Maglev vehicles, which are levitated and propelled by electromagnets, often run on elevated flexible guideways comprised of steel, aluminum and concrete. Therefore, an analysis of the dynamic interaction between the Maglev vehicle and the flexible guideway is needed in the design of the critical spe...
Maglev vehicles, which are levitated and propelled by electromagnets, often run on elevated flexible guideways comprised of steel, aluminum and concrete. Therefore, an analysis of the dynamic interaction between the Maglev vehicle and the flexible guideway is needed in the design of the critical speed, ride, controller design and weight reduction of the vehicle. This study introduces a dynamic interaction simulation technique that applies structural dynamics. Because the proposed method uses detailed 3D FE models, it is useful to analyze the deformation of the elevated flexible guideway, the dynamic stress, and the motion of the vehicle. By applying the proposed method to an urban transit Maglev vehicle, UTM01, the dynamic response is simulated and validated. From the result of the study, we concluded that the simulation of dynamic interaction between the Maglev vehicle and the flexible guideway is possible and a potential of using computational mechanics.
Maglev vehicles, which are levitated and propelled by electromagnets, often run on elevated flexible guideways comprised of steel, aluminum and concrete. Therefore, an analysis of the dynamic interaction between the Maglev vehicle and the flexible guideway is needed in the design of the critical speed, ride, controller design and weight reduction of the vehicle. This study introduces a dynamic interaction simulation technique that applies structural dynamics. Because the proposed method uses detailed 3D FE models, it is useful to analyze the deformation of the elevated flexible guideway, the dynamic stress, and the motion of the vehicle. By applying the proposed method to an urban transit Maglev vehicle, UTM01, the dynamic response is simulated and validated. From the result of the study, we concluded that the simulation of dynamic interaction between the Maglev vehicle and the flexible guideway is possible and a potential of using computational mechanics.
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문제 정의
본 논문에서는 3D FEM을 적용한 자기부상열차의 주행 시뮬레이션 기법을 제안하였다. 제안된 기법을 도시형 자기 부상열차 UTM-01에 적용하였다.
본 논문은 보다 실제적인 3D FE(유한요소) 모델을 이용한 자기부상열차의 주행 시뮬레이션 방법을 제안하고자 한다. 고가궤도와 차량은 단순화를 최소화 한 상세한 FE 모델로 표현된다.
가설 설정
3에서 보여주는 것 같이 전자석, 사이드 프레임, 타이 빔, 견인바 그리고 현가 요소인 공기 스프링, 감쇠기, 견인 바를 연결하는 고무로 구성된다. 현가 요소의 강성과 감쇠는 일반적으로 비선형이지만 본 논문에서는 선형으로 가정한다. 그런 후 현가요소는 선형 스프링-댐퍼를 표현하는 LS-DYNA의 DISCRETE 요소로 모델한다.
제안 방법
2장에서 제안한 방법으로 자기부상열차 UTM-01의 주행 시뮬레이션을 수행하였다. Fig.
현가 요소의 강성과 감쇠는 일반적으로 비선형이지만 본 논문에서는 선형으로 가정한다. 그런 후 현가요소는 선형 스프링-댐퍼를 표현하는 LS-DYNA의 DISCRETE 요소로 모델한다. Fig.
12은 동일 위치에서의 실차 주행 중 측정된 변위를 보여주고 있는데 약 5mm로 해석에 의한 결과보다 약간 큰 것을 알 수 있으나 그 차이가 10%로 시뮬레이 션과 실험이 유사함을 알 수 있다. 다음으로 주행 속도를 증가시키면서 주행 안정성을 검토하였다.
주행안정성을 평가하기 위하여 30km/h~ 130km/h까지 20km/h 씩 증가시켰다. Fig.
대상 데이터
본 논문에서 대상으로 하는 자기부상열차 UTM-01의 차체 형상은 Fig. 1에서와 같다. 차체의 구조는 전형적인 철도차량 차체의 구조와 유사하다.
9는 고가 궤도의 경계조건과 시뮬레이션 구간을 보여주고 있다. 시뮬 레이션 관심 구간은 2경간으로 길이는 40m이다. 그러나 Fig.
2는 차체 및 대차의 유한요소 모델을 보여주고 있다. 차체와 대차는 23,778 개의 요소 구성되어 있다.
