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문제 정의
- 따라서 복합재를 적용한 철도차량 차체에 적합한 성능기준에 대한 연구는 추후 지속적으로 수행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 복 합재 적용 부위에 대해 복합재의 파단강도 대비 시험에서 측정된 응력값을 고찰하여 개발 중인 차체의 구조안전성을 평가하였다.
- 본 연구에서는 이상의 과정을 통해 제작된 복합재 철도차량 차체의 구조적 특성 및 안전성을 시험을 통해 평가하였다. 본 연구에서는 국내에서 철도차량 차체의 구조안전성 평가를 위해 적용하는 JIS(Japanese Industrial Standard) E7105’”에 근거하여 아래와 같은 4가지 하중조건하에서 시험을 수행하였다.
- 현재 한국철도기 술연구원과 한국화이바가 공동으로 복합재를 적용한 한국형 틸팅열차를 개발 중이다. 본 연구에서는 틸팅열차용 복합재 차체에 대한 강도 및 강성 등의 구조적 특성을 평가하기 위해 정하중 시험을 수행하였다. 또한, 이를 통해 차체의 구조적 안전성을 평가하였다.
제안 방법
- 본 연구에서 수행한 4가지 시험은 각각 3회 반복해서 수행되었으며 응력과 처짐은 3희의 시험을 통해 얻어진 값의 평균치이다. 또한 전술한 하중적용단계인 0% => 30% 7 50% * 70% 今 90% n 100% 의 단계별로 하중을 증가시키면서 응력 및 처짐량을 관찰하여 급격한 하중증가에 따른 시험장치들의 불안정성을 최소화하도록 하였다. 수직하중시험에서 얻어진 최대 응력값은 -63.
- 변형률 게이지와 변위 게이지의 부착위치는 최대 응력 및 최대 처짐이 발생하는 부분이어야 한, 다. 또한 하중조건에 따라 최대 응력 및 최대 처짐 발생 부분이 달라지므로 이러한 사항을 고려하여 각 하중조건별 유한요소해석을 통해 부착위치를 선정하였다.
- 본 연구에서는 틸팅열차용 복합재 차체에 대한 강도 및 강성 등의 구조적 특성을 평가하기 위해 정하중 시험을 수행하였다. 또한, 이를 통해 차체의 구조적 안전성을 평가하였다.
- 이때, FRP 몰드 의 재료는 glass fabric/epoxy를 사용하였고 두께는 20mm이다. 성형조건은 상온에서 4~5일 경화 후 60-80℃ 분위기 온도에서 4시간 동안 후경화 (post-cure) 하였다.
- 13은 유한요소 해석을 위한 차체의 모델을 나타낸 것이다. 유한요소해석시 복합재 차체부분 은 2차원 쉘 요소(shell element)를 적용하였고, 창 문사이의 내부 프레임들은 빔 요소(beam element) 를 적용하였다. 그리고 언드프레임의 보강빔 역시 빔 요소로 모델링하였다.
대상 데이터
- ■ 복합재 차체 제작 : 본 연구에서 개발 중인 길이 23m의 철도차량용 복합재 차체는 오토클레 이브를 이용하여 제작하였다. 오토클레이브 성형 기법을 적용한 이유는 국내에서 철도차량분야에 복합재가 적용된 사례가 전무하고 복합재의 성형 공법 중 가장 품질이 우수하기 때문이다.
- 데이터 측정부는 시험시 얻어지는 변형률, 변위량 그리고 가속도 등을 측정하고, 실시간 확인 및 저장하는 부분이다. 본 시험에 적용된 스트레인 게이지는 TML사의 FRA-5-U-1L 모델이고, 계측 시스템은 CAS사의 AI1600A 모델을 이용하였다.
- 위의 차종 중 동력차(motorized car)용 차체가 시험에 적용되었다. 본 연구에서 개발중인 철도차량 차체는 Fig. 2와 같이 직조된 CF1263 탄소/에폭시 면재 (woven fabric Carbon/Epoxy face)와 알루미늄 허니콤 심재 (aluminum honeycomb core)로 구성된 샌드위치 구조로 되어있다.
- 본 연구에서 구성된 시험 장치는 차체 지지부(supporting parts), 하중 적용부(loading parts), 데이터 측정부(measuring parts)와 같이 세 부분으로 나눌 수 있다. 차체 지지부는 Fig.
- 5는 1차 성형을 위한 공정 ( (a) 탄소/에폭시 프리프레그의 적층 => (b) 진공처리 => (c) 오토클레이브 성형 => (d) 1차 성형 왼료)을 나타낸 것이다. 본 연구에서는 23m 길이의 대형 복합재 차체 구조물의 일체성형을 위해 길이 25m와 직경 5m를 갖는 오토클레이브 를 이용하였다. Fig.
- l에서 알 수 있듯이 1편성은 6량으로 구성 되며, 편성의 좌우측 선두에 2량의 제어동력차 (motorized control car, Mcp)가 1량씩 위치하고 그 사이에 동력차(motorized car, M)와 부수차(trailer car, T) 2량씩이 위치하고 있다. 위의 차종 중 동력차(motorized car)용 차체가 시험에 적용되었다. 본 연구에서 개발중인 철도차량 차체는 Fig.
- 이상의 유한 요소해석에 근거하여 사용된 총 채널수는 변위게이지를 포함하여 총 219 채널이며 부위별로 응력집중이 발생하는 창문 부위에 36 개, 측벽부에 6개, 측출입문부에 4개, 천정부에 4 개 및 언드프레임부에 21개의 변형률 게이지를 부착하였다. Fig.
