[논문]설계요구조건 검증을 통한 한국형 고속 틸팅열차(TTX)의 차체 재료 선정에 관한 연구

신광복; 구동회; 한성호; 박기진

문제 정의

철도차량의 차체는 설계단계에서 구조적인 안전성을 UIC, JIS 등의 철도규격에 따라 검증한 후 상세설계 및 제작 단계로 넘어가야 한다. 따라서, 본 절에서는 한국형 고속틸팅열 차의 차체 구조로 검토중인 알루미늄 차체, 복합재 차체 그리고 하이브리드 차체를 기본설계단계에서 JIS E 7105에 따라 설계요구조건을 검증하여 각각의 차체 구조에 대한 구조 안전성을 평가하였다.
본 논문에서는 기본설계에 대한 설계요구조건 검증을 통해 180km/h의 한국형 고속 틸팅열차의 차체 경량화 및 구조 안전성을 확보할 수 있는 최적의 재료를 선정하고자 알루미늄 차체, 복합재 차체 그리고 하이브리드 차체를 선정하여 고려된 하중조건하에서 차체의 구조안전성 을 평가하였으며 이에 다음과 같은 결론을 얻었다.
1990년 후 반부터 3세대 차체 재료로 각광받고 있는 신소재 복합재료 는 1, 2세대 철도차량에 비해 차체 무게의 절감 효과가 크며, 내구성, 내식성이 우수할 뿐만 아니라 일체성형으로 인한 생산비 절감 및 제조 공정 단축, 미려한 외관제작 용이 등의 많은 장점을 바탕으로 현재 유럽과 일본에서 경량전철과 틸 팅열차에 많이 적용되고 있다[2, 3]. 본 연구에서는 한국형 고속틸팅열차의 차체 경량화 및 설계요구조건을 만족시킬 수 있는 최적의 재료를 선정하기 위하여 설계단계에서 선정된 재료와 설계 기법에 따른 차체의 구조 거동을 비교하고, 이를 토대로 한국형 고속틸팅열차의 차체 구조 및 제작 개념도를 정립하는데 목적을 두고 있다.
따라서, 기본설계가 완료된 틸팅열차의 차체는 JIS E 7105 규정에 의거하여 부가되는 하중조건 하에서 구조해석을 수행한 후 구조안전성 유무를 판단해야 한다[5]. 본 연구에서는 해석대 상을 알루미늄 차체(case 1 & 2), 신소재 복합재 차체(case 3 & 4) 그리고 알루미늄과 신소재 복합재 구조물이 결합된 하이브리드 차체(case 5 & 6)를 선정하여 각각의 차체구조 들이 수직하중 및 비틀림 모멘트를 받는 경우 구조안전성을 평가하였다. 차량은 하중이 가장 크게 분포하는 동력차(M Car)를 선택하였다.

가설 설정

복합재 차체구조는 섬유강화 적층판으로 제작된다고 가 정하였으며, 적층판은 항공기 및 지상구조물 등의 제작 시 일반적으로 적용되는 [0n/±452n/90n]s의 준등방성 (quasi- isotropic)으로 구성하였다. 여기서, "은 플라이 개수(ply no.
차체의 용접과 접합부위는 국부응력(local stress)이 발생하지만 본 논문에서는 전체적인 관점(global view)에서 차체의 구조거동을 관찰하는데 목적이 있으므로 일체형으로 가 정하였다. 또한, 재료선정에 따른 설계변경을 최소화하기 위해 모든 차체의 구조에 대해 같은 설계형상을 적용하였다.

