대체 교통수단에 대한 관심은 2000년 전후를 시작으로 환경오염에 대한 우려와 고유가로부터 시작되었다. 공해물질 저감뿐만 아니라 에너지 소모량이 적으며 편리함을 추구하는 교통수단이 그 후 더욱 대두되기 시작했다. 이에 관련하여 1964년 Donn Fichter로부터 제안된 PRT(Personal Rapid Transit) System은 앞서 언급된 기존 교통수단의 문제점을 보완하며 유연함과 효율성, On-demand system의 맞춤형 교통수단으로 차세대 교통수단으로 부각되고 있다.
그 중 교통수단의 한 종류로서 차량의 구조적 안정성에 대한 연구는 탑승객에게 보장되어야 할 가장 기본적 요소임이 분명하다. 다양한 종류의 PRT 차량 중 본 연구 대상인 PRT차량의 Bogie Frame은 크게 두 파트로 이루어져 조립되는 형상이다. 그에 따라 조립 시 바퀴의 정렬을 맞추기 위해 Frame의 밑 부분이 떨어져 있는 형태를 가지고 있다. 이러한 구조는 객차의 질량으로 발생하는 하중이 불균형적으로 작용하게 되고, 더욱이 ...
대체 교통수단에 대한 관심은 2000년 전후를 시작으로 환경오염에 대한 우려와 고유가로부터 시작되었다. 공해물질 저감뿐만 아니라 에너지 소모량이 적으며 편리함을 추구하는 교통수단이 그 후 더욱 대두되기 시작했다. 이에 관련하여 1964년 Donn Fichter로부터 제안된 PRT(Personal Rapid Transit) System은 앞서 언급된 기존 교통수단의 문제점을 보완하며 유연함과 효율성, On-demand system의 맞춤형 교통수단으로 차세대 교통수단으로 부각되고 있다.
그 중 교통수단의 한 종류로서 차량의 구조적 안정성에 대한 연구는 탑승객에게 보장되어야 할 가장 기본적 요소임이 분명하다. 다양한 종류의 PRT 차량 중 본 연구 대상인 PRT차량의 Bogie Frame은 크게 두 파트로 이루어져 조립되는 형상이다. 그에 따라 조립 시 바퀴의 정렬을 맞추기 위해 Frame의 밑 부분이 떨어져 있는 형태를 가지고 있다. 이러한 구조는 객차의 질량으로 발생하는 하중이 불균형적으로 작용하게 되고, 더욱이 응력이 집중 될 수 있으므로 불안정한 구조가 될 수 있다. 또한 PRT차량의 가장 큰 질량을 차지하는 객차를 지지함과 동시에 레일의 진동을 윤축을 통해 직접적으로 받는 파트이기도 하다. 그에 따라 구조적 관점에서 프레임의 구조적 안정성에 대해 평가를 할 필요가 있다. 더불어 실제 주행 중에 위와 같은 하중에 의해, 레일에 의해 발생 할 수 있는 진동과 충격에 의해 발생하는 피로특성 또한 고려해야 한다.
그에 따라 본 연구에서는 PRT차량의 Bogie frame의 구조적 안정성과 피로 안정성을 연구했다. 하지만 동일하게 대차와 객차 시스템으로 이루어진 철도차량의 경우 구조적 안정성과 피로 안정성을 평가하기 위한 EN이나 TSI와 같은 규정이 명확한 반면 PRT차량의 경우 관련 규정이 미흡하여 타 규정을 대상 PRT차량의 구조물에 맞게 변형하여 적용하고 있는 실정이다. 그에 따라 가속도계를 통한 가속도 측정 실험을 바탕으로 PRT차량에 맞는 하중 조건을 설정했다. 기존의 철도 차량과는 다르게 횡방향으로의 바퀴를 통해 구속되어 있는 PRT차량은 횡방향으로의 하중이 현저히 작다. 이런 현상 또한 가속도계 측정 실험을 통해 하중조건에 반영 되었다.
Secondly, 마련된 하중 조건을 통해 구조적 안정성과 피로 안정성을 평가하기 위해 유한요소해석 모델을 구축하였으며, 프레임의 취약부에 스트레인게이지를 부착하여 실험을 통해 유한요소해석 모델에 대한 검증했다. 하중조건을 적용하여 구조적인 안정성을 평가했을 때 불균형적인 구조로 인해 설계된 지지부에서 응력집중 현상이 일어나 매우 국부적인 부분에서 yield stress를 넘는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 이러한 응력집중현상은 피로적 특성에 더욱 영향을 미치므로 Goodman diagram을 이용하여 확인 한 결과 일부 하중조건에서 basic material 의 경우 안전계수가 1.1이었던 반면 welding part에서는 약 0.8로 불안정함을 나타냈다.
