 컴퓨팅 해석으로 엔지니어링을 개선함으로써 잠재적인 인체 부상을 방지할 수 있습니다. 세부적인 필수 모형 개발의 첫 번째 단계는 외상을 입기 쉬운 기본적인 인체 기관, 뼈대 구성 및 사지를 수학적으로 정량화하는 것입니다. 최종적인 의료 이미지 데이터는 성인(남성 및 여성), 아동(3~6세) 및 유아를 비롯한 광범위한 차량 탑승자를 정확하게 대표해야 합니다. 그 다음으로, 인체 데이터를 세분화하여 다양한 인체 기관계의 정확한 유한 요소(FE) 모형을 생성해야 합니다. 그런 다음 다양한 인체 기관계의 FE 모형을 통합해 전체 인체 모형을 만들어 내야 합니다. 최종적으로 탑승자 및 보행자 충돌 상황이 적용된 차량 내충돌성 시뮬레이션에서 전체 인체 모형을 검증해야 합니다.

그림2-565▲ 220만개 요소 및 130만개 노드로 구성된 M50 탑승자 모형


하이퍼웍스를 활용한 FE 인체 모델 개발 및 검증

  GHBMC는 알테어의 하이퍼메시(HyperMesh)와 하이퍼메시의 하이퍼몰프(HyperMorph) 모듈을 도입해 인체 기관, 조직 및 골격 구조에 대해 광범위하게 스캔한 데이터를 기반으로 자세한 유한 요소 모형을 개발했습니다.
  이러한 데이터는 선정 대학에서 GHBMC COE(Centers of Expertise) 지침에 따라 개발되었습니다. 각 센터는 인체의 특정 부위에 대한 CAD 및 유한 요소 모델링을 담당했습니다. 또한 각 하위 조직의 데이터 및 유한 요소 모형을 전체 신체 모형으로 통합하기 위해 추가 COE가 마련되었습니다. GHBMC는 전체 인체 COE에 필요한 광범위한 통합 작업을 수행할 책임 기관으로 웨이크 포레스트 대학 CIB를 선정했습니다. 머리, 목, 흉부, 복부 및 신체의 사지 말단 부위에 필요한 작업을 수행하기 위해, 주요 국제 대학의 생체 의학 연구 센터에 5곳의 COE가 구성되었습니다. 알테어는 각 COE의 유한 요소 및 내충돌성 해석 관련 작업을 지원하기 위해 CAE 도구로 구성된 전체 하이퍼웍스 패키지를 활용할 수 있게 했습니다. 인체 CAD 데이터의 유한 요소 모델링에는 하이퍼메시가 적용되었으며 차량 충돌 시뮬레이션 검증에는 라디오스(RADIOSS)가 사용되었습니다. 전체 인체 모델링 COE 작업은 5개 인체 부위에 특정한 COE 각각으로부터 상세한 유한 요소 모형을 통합해야 한다는 점에서 특히 까다로웠습니다. 우수한 요소간 연속성과 품질을 보장하기 위해 작은 요소(가장자리 길이가 5mm)가 필요했던 머리와 목 부위의 연결 지점에서, 특히 통합 작업의 어려움이 따랐습니다. 또한 적합한 크기의 전체 유한 요소 모형을 만들기 위해 보다 큰 요소(가장자리 길이가 10mm)를 적용할 수 있는 다리와 골반의 연결 지점에서도 어려움이 있기는 마찬가지였습니다.

그림3-565▲ 더미 모형 축소 및 시뮬레이션 효율성 개선을 위한 공정 개발


M50(50th Percentile Male Occupant) 유한 요소 모형을 개발하다!

