흙 노면에서의 차량 주행 시뮬레이션 및 주행 특성 분석 = Simulation and analysis of driving characteristics of a vehicle on soil

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to analyze the dynamic behavior of a vehicle traveling on deformable soil terrain and to validate the analysis through experiments. To this end, a coupled simulation framework combining Multi-Body Dynamics(MBD) and the Discrete Element Method(DEM) was developed to investigate the behavior of an unmanned small-scale vehicle during soil driving. The core components of the soil-driving analysis are the terrain model and the vehicle model. The soil terrain was represented using a DEM-based model composed of several hundred thousand particles, and the contact parameters were identified and verified through experiments to ensure that the model accurately reflects real soil behavior. The vehicle model was constructed using the commercial MBD software RecurDyn, and its validity was confirmed through bump-driving tests on asphalt. Using the validated terrain and vehicle models, a two-way coupled simulation of full-vehicle acceleration, deceleration, and bump driving on soil was conducted via RecurDyn Embedded SPI. The simulation results were compared with experimental data to confirm the reliability of the modeling approach. The proposed framework is expected to serve as a foundation for off-road driving stability assessment of unmanned ground vehicles, and with further accumulation of driving data and integration with machine-learning-based surrogate models, it has strong potential for real-time digital-twin applications.

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 흙 노면에서 주행하는 차량의 동적 거동을 해석하고, 실험을 통한 해석 검증을 목표로 한다. 이를 위해 다물체동역학(Multi-Body Dynamics, MBD)과 이산요소법(Discrete Element Method, DEM)을 연성하여, 무인 소형 차량의 흙 노면 주행 과정에서 발생하는 거동을 해석하고 실험과의 비교를 통해 해석 모델의 타당성을 확인하였다. 흙 노면 주행 해석의 핵심 요소는 노면 모델과 차량 모델이다. 본 연구의 흙 노면 모델은 수십만개 이상의 입자로 구성된 DEM 기반 모델로, 실험을 통한 접촉계수 규명과 검증을 통해 실제 흙을 모사할 수 있음을 확인하였다. 또한 차량 모델은 상용 다물체 동역학 해석 프로그램 RecurDyn 을 통해 다물체 모델링되었으며, 아스팔트 노면에서 범프 주행 실험을 통해 이를 검증하였다. 이후 검증된 흙 노면 모델과 차량 모델을 기반으로, RecurDyn Embedded SPI 를 통해 흙 노면에서의 전차량 가감속 및 범프 주행에 대한 양방향(2-way) 연성 해석을 수행하였다. 해석 결과는 실험 결과와 비교하여 모델의 신뢰성을 확인하였으며, 향후 본 연구에서 구축한 모델을 기반으로 주행 데이터를 축적하고 머신러닝 기반 대체 모델로 확장한다면, 실시간 무인주행 차량의 오프로드 주행 안정성 평가 기술로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구의 필요성 1
• 1.2. 연구 동향 3
• 1.3. 연구의 목표 4
• 제 2 장 이론적 배경 5
• 2.1. 이산요소법 5
• 2.2. 접촉 모델 5
• 2.2.1 Hertz-Mindlin 접촉 모델 6
• 2.2.2 Tangential sliding friction 접촉 모델 7
• 2.2.3 JKR 점성 모델 8
• 2.2.4 구름 저항 모멘트 모델 9
• 2.3. 다물체 동역학과 이산요소법의 연성해석 10
• 2.3.1 다물체 동역학 해석 기법 10
• 2.3.2 Embedded SPI 기반 연성해석 13
• 제 3 장 시뮬레이션을 위한 접촉계수 규명 15
• 3.1. 타이어 테스트베드 장치 구성 15
• 3.2. 타이어 테스트베드 흙 노면 구성 20
• 3.3. 타이어 침하 실험 23
• 3.4. 타이어 침하 시뮬레이션을 통한 접촉계수 규명 26
• 3.5. 슬립율에 따른 타이어 구름 실험 34
• 3.6. 타이어 구름 시뮬레이션을 통한 접촉계수 검증 37
• 제 4 장 전차량 주행 실험 45
• 4.1. 전차량 주행 실험 구성 45
• 4.2. 가감속 주행 실험 46
• 4.3. 범프 주행 실험 47
• 제 5 장 전차량 주행 시뮬레이션 51
• 5.1. 전차량 다물체 동역학 모델링 및 검증 51
• 5.2. 가감속 주행 시뮬레이션 59
• 5.3. 범프 주행 시뮬레이션 62
• 제 6 장 결 론 66