[논문]복합재 철도차량 차체 고유진동수에 대한 해석 및 시험적 연구

정종철; 조세현; 서승일; 김정석

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.4.473

복합재 철도차량 차체 고유진동수에 대한 해석 및 시험적 연구
Analytical and Experimental Studies on the Natural Frequency of a Composite Train Carbody 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.4 = no.247, 2006년, pp.473 - 480

정종철 ((주)한국화이바 철도차량사업부) , 조세현 ((주)한국화이바 철도차량사업부) , 서승일 (한국철도기술연구원 기존철도기술개발사업단) , 김정석 (한국철도기술연구원 기존철도기술개발사업단)

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This paper explains analytical and experimental studies to evaluate the natural frequency of a composite carbody of Korean tilting train. The composite carbody with length of 23m was manufactured as a sandwich structure composed of 40mm-thick aluminium honeycomb core and 5mm-thick woven fabric carbon/epoxy face. From the finite element analysis, the 1st bending and 1st twisting natural frequency of the composite carbody were 11.67Hz and 14.4Hz, respectively. In order to verify the analytical results, the natural frequency measuring tests were performed. The measured 1st bending and twisting natural frequencies of the composite carbody were 10.25Hz and 11.0Hz, respectively. Both of these results satisfied the design requirement.

주제어

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문제 정의

철도차량의 경우 경량화에 의한 강성 저하는 레일에 의해 유발되는 저주파 진동과의 공진 문제 때문에 반드시회피설계를 해야 한다. 따라서, 본 연구에서는 틸팅 열차용 복합재적용 차체의 고유진동수를 해석 및 시험적 기법을 이용하여 평가하였다.
7(b)와 같이 비틀림 프레임의 한쪽에 부하를 가하고 순간적으로 부하를 제거하여 구조체에 자유진동을 일으키는 방법 또는 강제가진기를 사용하는 방법중 하나로 한다. 본 연구에서는 JIS E 7105에 근거하여 차체중앙부 아래에 부하를 가하고 순간적으로 부하를 제거하여 차체에 자유진동을 발생시키는 방법으로 고유진동수를 측정하였다.

제안 방법

(2) 해석을 통해 얻어진 복합재차체의 진동 특성을 검증하기 위해 차체에 해당 진동모드를 유발하도록 변형을 가한 후 변형을 순간적으로 제거하여 차체의 자유진동을 발생하도록 장치를 고안하였다.
11은 비틀림 고유진동수 측정시험의 시험구성을 나타낸 것이다. 굽힘 고유진동 수 측정시험 시 차체가 4점 지지된 것과 달리 비틀림 고유진동수 측정 시험 시에는 3점 지지조건으로 시험을 수행하였다. 3점 지지조건은 Fig.
9 와 같이 차체 언드프레임에 원공이 존재하는 판을 용접하여 후크 역할을 하도록 하였다. 또한이 판의원공에 원통형 상의 봉을 유압실린더로삽입하여 체결하고, 봉을 후퇴시켜 체결을 해제하도록 하였다.
8은 본 연구에서 1차 굽힘 고유진동수를측정하기 위한 시험장비 구성 및 절차를 나타낸것이다. 시험을 위한 차체의 지지조건은 Fig. 8과같이 측 출입문부에 위치한 바디 볼스타의 공기스프링 설치부에 U 및 V형 블록을 이용하여 원형로울러 상하부에 설치하여 차체의 길이 방향과 길이에 수직 방향으로의 직선 변위를 구속하고 회전 변위는 허용하도록 하였다. 측 출입문 반대편 지지대의 경우에는 평평한 블록을 원형로울러 상하부에 설치하여 차체의 길이 방향으로 변위를 허용하도록 하였다.
3은 유한요소 해석을 위한 차체의 모델을나타낸 것이다. 유한요소해석시 복합재 차체부분은 2차원 쉘 요소(shell element)를 적용하였고, 창문사이의 내부 프레임들은 빔 요소(beam element) 를 적용하였다. 그리고 언드프레임의 보강빔 역시 빔 요소로 모델링하였다.
이상의 유한 요소해석을 통해서 얻어진 복합재적용 철도차량 차체의 진동특성을 시험을 통해규명하였다. 복합재차체의 고유진동수 측정시험은 JIS(Japanese Industrial Standard) E7105® 에 근거하여 수행하였다.

