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문제 정의
- 금속재로 차체를 제작하는 경우의 구조 강도는 주어진 하중 조건에서 구조해석을 통해 얻은 주응력 정보로부터 손쉽게 차량의 구조 안전성을 평가 할 수 있으나 복합재 차체의 경우 작용하중에 의한 파손 모드가 복잡하고 이에 따른 파손 기준식 역시 다양하게 존재하여 기존의 금속재 차량의 평가 규정에 의해서는 구조 안전성을 평가할 수 없다. 따라서 본 연구에서는 설계단계에서 선정된 재료들로 구성되는 샌드위치 복합재 초저상 버스의 구조 강성을 먼저 검토한 후 결과를 토대로 구조강도를 빠르고 정확하게 평가하는 방법을 제시하여 차량의 구조안전성을 검증하고자 한다.
- 초저상 버스 구조물에 적용되는 재료는 스테인리스강, 알루미늄과 같은 등방성 금속재 재료와 샌드위치 복합재 및 적층 복합재의 이 방성 재료가 동시에 사용되므로 이들 각각의 재료에 대한 파손 기준식들을 정립하여 초저상 버스 구조물에 대한 구조 강도 평가가 수행되어야 한다. 본 연구에서는 복합재 초저상 버스 구조물에 대한 구조 강도를 설계단계에서 제한된 정보만으로 쉽고 빠르고 정확하게 예측할 수 있는 파손기준식을 제시하여 파손평가를 수행하였다. 이때, 샌드위치 복합재의 경우 면재가 대부분의 외력을 지탱하므로 심재는 구조 강도 평가에서 고려하지 않았다.
가설 설정
- Table 8은 전체 적층판 접근방법에 의한 파손 기준식을 나타낸 것이다. Puppo-Evensen 파손기준식에서 적층판은 균질이면서 이방성이라 가정하고 있으며 직교이방성일 필요는 없으나 강도 X, Y 그리고 S 등을 시험을 통해 구해야 한다. 단, 상호작용계수(interaction factor) γ는 등방성재료인 경우 1, 직물같은 재료(fabriclike material)인 경우 0이 된다.
제안 방법
- 22) 본 논문에서는 ANSYS에서 기본적으로 제공하는 층간 접근방법 파손기준식이 아닌 전체 적층판 파손기준식인 Puppo-Evensen 파손기준식과 GuessGerstle 파손기준식을 서브루틴을 작성하여 파손 평가를 수행하여 상호 비교하였다.
- 3) 초저상 버스에 적용되는 복합재 구조물의 파손 예측은 전체 적층판 접근방법을 사용하여 설계 단계에서 평가하였다. 이 방법은 복합재에 대한 적층판 강도시험만을 수행하면 쉽고 빠르게 설계 검증 및 파손예측을 수행할 수 있음을 증명 하였고, 파손 평가 결과 파손지수가 1이하로 매우 안전함을 확인하였다.
- 구조해석은 범용 유한 요소 해석 프로그램인 ANSYS ver.10을 사용하였으며 선행연구에서 샌드위치 복합재에 대한 구조해석에는 SHELL91 요소를 사용한 2차원적인 모델링 방법과, 면재는 SHELL63, 심재는 SOLID45 요소를 함께 사용하는 3차원적인 모델링 방법으로 나누어 질수 있는 데, 설계단계에서 구조해석 검증은 모델링이 간단하고 자유도수를 줄이면서 3차원 모델링 기법과 거의 유사한 결과가 도출되는 2차원적인 모델링 방법을 선택하였다.12) 3차원적인 모델링 방법은 추후 충돌 및 전복 해석에 사용될 것이다.
- 따라서, 본 연구에서는 철도차량의 규정을 근거로 하여 구조 강성에 대한 설계 요구조건은 정적 수직 하중 하에서의 최대 처짐이 「조향축과 구동축 간의 길이 × 1/1000 (mm)」 이내의 값을 만족해야 한다고 설정하였고, 구조물에 대한 구조강도 요구 조건에 대해서는 복합재 구조물의 파손 평가에 적용되는 파손 기준식(failure criterion)들 중에 선별하여 제시하였다.
- 본 논문에서는 현재 연구 개발 중인 한국형 초저상 버스의 하이브리드 복합재 구조물의 재료와 치수를 매개변수로 하여 강성 및 강도평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 심한 곡률을 갖는 부위와 두께가 얇은 차체 외벽에 국한적으로 적용하게 될 적층 복합재는 샌드위치 복합재 면재와의 재료 일치성을 유지하기 위해 직물유리섬유/에폭시 복합재를 선택하였다.