  220만개 요소와 130만개 노드로 구성된, 체중 76.9kg의 M50(50th Percentile Male Occupant) 모형이 개발되었습니다. GHBMC M50 모형은 모든 COE 협력 대학의 광범위한 시뮬레이션 작업을 통해, 충돌로 발생하는 모든 부상의 38%에 대한 검증을 거쳤습니다. 여기에는 두개골 및 안면골 골절, 추간판 부상, 갈비뼈 골절, 간 및 비장 부상, 골반 및 고관절 골절 및 다리 골절이 포함됐습니다.
  이 모형은 충돌로 인해 발생하는 모든 부상의 80%를 시뮬레이션하기에 충분히 정교했으며 라디오스, LS-다이나(LS-Dyna) 및 팜크래시(PamCrash) 시뮬레이션 플랫폼에서 검증을 거쳤습니다. 웨이크 포레스트 대학에서 수행한 전체 차량, 전면 장애물 검증 연구는 전면 9개, 측면 8개 그리고 전복 1개의 총 18개의 시뮬레이션 케이스로 구성되었습니다.

  GHBMC의 가장 큰 하나의 문제는 내충돌성 평가에 사용되는 다른 탑승자 더미 크기에 맞게 M50 모형의 모델링 기능을 효과적으로 확장할 방법을 개발하는 것이었습니다. 웨이크 포레스트 대학 팀에서는 모델링 확장 접근 방식을 도입해 다른 크기의 모형을 신속하게 개발했습니다. 작업 과정에서 외부 인체 측정 및 의료 영상 데이터를 비롯하여 M50 개발에서 쌓은 기존의 방대한 데이터가 활용되었습니다.
  M50 데이터의 동종 표면 지표가 대상 M95(male 95th percentile) 모형의 해당하는 위치에 배치되었습니다. 표면을 변형하는 데는 얇은 스플라인이 사용되었습니다. 하이퍼메시 내에 포함된 알테어의 조작 도구인 하이퍼몰프를 도입해 변형된 M50 유한 요소 세부 모델을 개발하는 데도 유사한 노력을 기울였습니다.

  전체 인체 모형을 구현하는 또 다른 중요한 목적은 축소된 모형을 사용하여 시뮬레이션의 효율성을 높이는 데 있습니다. 축소된 모형은 15만개의 변경 가능한 요소를 사용해 개발되었으며 상응하는 세부 모형보다 시뮬레이션 실행 시간을 50% 단축할 수 있습니다. 간소화된 모형을 사용하면 충돌 상황의 운동학적 평가를 더욱 빠르게 수행할 수 있어 차량 내부에서 탑승자의 유한 요소 모델을 쉽게 배치할 수 있습니다.
웨이크 포레스트 COE는 M50 기반 간소화 모형에 대한 개발 작업을 마쳤습니다. 부상 생체 역학 센터의 조교수인 스콧 게이직 박사(Dr. Scott Gayzik)는 “하이퍼웍스의 고품질 메싱 및 변형 도구는 차량 충돌로 인한 부상 평가에 필요한 인체 컴퓨팅 모형을 개발하는데 있어 핵심적인 역할을 했습니다.” 라고 설명했습니다.

  향후, GHBMC는 M5 및 M95 모형에 대한 간소화 및 세부 인체 모형을 개발하는 데 역점을 둘 예정입니다. F5, F50 및 F95 크기의 여성 모형 개발도 계획되어 있습니다. 서있는 보행자에 대한 간소화 모형과 세부 모형도 개발할 예정입니다.

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“하이퍼웍스의 고품질 메싱 및 변형 도구는 차량 충돌로 인한 부상 평가에 필요한 인체 컴퓨팅 모형을 개발하는데 있어 핵심적인 역할을 했습니다.”


스콧 게이직 박사(Dr. Scott Gayzik)
부상 생체 역학 센터 조교수



* 업종
– 자동차, 대학/연구

* 과제
– 차량 충돌 시뮬레이션을 위한 정교한 유한 요소 인체 모형 개발

* 알테어 솔루션
– 모형 개발 및 검증 과정에서 하이퍼메시, 하이퍼몰프, 라디오스 사용

* 이점
– 컴퓨팅 인체 모형 시뮬레이션을 통해 보다 현실에 가깝게 부상 시나리오를 평가함으로써, 차량 충돌로 인해 발생하는 사람의 잠재적인 부상을 방지할 수 있도록 엔지니어링 설계 개선

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