- 그리고 Cs는 정비중량(carbody weight in state of working order), Mp 는 최대 승객 중량 (weight of maximum riding persons), B는 차체의 무게 (body structure weight) 및 M 은 시험기자재의 무게(weight of testing machine materials)를 의미한다. 한국형 틸팅열차의 6량 편성 중 최대하중을 받는 동력차의 차체가 시험에 적용되었다. 동력차의 중량정보는 Table 2와 같다.
- 해석은 요한요소전 용 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하였고, 해석 에 적용된 요소(element)는 S4R 쉘 요소와 B31 빔 요소이다. 해석에 적용된 요소수는 37249개이고 절점수는 32955개이다.
데이터처리
- 본 연구에서 수행한 4가지 시험은 각각 3회 반복해서 수행되었으며 응력과 처짐은 3희의 시험을 통해 얻어진 값의 평균치이다. 또한 전술한 하중적용단계인 0% => 30% 7 50% * 70% 今 90% n 100% 의 단계별로 하중을 증가시키면서 응력 및 처짐량을 관찰하여 급격한 하중증가에 따른 시험장치들의 불안정성을 최소화하도록 하였다.
- 그리고 언드프레임의 보강빔 역시 빔 요소로 모델링하였다. 해석은 요한요소전 용 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하였고, 해석 에 적용된 요소(element)는 S4R 쉘 요소와 B31 빔 요소이다. 해석에 적용된 요소수는 37249개이고 절점수는 32955개이다.
이론/모형
- 8과 같이 차체의 키스톤 플 레이트(keystone plate) 상면에 부과 된다. 본 시험 에서는 수직하중을 부과하기 위해 18조의 10ton-§- 량 유압가력기를 이용하였다. 차단 압축하중을 부 과하기 위해서는 연결기 체결부(coupler support)에 1조의 200ton용량 유압 가력기.
- 본 연구에서는 이상의 과정을 통해 제작된 복합재 철도차량 차체의 구조적 특성 및 안전성을 시험을 통해 평가하였다. 본 연구에서는 국내에서 철도차량 차체의 구조안전성 평가를 위해 적용하는 JIS(Japanese Industrial Standard) E7105’”에 근거하여 아래와 같은 4가지 하중조건하에서 시험을 수행하였다.
성능/효과
- (1) 수직하중조건을 통해 차체의 강성을 대표하는 최대 처짐과 굽힘 강성을 측정하였고, 복합재 차체는 도시철도차량 성능기준을 만족하고 있음을 알 수 있었다.
- (2) 수직하중조건을 비롯한 모든 하중조건하에서 금속재 언드프레임의 응력값은 허용범위내에 존재하였다. 복합재 차체부분의 경우 최대응력은 차체의 측 창문부위에 발생하였다.
- 3점지지 하중하에서 복합재 차체 부위에서 최대 응력값은 차체 중앙부 창문하단에 위치한 12 번 게이지에서 발생하였고 값은 99MPa로 파단강도의 약 10.6% 수준이었다. 언드프레임의 경우 최대응력은 103MPa 로 바디 볼스타에 위치한 72 번 게이지에서 발생하였으며 항복강도의 30%정도였다.
- Table 4에서 알 수 있듯이 시험과 해석결과는 4%이내에서 잘 일치하고 있었다. 따라서 유한요 소해석 결과에 근거한 변형률 게이지 부착위치는 타당함을 확인할 수 있었다.
- 오토클레이브 성형 기법을 적용한 이유는 국내에서 철도차량분야에 복합재가 적용된 사례가 전무하고 복합재의 성형 공법 중 가장 품질이 우수하기 때문이다. 본 연구에서 개발 중인 차체가 샌드위치 구조이고 내부에 금속재 골조가 삽입되기 때문에 제작성과 제품의 품질향상을 위해 2번의 성형과정을 거쳤다. 먼저 차체의 바깥쪽 면에 해당하는 면재에 대한 성형을 완료한다.
- 그 이유는 그 이상의 변 위가 발생할 경우에는 측 출입문부의 심한 변형에 의해 출입문이 닫히지 않을 수 있고, 언드프레임에 설치된 전기장치들 사이에 간섭이 발생할 수 있기 때문이다. 본 연구에서 적용된 차체의 경우 대차간 거리가 15900mm이므로 측정된 최대 처짐은 1/1000이하 처짐 조건인 15.9mm이하 조건을 만족하였다. 이렇게 측정된 처짐량에 근거하여 차체의 등가굽힘강성 (equivalent bending stiffness)을 식 (2)를 이용하여 계산하였다.
- 복합재 차체부분의 경우 최대응력은 차체의 측 창문부위에 발생하였다. 이때 응력의 최대값은 CF1263 탄소/에폭시 복합재 파단 강도 의 12.2% 이내로 강도를 기준으로 약 5 정도의 안전율을 확보하고 있음을 알 수 있었다.
- 하중적용단계는 0% => 30% => 50% =* 70% 亨 90% 习 100% 순서로 증가시켰다. 적용된 하중의 안정화 상태는 목표하중의 ±2% 이내이면 안정화된 것으로 판단하였다. 그리고 하중이 안정화된 후 3분간 유지하였다.
- 차단 압축하중조건하에서 최대 응력값은 스테인레스 언드프레임의 연결기 고정부인 67번 게이지에서 발생하였으며 324MPa로 재질의 항복강도 인 370MPa 이하로 설계기준은 만족하였다. 차단 압축하중하에서 최대처짐은 Fig.
후속연구
- 그 이유는 현재 복합재를 적용한 사례가 전무하기 때문이다. 따라서 복합재를 적용한 철도차량 차체에 적합한 성능기준에 대한 연구는 추후 지속적으로 수행되어야 할 것이다. 본 연구에서는 복 합재 적용 부위에 대해 복합재의 파단강도 대비 시험에서 측정된 응력값을 고찰하여 개발 중인 차체의 구조안전성을 평가하였다.
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