- 6) 그러나 샌드위치 복합재는 심한 곡률(high curvature)을 가진 형상에 대해서는 두께 제한으로 인해 제작이 용이하지 않은 단점이 있어 한국형 초저상 버스에서는 곡면이 심한 부위와 상대적으로 얇게 제작이 되는 차체외벽에 대해서는 적층 복합재를 적용할 예정이다. 이때 적층 복합재의 재질은 샌드위치 복합재 면재와 같은 종류로 제작하여 재료의 연속성을 유지시켰다.
- 구조해석에서는 재료의 치수들을 설계변수로 설정하여 최적화해석(optimal analysis)을 수행하려했으나. 자유도 수가 많아 계산시간이 오래 걸리며 최적화 해석에 필요한 복합재 구조물의 파손 응력 한계치가 금속재와 달리 하나의 응력 값을 기준을 삼을 수 없는 관계로 경우 수를 선정하여 매개변수 해석(parametric analysis)을 수행하였다. Table 5에서 Case 1～4(A, B 그룹 모두)는 샌드위치 복합재 패널의 면재들이 서로 같은 두께를 가진 경우이며 Case 5～8(A, B 그룹 모두)은 외부 및 내부 면재의 두께가 서로 다른 경우이다.
- 초저상 버스 구조물에 대한 구조 강성 평가는 Table 5와 같이 16가지의 설계변수를 선정하여 수행하였으며, 결과를 토대로 초저상 버스 적용을 위한 최적의 재료와 치수를 선정하려 한다. 이때 설계변수를 선정된 치수들은 생산이 용이한 것을 고려하였다.
- 초저상 버스 구조물은 금속재 구조물과 샌드위치 복합재 및 적층 복합재로 구분되며 구조강성평가를 통해 무게대비 구조강성이 높은 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)에 대하여 적용된 재료에 대한 파손평가를 수행하였다.
- 하중조건은 Fig. 4와 같이 제작사에서 요구하는 하중 조건인 CNG 탱크의 무게와 승객하중(40명×70kg 기준)에 안전계수 1.5를 곱하여 적용하였으며 구속조건은 Fig. 5와 같이 전방 축 프레임 지지부와 후방 축 프레임 지지부에 완전구속조건을 설정하였다.
대상 데이터
- 선정된 재료들에 대한 기계적 물성은 Table 2에 나타냈다. WR580/NF4000 직물유리섬유/에폭시 복합재의 물성은 인장, 압축, 전단시험을 통해 직접 구하였고, 알루미늄 허니콤 코어와 발사 코어의 물성은 제작사의 제공 데이터와 참고문헌을 참조하였다.10,11)
- 차체 적용 샌드위치 복합재 패널의 면재는 차량의 경량화, 곡선부위에서의 제작성 및 충격 특성 등을 고려하여 직물유리섬유/에폭시 적층 복합재(glass fabric/epoxy laminate, GE) 면재를 선택하였고, 심재는 지상구조물에 가장 널리 사용되는 알루미늄 허니콤 코어(AH) 또는 발사 코어(BA)를 고려하였다. 반면, 바닥재 적용 샌드위치 패널의 면재는 곡선 부위가 거의 없는 2차 부재이므로 알루미늄 면재(AL)를 선택하였고 심재로는 알루미늄 허니콤 코어(AH)를 고려하였다.
- 샌드위치 복합재 패널과 적층 복합재는 SHELL91 요소, 금속재판은 SHELL93 요소 그리고 보강재는 Timoshenko보 이론을 기반으로 하는 BEAM188 요소로 모델링 하였다. 보강재의 높이와 폭은 샌드위치 복합재 패널의 심재의 두께와 동일한 치수로 선정하였고, 두께는 Table 4와 같이 차체는 2.0mm, 바닥재는 3.0mm로 선정하였다.
- 전체 적층판 접근방법 파손 기준식을 이용하여 복합재 차체 구조물의 파손 평가를 위해서는 적층판에 대한 강도 값을 시험하여 기본적인 데이터로 확보해야 한다. 본 연구에서는 적층판의 강도 측정을 위해 WR580/NF4000 직물유리섬유/에폭시 적층판을 오토클레이브 성형 후 시편을 제작하였다. 시편개수는 시험 당6개였고 사용된 적층 복합재 시편은 직조형태로 두께는 3mm이다.
- 2와 같이 전처리 프로그램인 Hypermesh를 이용하여 생성하였다. 샌드위치 복합재 패널과 적층 복합재는 SHELL91 요소, 금속재판은 SHELL93 요소 그리고 보강재는 Timoshenko보 이론을 기반으로 하는 BEAM188 요소로 모델링 하였다. 보강재의 높이와 폭은 샌드위치 복합재 패널의 심재의 두께와 동일한 치수로 선정하였고, 두께는 Table 4와 같이 차체는 2.