제안 방법

철도의 고속화를 이루는 방안으로는 크게 두 가지 방법이 있다. 그중 하나는 직선화되고 레일 설비를 설치한 철도 노선을 새로 구축하여 고속 운행이 가능한 철도차량을 제 작하여 운행하는 것이며, 두 번째 방안은 기존의 노선을 보완하고 최대한 활용하여 고속화가 가능한 차량을 운행시 키는 방법이다. 전자의 경우 현재 경부고속 전철 사업이 진행되어 상용운전을 눈앞에 두고 있으며, G7 고속전철의 국 산화 개발이 완료되어 300km/h급의 고속전철에 대한 시험 운행을 하고 있는 실정이다.
해석에 사용된 재료는 알루미늄 차체의 경우 중공 압출재 알루미늄(Al 6005A-T6), 복합재 차체의 경우 HFG CU-125NS 그라파이트/에폭시 적층구조(laminate structure)를 적용하였다. 또한 하이브리드 차체의 경우 언더프레임과 티-슬롯 (T-slot)은 중공압출재 알루미늄(Al 6005A-T6)을 적용하고 복합재 구조물(지붕, 사이드프레임, 엔드프레임 등)은 HFG CU-125NS 그라파이트/에폭시 적층구조를 적용하였다.
차체의 용접과 접합부위는 국부응력(local stress)이 발생하지만 본 논문에서는 전체적인 관점(global view)에서 차체의 구조거동을 관찰하는데 목적이 있으므로 일체형으로 가 정하였다. 또한, 재료선정에 따른 설계변경을 최소화하기 위해 모든 차체의 구조에 대해 같은 설계형상을 적용하였다.
틸팅차량 차체(M Car)의 기하학적 형상은 그림 3에 나타난 바와 같이 3차원 CAD 데이터로부터 Ansys70을 이용하여 3차원 카테시안 좌표계에서 X방향을 너비방향, Y방향을 높이방향, Z방향을 길이방향으로 모델링하였으며, 지붕, 사이드 프레임, 엔드프레임, 언더프레임 등은 쉘요.소(Shell element), 티-슬롯(T-slot)은 빔요소(Timoshenko beam element)를 사용하였다.

대상 데이터

식 (1)과 식 (3)의 전체 적층판 접근방법을 이용하여 복합재 차체 구조물의 파손 평가를 위해서는 적층판에 대한 강도(X, Y 그리고 S)를 시험을 통해 구해야 한다. 본 연구에서는 복합재 적층판의 강도 측정을 위해 HFG CU-125NS 그 라파이트/에폭시 적층판을 오토클레이브 성형 후 시편을 제 작하였으며 시편갯수는 시험당 6개였고 사용된 적층판의 구성은 /±45ft/903]s로 두께는 3.0mm이다. 두께를 3.
틸팅차량 차체(M Car)의 기하학적 형상은 그림 3에 나타난 바와 같이 3차원 CAD 데이터로부터 Ansys70을 이용하여 3차원 카테시안 좌표계에서 X방향을 너비방향, Y방향을 높이방향, Z방향을 길이방향으로 모델링하였으며, 지붕, 사이드 프레임, 엔드프레임, 언더프레임 등은 쉘요.소(Shell element), 티-슬롯(T-slot)은 빔요소(Timoshenko beam element)를 사용하였다.
본 연구에서는 해석대 상을 알루미늄 차체(case 1 & 2), 신소재 복합재 차체(case 3 & 4) 그리고 알루미늄과 신소재 복합재 구조물이 결합된 하이브리드 차체(case 5 & 6)를 선정하여 각각의 차체구조 들이 수직하중 및 비틀림 모멘트를 받는 경우 구조안전성을 평가하였다. 차량은 하중이 가장 크게 분포하는 동력차(M Car)를 선택하였다. 한국형 고속틸팅열차의 경우, JIS 규정에 의하여 차체에 가해지는 수직하중은 46.
특히, 경량화와 유지비용절감에 대한 요구조건은 철도 차량에 새로운 재료의 적용 및 모듈화 설계기법을 도입시켰다. 한국형 고속틸팅열차의 차체 재료로는 경량화 측면과 제작기술 측면에서 유리한 알루미늄 차체, 제작비용 절감 및 기간 단축을 얻을 수 있고 알루미늄 차체에 비해 경량화 측면에서 유리한 신소재 복합재 차체 그리고 경량화 효과를 조금 줄이면서 구조적 안전성과 모듈화 설계가 가능한 하이 브리드 차체(hybrid carbody)의 3가지 종류를 기본설계 단계에서 선정하였으며, 각각 기본 골격(base ffame)의 두께는 2.8mm의 경우와 3.0mm인 경우를 고려하였다. 여기서, 기본골격의 두께는 그림 2와 같이 차체를 구성하고 있는 골격 단면(fiame section)의 기본적인 차체 쉘 두께(basic thickness of carbody shell)를 의미한다.
해석에 사용된 재료는 알루미늄 차체의 경우 중공 압출재 알루미늄(Al 6005A-T6), 복합재 차체의 경우 HFG CU-125NS 그라파이트/에폭시 적층구조(laminate structure)를 적용하였다. 또한 하이브리드 차체의 경우 언더프레임과 티-슬롯 (T-slot)은 중공압출재 알루미늄(Al 6005A-T6)을 적용하고 복합재 구조물(지붕, 사이드프레임, 엔드프레임 등)은 HFG CU-125NS 그라파이트/에폭시 적층구조를 적용하였다.
해석에서 사용된 복합재 적층판 물성은 Table 4의 일방향 물성 시험결과를 토대로 이론적인 적층공학상수 (laminate engineering constants)[6]를 사용하였으며, Table 5는 계산에 의해 얻어진 HFG CU-125NS 그라파이트/에폭시 복합재 적층판의 적층공학상수와 알루미늄 6005A-T6의 물성을 나타내고 있다.

