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문제 정의
- 본 연구는 철도차량의 경량화를 위해 국내에서 개발되는샌드위치 복합재 루프 구조물에 대한 최적의 구성 재료를선정하기 위함이다. 설계단계에서 고려된 재료들은 구조 및고유진동수 해석을 통해 비교 검토하여 시제품을 제작하는것을 목적으로 하고 있다.
- 위함이다. 설계단계에서 고려된 재료들은 구조 및고유진동수 해석을 통해 비교 검토하여 시제품을 제작하는것을 목적으로 하고 있다. 또한, 3차원 샌드위치 복합재 루프 구조물의 유한요소 해석 모델을 제시함으로서 상세 구조해석과정을 정립하였다.
- 본 논문에서는 국내에서 개발 중인 샌드위치 복합재 루프구조물의 경량화 및 구조 안전성을 확보할 수 있는 최적의재료를 선정하고자 샌드위치 구성재료에 따른 구조안전성을 평가하였으며, 결과를 바탕으로 실제 샌드위치 복합재루프 구조물을 제작하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 설계단계에서 고려된 재료들은 구조 및고유진동수 해석을 통해 비교 검토하여 시제품을 제작하는것을 목적으로 하고 있다. 또한, 3차원 샌드위치 복합재 루프 구조물의 유한요소 해석 모델을 제시함으로서 상세 구조해석과정을 정립하였다.
- 수행해야 한다. 따라서, 샌드위치 쉘 요소를 대신할 수 있는 3차원 모델링 기법을 도입하여 수행하였다. 표 2는 샌드위치 복합재 구조물에 대한 구성재료들의 기계적물성값을 나타낸다.
- 모델링에 대한 타당성을 검증하고자 사용된 요소는 표 3과같이 5가지의 경우를 고려하였으며, 질량과 강성을 모두 검증할 수 있는 고유진동수 해석을 통해 검증하였다. 고유진동수 해석은 자유경계조건에서 Block Lanczos 방법을 사용하였으며, 10개의 고유진동수를 축출하여 비교 검토하였다.
- 경우 2와 경우 3의 3차원 적층요소(layered solid element)는 샌드위치복합재가 갖는 굽힘과 전단에 대한 특성을 잘 모사하지 못해 적합하지 않음을 보이고 있다. 본 연구에서는 경우 5에비해 계산시간이 적은 경우 4를 선정하여 모델링을 수행하였다.
- 보강재와 중공 알루미늄 압출재 프레 임은 쉘 요소를 사용하여 모델링하였고, 샌드위치 복합재는 쉘 요소(스킨)와 솔리드 요소(코어)를 사용하여 모델링하였다. 샌드위치 복합재 루프 끝단과 중공 알루미늄 압출재 프레임과의 체결은접촉요소(contact element)를 사용하여 완전 접합 조건을 모사하였다.
- 요소(코어)를 사용하여 모델링하였다. 샌드위치 복합재 루프 끝단과 중공 알루미늄 압출재 프레임과의 체결은접촉요소(contact element)를 사용하여 완전 접합 조건을 모사하였다.
- 샌드위치 복합재 루프 구조물의 구성 재료들에 따른 고유진동수 해석에서 경계조건은 그림 6과 같이 중공 알루미늄압출재 프레임 끝단이 차체의 사이드 구조(side structure)와의 체결조건을 모사하기 위해 단순지지로 설정하였다. 고유진동수 해석결과는 표 5와 같다.
- 본 절에서는 샌드위치 복합재 루프 구조물에 대한 구조해석을 수행하여 에어컨 시스템의 무게와 자중을 고려한 처짐과 응력 해석을 도출하여 구조 안전성을 평가하였다. 유한요소 모델에서는 대칭이므로 1/4만 고려하였다.
- 선정되어졌다. 본 절에서는 구조안전성 검토를 통해 얻어진 결과를 이용하여 실제 샌드위치 복합재 루프 구조물을제작하였다.
- 샌드위치 복합재 루프 구조물에 대한 성형 공법은 다양하지만, 본 연구에서는 오토클레이브 성형 공법을 이용하여제작하였다. 오토클레이브 성형공법은 고강성 및 고강도의대형구조물을 일체형으로 제작할 수 있는 장점을 가지고 있는 우주항공용 복합재 구조물 제작에 많이 사용되는 공법이다.
- 온도는 성형 중에 발생할 수 있는 열변형을 최소화시키고접착력을 향상시키기 위해 적절한 온도 사이클을 설정해야한다. 본 연구에서는 총 16곳에서 온도를 측정하였으며, 온도가 60℃ 까지 내려오면 오토클레이브를 열고 상온까지 자연냉각 시킨 후 샌드위치 구조물을 오토클레이브에서 꺼내었다. 그림 12는 샌드위치 루프 구조물 제작을 위한 오토클레이브 성형 사이클(curing cycle)을 나타내고 있다.
대상 데이터
- 루프 구조물의 치수는 적용되는 차량마다 다르게 적용되겠지만, 본 연구에서는 경량 전철에 적용하기 위해 길이는 11.45m, 폭은 1.76m로 설계흐]였다. 주 구조물(main structure) 은 샌드위치 복합재로 구성되어 있으며, 샌드위치 구조물내부에 삽입된 보강재(inner stiffener)는 샌드위치 구조물의횡방향과 종방향 굽힘강성을 보강시키는 역할을 하고, 엣지보강재(edge stiffbner)는 샌드위치 구조물의 비틀림 깅성을증가시키는 역할을 하게 된다.
- ,anic corrosion)을방지하기 위함이다. 코어는 알루미늄 하니컴 코어와 우레탄폼 코어 (polyurethane foam core)를 선정하여 구조해석에 의한 평가를 통해 최적의 재료를 선택하게 된다.