더 나아가 PRT 차량이 실제 주행 시에 동하중에 의해 Bogie frame에 발생하는 동응력을 측정했다. 실험 결과를 Rainflow cycle counting method를 통해 하중을 Stress amplitude와 mean stress, number of cycle로 집계하고, Cabin 혹은 차체 자체의 무게로 인해 발생하는 정응력의 영향을 고려하여 주행거리, 시간에 따라 응력 측정 위치에서의 피로 특성 및 수명에 대해 연구를 진행했다. 결과적으로 불균형적 구조를 지지하기 위한 지지부에서의 수명을 예측하기 위해 S-N curve와 Miner rule을 이용하여 축적된 damage를 계산했다. 이로 인해 가장 취약한 부분에서 약 9921일의 수명을 나타냈다.
대체 교통수단에 대한 관심은 2000년 전후를 시작으로 환경오염에 대한 우려와 고유가로부터 시작되었다. 공해물질 저감뿐만 아니라 에너지 소모량이 적으며 편리함을 추구하는 교통수단이 그 후 더욱 대두되기 시작했다. 이에 관련하여 1964년 Donn Fichter로부터 제안된 PRT(Personal Rapid Transit) System은 앞서 언급된 기존 교통수단의 문제점을 보완하며 유연함과 효율성, On-demand system의 맞춤형 교통수단으로 차세대 교통수단으로 부각되고 있다.
그 중 교통수단의 한 종류로서 차량의 구조적 안정성에 대한 연구는 탑승객에게 보장되어야 할 가장 기본적 요소임이 분명하다. 다양한 종류의 PRT 차량 중 본 연구 대상인 PRT차량의 Bogie Frame은 크게 두 파트로 이루어져 조립되는 형상이다. 그에 따라 조립 시 바퀴의 정렬을 맞추기 위해 Frame의 밑 부분이 떨어져 있는 형태를 가지고 있다. 이러한 구조는 객차의 질량으로 발생하는 하중이 불균형적으로 작용하게 되고, 더욱이 응력이 집중 될 수 있으므로 불안정한 구조가 될 수 있다. 또한 PRT차량의 가장 큰 질량을 차지하는 객차를 지지함과 동시에 레일의 진동을 윤축을 통해 직접적으로 받는 파트이기도 하다. 그에 따라 구조적 관점에서 프레임의 구조적 안정성에 대해 평가를 할 필요가 있다. 더불어 실제 주행 중에 위와 같은 하중에 의해, 레일에 의해 발생 할 수 있는 진동과 충격에 의해 발생하는 피로특성 또한 고려해야 한다.
그에 따라 본 연구에서는 PRT차량의 Bogie frame의 구조적 안정성과 피로 안정성을 연구했다. 하지만 동일하게 대차와 객차 시스템으로 이루어진 철도차량의 경우 구조적 안정성과 피로 안정성을 평가하기 위한 EN이나 TSI와 같은 규정이 명확한 반면 PRT차량의 경우 관련 규정이 미흡하여 타 규정을 대상 PRT차량의 구조물에 맞게 변형하여 적용하고 있는 실정이다. 그에 따라 가속도계를 통한 가속도 측정 실험을 바탕으로 PRT차량에 맞는 하중 조건을 설정했다. 기존의 철도 차량과는 다르게 횡방향으로의 바퀴를 통해 구속되어 있는 PRT차량은 횡방향으로의 하중이 현저히 작다. 이런 현상 또한 가속도계 측정 실험을 통해 하중조건에 반영 되었다.
Secondly, 마련된 하중 조건을 통해 구조적 안정성과 피로 안정성을 평가하기 위해 유한요소해석 모델을 구축하였으며, 프레임의 취약부에 스트레인게이지를 부착하여 실험을 통해 유한요소해석 모델에 대한 검증했다. 하중조건을 적용하여 구조적인 안정성을 평가했을 때 불균형적인 구조로 인해 설계된 지지부에서 응력집중 현상이 일어나 매우 국부적인 부분에서 yield stress를 넘는 것을 확인 할 수 있었다. 하지만 이러한 응력집중현상은 피로적 특성에 더욱 영향을 미치므로 Goodman diagram을 이용하여 확인 한 결과 일부 하중조건에서 basic material 의 경우 안전계수가 1.1이었던 반면 welding part에서는 약 0.8로 불안정함을 나타냈다.
더 나아가 PRT 차량이 실제 주행 시에 동하중에 의해 Bogie frame에 발생하는 동응력을 측정했다. 실험 결과를 Rainflow cycle counting method를 통해 하중을 Stress amplitude와 mean stress, number of cycle로 집계하고, Cabin 혹은 차체 자체의 무게로 인해 발생하는 정응력의 영향을 고려하여 주행거리, 시간에 따라 응력 측정 위치에서의 피로 특성 및 수명에 대해 연구를 진행했다. 결과적으로 불균형적 구조를 지지하기 위한 지지부에서의 수명을 예측하기 위해 S-N curve와 Miner rule을 이용하여 축적된 damage를 계산했다. 이로 인해 가장 취약한 부분에서 약 9921일의 수명을 나타냈다.
Interest in transportation system has risen since 2000 due to the increasing concern about environmental pollution and high oil prices. Characteristics of next generation transportation system are not only reduction of pollutant, but less consumption of energy had raised. Accordingly in 1964, Person...