데이터처리

) 로 차체 부위별 두께에 따라 조절된다. HFG CU-125NS 그 라파이트/에폭시 복합재료의 일방향 물성은 Table 4에서 보듯이 ASTM 규정에 따라 구하였으며 시편은 각각의 시험당 6개를 사용하여 평균값을 취하였다.

이론/모형

따라서, 층간 접 근방법(ply by ply approach) 또는 전체 적층판 접근방법 (total laminate approach)을 사용하여 평가해야 한다. 본 연구에서는 전체 적층판 접근방법인 Puppo-Evensen 파손기준 식[기과 Guess-Gerstle 파손기준식 [8]을 이용하여 복합재 차 체 구조물의 파손을 평가하였는데 Puppo-Evensen과 Guess- Gerstle 파손기준식은 복합재 적층 구조물에 대한 빠른 설계 검증에 주로 사용된다고 알려져 있다[9].
복합재 구조물의 경우 차체의 파손 평가는 JIS 규정에는 명시되어 있지 않기 때문에 적절한 파 손기준식(failure criterion)을 사용하여 판단해야 한다. 본 연구에서는 집적 적층판 접근방법 (direct laminate approach) 을 사용하여 복합재 차체 구조물의 파손유무를 평가하였다.

성능/효과

(1) 알루미늄 차체의 경우 수직하중 및 비틀림 모멘트시 차 체의 최대응력과 언더프레임의 최대처짐 모두 허용기준보다 낮게 계산되어 구조적인 안전성을 확보할 수 있었으나, 고려된 차체 구조 중 무게가 가장 크게 계산되었다.
(2) 복합재 차체의 경우 알루미늄 차체에 비해 약 40% 정도의 경량화 효과를 기대할 수 있으나 수직하중시 언더프 레임의 처짐량이 허용기준을 초과하여 구조적인 안전성을 확보하기 어려웠다. 따라서, 복합재 차체를 제작할 경우 설계요구조건을 만족시키기 위해서는 고강성 복합 재사용 또는 언더프레임의 강성보강 설계가 요구된다.
(3) 하이브리드 차체의 경우 언더프레임은 알루미늄을 적용하고 나머지 차체 구조물은 적층 복합재를 적용했을 때 약 20%의 차체 경량화 효과를 가져오며, 수직하중 및 비틀림 모멘트시 차체의 응력 및 언더프레임의 처짐량 에 대해 구조적인 안전성을 확보할 수 있었다.
(4) 알루미늄과 신소재 복합재를 적용한 하이브리드 차체 개발은 한국형 고속틸팅 열차의 차체 경량화와 구조안전 성 측면을 고려할 때 최적의 차체 구조임을 확인하였다. 따라서, 향후 언더프레임의 재질변경 및 강성보강 설계, 충돌안정성 등의 동적 거동을 고려한 차체 설계기술, 금속재와 복합재간의 접합부 설계 기술 그리고 하이브리드 차체의 제작기술에 대한 심도 깊은 연구가 요구된다.
Table 10은 알루미늄 차체, 복합재 차체 그리고 하이브리드 차체의 구조해석 결과를 종합적으로 비교한 것이다. 결과에서 보듯이 차체에서 발생하는 최대응력은 6가지 차체 구조 모두 구조적인 안전성을 확보할 수 있었으나, 복합재 차체(case 3 & 4)와 하이브리드 차체(case 5)의 경우 수직하 중시 발생하는 언더프레임의 처짐량이 허용기준을 초과하였다.
따라서, 복합재 차체를 제작할 경우 설계요구조건을 만족시키기 위해서는 고강성 복합 재사용 또는 언더프레임의 강성보강 설계가 요구된다. 또한, 복합재 차체에서 발생되는 응력은 집적 적층판 접 근방법을 사용하여 파손유무를 판단하였으며 그 결과 매우 안전한 것으로 확인되었다.
수직하중시 발생되는 언더프레임의 최대처짐은 모두 허용 기준(15.97mm)보다 작게 계산되어 구조적인 안전성을 확보할 수 있었으며 알루미늄 차체의 무게는 case 1은 약 7.54 ton이며, case 2는 약 7.88 ton으로 계산되었다.
한국형 고속틸팅열차의 차체는 주요 전장품이 모두 하부 구조에 취부되므로 언더프레임은 매우 중요한 부위이다. 이에 해석결과를 바탕으로 차량의 하부구조 안전성을 보장하면서 차체의 경량화를 추구할 수 있는 차체구조는 하이브리드 방식(case 6, tbf=3.0mm)임이 확인되었다. 그림 8은 해석 결과를 바탕으로 결정된 한국형 고속틸팅열차의 제작 개념도를 나타내고 있으며, 그림 9는 CATIA V5를 활용한 3차원 기본설계를 바탕으로 제작된 한국형 고속틸팅열차의 축소 모형을 보여주고 있다.
그림 7은 수직하중시 재료 변화에 따른 언더프레임의 처 짐을 도식적으로 나타낸 것으로, 알루미늄 차체, 하이브리드 차체 그리고 복합재 차체 순으로 처짐 량이 커짐을 알 수 있다. 차체의 무게는 알루미늄 차체를 기준으로 비교할 때 복 합재 차체의 경우 약 40%의 무게 절감이 예상되며, 하이브 리드 차체의 경우 약 20%의 무게 절감이 예상되었다.
11mm로 허용기준보다 작게 계산되었다. 하 이브리드 차체는 알루미늄 차체에 비해 약 20%정도의 차체 경량화 효과를 가져올 수 있을 것으로 예상되었다.
하이브리드 차체의 경우 알루미늄 언더프레임의 최대응 력은 case 5와 case 6 모두 알루미늄의 항복응력보다 1/3 정도로 작게 계산되어 구조적인 안전성을 확인할 수 있었으며, 복합재 구조물에 대한 구조적인 안전성 검증은 Puppo-Evensen 파손기준식과 Guess-Gerstle의 파손기준식을 적용하여 평가 한 결과 그림 5와 유사한 결과를 보여 구조적으로 매우 안전 하다는 것을 확인하였다.

