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최근 경부고속철도의 철도이용객수가 과포화상태에 이르러 철도의 수송능력을 충족하기 위해 국가적인 차원에서 2층 고속열차에 대한 연구가 진행 중에 있다. 기존의 시설물을 최대한 활용하면서 효과적인 고속 서비스를 제공할 수 있는 2층 고속열차는 일반 고속열차와는 다르게 높이가 매우 높고 각 층을 나누기 위한 언더프레임이 추가 삽입되어있다. 이는 차체 무게면에서 유리한 이점을 가지지 못하는 단점을 가지며 차체 구성요소인 알루미늄 압출재의 특성상 단면 구성에 있어 획기적인 경량화 방안을 제시하기에는 한계가 있다. 이에 알루미늄 압출재를 대신하여 2층 고속열차의 경량화를 위한 비강도 및 비강성이 높은 ...

최근 경부고속철도의 철도이용객수가 과포화상태에 이르러 철도의 수송능력을 충족하기 위해 국가적인 차원에서 2층 고속열차에 대한 연구가 진행 중에 있다. 기존의 시설물을 최대한 활용하면서 효과적인 고속 서비스를 제공할 수 있는 2층 고속열차는 일반 고속열차와는 다르게 높이가 매우 높고 각 층을 나누기 위한 언더프레임이 추가 삽입되어있다. 이는 차체 무게면에서 유리한 이점을 가지지 못하는 단점을 가지며 차체 구성요소인 알루미늄 압출재의 특성상 단면 구성에 있어 획기적인 경량화 방안을 제시하기에는 한계가 있다. 이에 알루미늄 압출재를 대신하여 2층 고속열차의 경량화를 위한 비강도 및 비강성이 높은 샌드위치 복합재에 대한 관심이 높아지고 있다. 샌드위치 복합재를 이용한 경량화 방안인 철도차량 차체의 소재대체법은 국내에서 개발되었던 틸팅열차와 초고속 자기부상열차에서 높은 경량화 효과를 보여주며 그 성능을 입증하고 있다. 하지만 2층 고속열차에 샌드위치 복합재를 적용할 시, 알루미늄 압출재로만 제작된 기존의 단면치수정보는 샌드위치 복합재가 적용된 하이브리드 차체에 대해 최적화 되어있지 않으므로 이들의 정보를 새롭게 선정할 필요성이 있다. 따라서 본 논문의 목적은 소재대체법과 치수최적화기법을 이용한 2층 고속열차 알루미늄 압출재 차체의 경량 설계를 제시하는 것이다. 소재대체법을 수행하기 위해 위상최적화 기법을 이용하여 차체 구조물의 샌드위치 복합재 적용 부위를 결정하였다. 해석결과, 루프와 2층 언더프레임에 샌드위치 복합재가 적용 가능함을 보여 주었다. 치수최적화는 알루미늄 압출재와 카본/에폭시 복합재의 두께를 결정하는데 사용되었다. 치수최적화를 수행하기 위해, 설계변수, 제약조건, 목적함수를 정식화 하였으며 이러한 조건에 의해 유효설계를 도출하였다. 이와 함께 3가지 조건의 설계변수 및 단면 초기값을 선정하여 초기값의 경우에 따라 해석 속도와 수렴성을 분석하였다. 해석결과, 최솟값으로 이루어진 단면 초기값이 경제적인 해석에 도움이 된다는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 경량 설계의 결과로 2층 고속열차 하이브리드 차체의 무게가 1.25ton(11.83%)까지 줄일 수 있음을 보여주었다. 또한 단면정보의 초기값에 의한 치수최적화 해석의 수렴성 분석에서 설계변수 범위의 최소값으로 구성된 단면정보가 해석시간 단축 및 경제적인 해석에 유리한 이점을 가질 수 있음을 확인하였다.

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