이론/모형
식 (3)에 포함된 강성 k와 감쇠 d의 추정은 참고문헌 [7]과 같이 제어기가 포함된 모델을 이용한 시뮬레이션 결과를 이용하여 이루어진다. 본 논문에서는 자기부상력을 모델하기 위하여 LS-DYNA의 CONTACT 요소를 이용한다. 가이드웨이를 MASTER로, 대차를 SLAVE로 정의한다.
본 논문에서는 3D FEM을 적용한 자기부상열차의 주행 시뮬레이션 기법을 제안하였다. 제안된 기법을 도시형 자기 부상열차 UTM-01에 적용하였다. 제안된 방법은 고가궤도와 차량을 상세한 3D FE 모델을 이용하기 때문에 차량과 고가궤도의 상세한 거동뿐만이 아니라 동하중도 검토할 수 있는 장점이 있다.
고가궤도와 차량은 단순화를 최소화 한 상세한 FE 모델로 표현된다. 제안된 방법을 이용한 모델링 및 시뮬레이션은 구조동역학 해석 프로그램 LS-DYNA에 의하여 수행된다. 시뮬레이션을 통하여 주행안정성 및 궤도의 처짐 등이 검토된다.
성능/효과
시뮬레이션을 통하여 주행안정성 및 궤도의 처짐 등이 검토된다. 그 결과, 제안한 방법을 자기부상열차의 주행 시뮬레이션에 적용할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 연구결과를 통하여 개선 사항이 논의 된다.
제안된 기법을 도시형 자기 부상열차 UTM-01에 적용하였다. 제안된 방법은 고가궤도와 차량을 상세한 3D FE 모델을 이용하기 때문에 차량과 고가궤도의 상세한 거동뿐만이 아니라 동하중도 검토할 수 있는 장점이 있다. 이러한 결과는 자기부상열차의 차량 및 고가궤도의 설계에 적용가능하리라 기대된다.
15는 자기부상열차의 주행으로 인한 동하중이 고가궤도에 미치는 응력을 보여주고 있다. 해석 결과, 고가궤도가 속도 130km/h 까지는 궤도 연결부에서 최대 lOOMPa로 나 타나며, 그 이외 나머지 부분에서는 이보다 매우 작은 응력 분포를 보임에 따라 구조강도상 안전한 것으로 판단된다. 이와 같이 상세한 3D FE 모델을 적용하면 시스템의 변위, 속도 가속도 및 동응력을 평가할 수 있는 장점이 있다.
후속연구
제안된 방법은 고가궤도와 차량을 상세한 3D FE 모델을 이용하기 때문에 차량과 고가궤도의 상세한 거동뿐만이 아니라 동하중도 검토할 수 있는 장점이 있다. 이러한 결과는 자기부상열차의 차량 및 고가궤도의 설계에 적용가능하리라 기대된다. 그러나 시뮬레이션 결과의 신뢰성을 향상시키기 위해서는 자기부상력의 상세 모델링과 현가 요소의 비선형성 고려 및 계산 시간의 단축이 요구된다.
6 에서와 같이 본 논문에서는 CONTACT 요소에서의 침투량 δ, 속도 #를 측정한 후 식 (3)의 c, #을 δ과 #으로 대치하여 자기부상력을 계산한다. 향후 구조동역학을 적용함에 있어서 자기부상력에 대한 사실적 모델링 기법에 대한 보완이 요구된다.
참고문헌 (7)
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Cai, Y., Chen, S.S., Rote, D.M. and Coffey, K.T. (1994), 'Vehicle/Guideway Interaction for High Speed Vehicle on a Flexible Guideway', Journal of Sound and Vibration, Vol.175, No.5, pp.625-646
Tzeng Y.K. and Wang, T.C. (1995), 'Dynamic Analysis of the Maglev System Using Controlled-PM Electromagnets and Robust Zero-Power-Control Strategy', IEEE Transactions on Magnetics, Vol.31, No.6, pp.4211-4213
Seki A. and Osada, Y. (1996), 'Dynamics of the Bogie of a Maglev System with Guideway Irregularities', IEEE Transactions on Magnetics, Vol.32, No.5, pp.5043-5045
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Kim, J.S. and Park, J.S. (1992), 'Dynamic Performance Analysis for Secondary Suspension of Maglev Control Systems with a Combined Lift and Guidance', J. of Korea Society of Precision Engineering, Vol.9, No.1, pp.53-65
Han, H.S. (2003), 'A Study on the Dynamic Modeling of a Magnetic Levitation Vehicle', JSME International, Vol.46, No.4, pp.1497-1501
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