후속연구

볼트 체결과 접착제 체결방법을 동시에 사용하면 국부응력 의 발생이 최소화되고 피로특성이 좋은 것으로 알려져 있다. [10], 또한, 구조해석결과 하이브리드 차체의 언더프레임 처 짐량이 허용기준에 근접하여 언더프레임에 대해 재질변경 또는 강성보강 설계가 요구되며 향후 하이브리드 차체에 대한 자연환경 인자의 영향을 고려한 내구성 평가와 하니컴 하이브리드 차체에 대한 연구, 복합재와 금속재간의 접합기 술 연구 등을 지속적으로 수행할 예정이다.
그림 8에서 보듯이 하이브리드 차체의 언더프레임은 금속 재로 제작할 예정이며, 나머지 차체 구조물(지붕, 사이드프 레임, 엔드프레임)은 신소재 복합소재를 적용하여 제작할 예정이다. 각각의 구조물들은 모듈화 설계기법이 도입될 것이고 볼트 체결(1차 접합)과 접착제를 이용한 체결(2차 접 합)방법을 동시에 사용하여 구조물들을 조립할 예정이다. 볼트 체결과 접착제 체결방법을 동시에 사용하면 국부응력 의 발생이 최소화되고 피로특성이 좋은 것으로 알려져 있다.
(4) 알루미늄과 신소재 복합재를 적용한 하이브리드 차체 개발은 한국형 고속틸팅 열차의 차체 경량화와 구조안전 성 측면을 고려할 때 최적의 차체 구조임을 확인하였다. 따라서, 향후 언더프레임의 재질변경 및 강성보강 설계, 충돌안정성 등의 동적 거동을 고려한 차체 설계기술, 금속재와 복합재간의 접합부 설계 기술 그리고 하이브리드 차체의 제작기술에 대한 심도 깊은 연구가 요구된다.

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설계요구조건 검증을 통한 한국형 고속 틸팅열차(TTX)의 차체 재료 선정에 관한 연구
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