Interest in transportation system has risen since 2000 due to the increasing concern about environmental pollution and high oil prices. Characteristics of next generation transportation system are not only reduction of pollutant, but less consumption of energy had raised. Accordingly in 1964, Personal rapid transit (PRT) was suggested by Donn Fichter which could make up the problem that exists in current transportation system. It has been magnified as the next generation transportation system due to its flexibility, effectiveness and personalized on-demand system.
Among various kinds of transportation system, research about structural stability of vehicle should be guarantee to passengers. The PRT vehicle that was researched in this paper is divided to two parts and assembled with joints. To assemble with well aligned wheels, main frame of bogie frame should be divided. This characteristic make force that comes from mass of cabin and passenger unbalanced and this phenomenon might cause structure unstable. Moreover bogie frame is the part that stands massive mass, which is cabin, and vibration caused from rail is directly transmitted to bogie frame through wheelset.
Thus in this paper, structural and fatigue stability of the bogie frame of PRT vehicle are evaluated. Railway vehicle which is consist of same construction, bogie and cabin, has regulation for structural analysis such as EN, TSI. However unlike railway vehicle, PRT vehicle, which is in insufficiency of related regulation, is usually analyzed with modified load conditions of other regulation. Thus in this paper, load condition had constructed based on acceleration experiment results. Unlike existing railway vehicle, PRT vehicle has constraint which is guide wheel that makes unmovable to lateral direction. This phenomenon is contained in load conditions for PRT vehicle.
Secondly, to evaluate structural and fatigue stability through set load conditions, finite element model is constructed and verified with strain measurement in static load conditions. In the results of structural stability evaluation, support part which is designed owing to unbalanced form of bogie frame showed stress concentration in local area. Because of stress concentration, stress of bogie frame is larger than yield strength of material (Domex 355) locally in support part. As this stress concentration phenomenon affect fatigue stability, evaluation of fatigue characteristics could be obtained through Goodman diagram. Under few load conditions, safety factor was 1.1 at basic material part but at welding part, safety factor was 0.8 which is less than 1.0.
Lastly, to predict fatigue life of support part, which is the weakest part in bogie frame, dynamic stress measurement experiment was implemented in operating condition. The results was aggregated through Rainflow cycle counting method into stress amplitude, mean stress and number of cycle. Also to consider effect of mass of cabin and passenger, static stress was added. Finally S-N curve of material and Miner rule was used to calculate cumulated damage on support part. As a result, 9921 days was deducted as an outcome, which is fatigue life, at the most delicate part.
Interest in transportation system has risen since 2000 due to the increasing concern about environmental pollution and high oil prices. Characteristics of next generation transportation system are not only reduction of pollutant, but less consumption of energy had raised. Accordingly in 1964, Personal rapid transit (PRT) was suggested by Donn Fichter which could make up the problem that exists in current transportation system. It has been magnified as the next generation transportation system due to its flexibility, effectiveness and personalized on-demand system.
Among various kinds of transportation system, research about structural stability of vehicle should be guarantee to passengers. The PRT vehicle that was researched in this paper is divided to two parts and assembled with joints. To assemble with well aligned wheels, main frame of bogie frame should be divided. This characteristic make force that comes from mass of cabin and passenger unbalanced and this phenomenon might cause structure unstable. Moreover bogie frame is the part that stands massive mass, which is cabin, and vibration caused from rail is directly transmitted to bogie frame through wheelset.
Thus in this paper, structural and fatigue stability of the bogie frame of PRT vehicle are evaluated. Railway vehicle which is consist of same construction, bogie and cabin, has regulation for structural analysis such as EN, TSI. However unlike railway vehicle, PRT vehicle, which is in insufficiency of related regulation, is usually analyzed with modified load conditions of other regulation. Thus in this paper, load condition had constructed based on acceleration experiment results. Unlike existing railway vehicle, PRT vehicle has constraint which is guide wheel that makes unmovable to lateral direction. This phenomenon is contained in load conditions for PRT vehicle.
Secondly, to evaluate structural and fatigue stability through set load conditions, finite element model is constructed and verified with strain measurement in static load conditions. In the results of structural stability evaluation, support part which is designed owing to unbalanced form of bogie frame showed stress concentration in local area. Because of stress concentration, stress of bogie frame is larger than yield strength of material (Domex 355) locally in support part. As this stress concentration phenomenon affect fatigue stability, evaluation of fatigue characteristics could be obtained through Goodman diagram. Under few load conditions, safety factor was 1.1 at basic material part but at welding part, safety factor was 0.8 which is less than 1.0.
Lastly, to predict fatigue life of support part, which is the weakest part in bogie frame, dynamic stress measurement experiment was implemented in operating condition. The results was aggregated through Rainflow cycle counting method into stress amplitude, mean stress and number of cycle. Also to consider effect of mass of cabin and passenger, static stress was added. Finally S-N curve of material and Miner rule was used to calculate cumulated damage on support part. As a result, 9921 days was deducted as an outcome, which is fatigue life, at the most delicate part.
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