- 3차원 모델링 도입에 대한 비교 검증을 위한 대상은 길이 11, 445mm, 폭 1, 435mm의 알루미늄 스킨과 알루미늄 하니컴 코어로 구성된 샌드위치 구조물이며, 단면의 치수와 재료 물성은 표 2를 기준으로 하였다.
- 샌드위치 복합재 루프 구조물에 대한 최적의 구성 재료를선정하기 위해 구조안전성 평가를 수행하여 스킨은 알루미늄, 코어는 알루미늄 하니컴 코어 그리고 알루미늄 보강재가 선정되어졌다. 본 절에서는 구조안전성 검토를 통해 얻어진 결과를 이용하여 실제 샌드위치 복합재 루프 구조물을제작하였다.
데이터처리
- 본 논문에서 샌드위치 복합재 루프 구조물의 구조안전성검증은 ANSYS V90을 사용하여 수행하였다. ANSYS에서샌드위치 복합재 구조물의 해석은 8-노드 샌드위치 쉘 요소를 사용하는 것을 기본으로 하고 있다.
이론/모형
- 고유진동수 해석은 자유경계조건에서 Block Lanczos 방법을 사용하였으며, 10개의 고유진동수를 축출하여 비교 검토하였다.
성능/효과
- 고유진동수 해석결과는 표 5와 같다. 결과에서 보듯이 10개의 고유진동수를 축출한 결과 모두 굽힘모드가 발생하였다.
- 고유진동수값은 경우 1(알루미늄 스킨/알루미늄 하니컴 코어 및 알루미늄 보강재)이 가장 큰 경향을 보였고 경우 4(알루미늄 스킨/ 우레탄 폼 코어 및 강재 보강재)가 가장 작은 경향을 보였다. 샌드위치 루프 구조물의 코어 및 보강재 재질에 따른 고유진동수 값은 설계 검증에는 사용되지 않지만 철도차량의 경우 차체의 굽힘 고유진동수가 일반적으로 10㎐ 이상이여야하는 제약조건이 있으므로 차체 구조물 전체에 대한 고유진동수가 설계 요구조건에 맞지 않을 경우 코어 및 보강재재질 변경 등으로 조절 가능할 수 있음을 결과에서 보여주고 있다. 또한, 차체의 고유진동수가 10Hz이상이기 위해서는 비교적 굽힘 고유진동수 값이 높은 경우 1이 유리할 것으로 사료된다.
- 결과에서 보듯이 우레탄 폼 코어를 사용한 경우 3과 경우 4의 처짐은 알루미늄 하니컴 코어를 사용한 경우에 비해 상대적으로 더 크게 발생하고 처짐 형상도 균일하지 않음을알 수 있다. 즉, 우레탄 폼 코어의 기계적 물성이 보강재에비해 월등히 떨어져 보강재 근처에서 처짐의 변화가 심하게일어나는 것이다.
- 샌드위치 복합재 루프 구조물의 구성 재료에 따른 구조안전성 평가 결과, 강도과 강성 측면에서 우레탄 폼 코어를사용한 경우에 비해 알루미늄 하니컴 코어를 사용한 경우가유리함을 알 수 있다. 또한, 알루미늄 하니컴 코어를 사용한경우에는 무게 측면을 고려하면 알루미늄 보강재를 사용한경우 1 이 강재 보강재를 사용한 경우 2에 비해 35%의 무게절감 효과를 얻을 수 있다.
- 구조와 알루미늄 보강재가 추천된다. 또한, 제작성측면에서도 우레탄 폼 코어를 사용하면, 알루미늄 스킨과의접착성 측면에서 불리한 것으로 확인되었다.
- (1) 샌드위치 복합재 루프 구조물의 구성재료들로 고려된 4 가지의 경우에 대한 구조 및 고유진동수 평가 결과, 알루미늄 스킨/알루미늄 하니컴 코어로 이루어진 샌드위치 복합재와 알루미늄 보강재가 최적의 루프 구조물 재료로 선정되었으며, 강재 보강재를 사용한 경우에 비해구조 안전성 측면에서는 비슷한 반면 35%의 무게 절감효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- (2) 우레탄 폼 코어를 사용한 경우 응력과 처짐이 보강재 근처에서 변화가 심하게 일어남을 확인하였으며, 제작성측면에서도 알루미늄 스킨과의 접착성에 문제가 있는것으로 확인하였다.
- (4) 철도차량 경량화를 위해 개발된 샌드위치 복합재 루프구조물은 모듈화 공법에 의해 제작되는 철도차량에 적용할 수 있으며 대량 생산 측면과 유지보수 측면에서 매우 유리하다고 사료된다.
후속연구
- 체결되는 구조를 갖는다. 향후 중공 알루미늄 압출재 프레임은 알루미늄 차체와 용접에 의해 체결되어진다.
- 샌드위치 복합재 루프 구조물의 거동만을 평가하고자 한다면 샌드위치 쉘 요소와 금속 보강재를 모사하기 위한 빔요소만을 가지고 해석을 수행할 수 있으나, 본 연구의 샌드위치 복합재 루프 구조물의 경우 양쪽 끝단에 접합된 중공알루미늄 압출재 프레임의 영향을 고려하기 위해서는 3차원모델링을 수행해야 한다. 따라서, 샌드위치 쉘 요소를 대신할 수 있는 3차원 모델링 기법을 도입하여 수행하였다.
- (3) 구조안전성 평가로 선정된 샌드위치 복합재 루프 구조물을 오토클레이브 공법에 의해 제작하였으며, 정밀 치수 검사, 스킨과 코어와의 층간분리 유무 검사 등을 확인한 결과 결함을 발견하지 못하였다.
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