대상 데이터

2와 같이 보강과구성품들의 설치를 편리하게 하기 위해 연강(mild steel)으로 제작된 내부프레임(inner frame)0] 삽입되어 복합재 차체 부분과 동시성형(co-cured)된다. 본 연구에서 제작되는 복합재철도차량 차체는길이가 30m이고 직경이 5m인 대형 오토클레이브를 이용하여 성형하였다. Table 1은 직조된 CF1263 탄소/에폭시의 기계적 물성치를 나타낸것이다.
조립된다. 본 차량의 언드프레임은 하중을 감당하는 정도에 따라 Table 2와 같은 다양한 스테인리스 강으로 제작된 용접구조물이다.
1에서 알 수 있듯이 한국형 틸팅 열차의 차체는 직조된 CF1263 탄소/에폭시 면재(woven fabric Carbon/Epoxy fhce)와 알루미늄 허니콤 심재 (aluminum honeycomb core)로 구성된 샌드위치 구조로 되어 있다. 차체의 외부스킨(outer skin)은 3.5mm, 내부스킨(inner skin)은 1.5mm의 두께를 가지며 40mm 두께의 알루미늄 허니콤이 적용되었다. 또한, 차체 측벽의 창문 부위와 지붕 구조의 에어콘 설치 부분은 하중이 집중되는 부분이다.
해석은 유한요소전용 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하였고, 해석에 적용된 요소(element)는 S4R 쉘 요소와 B31 빔 요소이다. 해석에 적용된 요소 수는 37249개이고 절점수는 32955개이다.

데이터처리

그리고 언드프레임의 보강빔 역시 빔 요소로 모델링하였다. 해석은 유한요소전용 해석프로그램인 ABAQUS를 이용하였고, 해석에 적용된 요소(element)는 S4R 쉘 요소와 B31 빔 요소이다. 해석에 적용된 요소 수는 37249개이고 절점수는 32955개이다.

이론/모형

복합재차체의 고유진동수 측정시험은 JIS(Japanese Industrial Standard) E7105® 에 근거하여 수행하였다. JIS E7105에서는 Fig.

성능/효과

(1) 유한요소 해석을 통한 복합재철도차량 차체의 고유치 해석에서 1차 굽 힘 고유진동수는 약 11.67Hz이고 1차 비틀림 고유진동수는 약 14.4Hz 였다.
(3) 고유진동수 측정시험에서 얻어진 1차 굽힘 고유진동수와 1차 비틀림 고유진동수는 각각 약 10.25Hz와 11.0Hz였다. 해석 결과와는 굽힘 고유진동수의 경우에는 약 12.
(4) 해석과 시험을 통해서 얻어진 복합재 차체의 1차 굽 힘 고유진동수는 각각 11.67Hz 와 10.25Hz로 설계요구 조건인 10Hz 이상 조건은 만족하였다. 따라서 궤도에서 유발되는 저주파 진동에 대한 회피설계가 되었음을 알 수 있었다.
이러한 이유에서 일반적으로 철도차량 차체의 설계 시 차체의 1차 굽힘 진동수(first bending mode)는 10Hz 이상이 되도록 설계한다.(淄 따라서, 유한 요소해석으로 통해 본 연구에서 개발 중인 복합재적용 차체는 공진회피설계가되었음을 알 수 있었다.
25Hz로 설계요구 조건인 10Hz 이상 조건은 만족하였다. 따라서 궤도에서 유발되는 저주파 진동에 대한 회피설계가 되었음을 알 수 있었다.
이상의 시험을 통해서 얻어진 복합재 차체의 1차 굽힘고 유진동수는 10.25Hz로 설계요구 조건인 10Hz이상 조건을 만족하고 있었다.
0Hz였다. 해석 결과와는 굽힘 고유진동수의 경우에는 약 12.2%의 오차를 보였고 비틀림 고유진동수의 경우에는 약 23.6%의 오차를 보였다.

참고문헌 (11)

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Chung J. D., Kim J. K., Pyun J. S., Kim W. K. and Hong Y. K., 'On Study the Safety Assessment of Accident Electric Multiple Unit,' Proceedings of the 2004 Autumn Conference & Annual Meeting of Korean Society of Precision Engineering, 2004, pp. 1105-1108
Lee Y. S., Kim J. H., Lee H. C., Kil K. N. and Park B. J., 'A Study the Application of 3D Sandwich Composite Structures to the Double-deck Light Train Carbody,' Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 3, No. 2, 2000, pp. 92-99

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Belingardi G., Cavtorta M. P. and Duella R., 'Material Characterization of a Composite-Foam Sandwich for the Front Structure of a High Speed Train,' Composite Structures, Vol. 61, 2003, pp. 13-25

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Shin K. B. and Han S. H., 'Evaluation of Static Stability of Hybrid Carbody Structures of Korean Tilting Train eXpress Including Degradation Effects of Composite Materials under Ground Environments,' Transactions of the KSME A, Vol. 28, No. 6, 2004, pp. 807-815

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Wennhage P., Structural-Acoustic Optimization Sandwich Panels, Royal Institute of Technology, 2001
Japanese Industrial Standard (JIS) E 7105, Test Methods for Static Load of Body Structures of Railway Rolling Stock, 1994

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