- 본 연구에서는 적층판의 강도 측정을 위해 WR580/NF4000 직물유리섬유/에폭시 적층판을 오토클레이브 성형 후 시편을 제작하였다. 시편개수는 시험 당6개였고 사용된 적층 복합재 시편은 직조형태로 두께는 3mm이다. 적층판의 두께를 3mm로 제작하여 강도를 측정한 이유는 복합재 차체의 가장 높은 응력이 발생하는 부위의 기본골조의 두께가 3mm로 설계되었기 때문이다.
- 차체 적용 샌드위치 복합재 패널의 면재는 차량의 경량화, 곡선부위에서의 제작성 및 충격 특성 등을 고려하여 직물유리섬유/에폭시 적층 복합재(glass fabric/epoxy laminate, GE) 면재를 선택하였고, 심재는 지상구조물에 가장 널리 사용되는 알루미늄 허니콤 코어(AH) 또는 발사 코어(BA)를 고려하였다. 반면, 바닥재 적용 샌드위치 패널의 면재는 곡선 부위가 거의 없는 2차 부재이므로 알루미늄 면재(AL)를 선택하였고 심재로는 알루미늄 허니콤 코어(AH)를 고려하였다.
- 한국형 초저상 버스는 교통약자에 대한 대중교통 시스템의 이용 증진 방침으로 저상버스로 제작 되며, 버스 승강장과 차체 바닥의 높이가 동일하게 설계되었다. 총 길이 11m, 폭 2.5m, 높이 3.4m의 치수를 가지고, 주행면과 차체 바닥과의 높이는 340mm로 선정하였다.9)
- 한국형 초저상 버스 구조물은 차체와 바닥재로 구성되어 있으며, 차체는 샌드위치 복합재 패널과 적층 복합재로 구성되고 보강재는 금속재를 고려하였다. 또한 바닥재는 샌드위치 복합재 패널과 금속 보강재로 구성된다.
이론/모형
- 유한요소모델은 Fig. 2와 같이 전처리 프로그램인 Hypermesh를 이용하여 생성하였다. 샌드위치 복합재 패널과 적층 복합재는 SHELL91 요소, 금속재판은 SHELL93 요소 그리고 보강재는 Timoshenko보 이론을 기반으로 하는 BEAM188 요소로 모델링 하였다.
- 초저상 버스 구조물에 대해 금속재로 적용되는 보강재와 금속재 패널의 파손 평가는 Von Mises-Hencky 파손기준식을 적용하였다.
성능/효과
- 1) 하이브리드 복합재 구조물에 대한 구조강성평가를 수행한 결과 구조강성이 우수한 경우는 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)가 우수한 굽힘 특성을 나타내었다. 또한 샌드위치 복합재의 외부 및 내부 면재의 두께가 같은 경우와 같지 않은 경우 구조안전성 측면에서는 크게 차이가 나지 않으며 샌드위치 복합재의 코어 재료가 알루미늄 허니콤과 발사인 경우도 구조강성 측면에서는 큰 차이를 보이지 않으나 무게대비 굽힘 강성은 평가결과 알루미늄 허니콤으로 구성된 경우 가장 높은 구조 안전성을 가지는 것으로 확인되었으나 발사인 경우도 높은 구조 안전성을 나타냄을 확인하였다.
- 2) 초저상 버스 구조물에 적용되는 금속재 보강재 및 패널에 대한 구조 강성 요구조건을 만족하는 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)에 대해 Von MisesHencky 파손기준식에 의한 구조강도평가 결과 구조안전성을 확보한 것으로 확인되었다.
- Table 6은 구조 강성 평가에서 구조 강성 요구조건을 만족하는 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)에 대해 차체와 바닥재를 구성하는 금속재 보강재 및 패널에 대한 강도평가 결과를 종합적으로 나타난 것으로, Von-Mises 응력 값들은 모두 항복 강도 내에 존재하여 기본 설계단계의 금속재 구조물에 대한 구조강성 및 강도안전성을 모두 확보한 것으로 확인되었다. Fig.
- 6에서 차체 중량은 알루미늄 허니콤 코어를 적용한 샌드위치 복합재(GE/AH)로 구성된 A 그룹이 발사 코어를 적용한 샌드위치 복합재(GE/BA)의 B 그룹에 비해 작다는 것을 확인할 수 있는 데, 이는 발사 코어의 비중이 허니콤 코어에 비해 높기 때문이다. 구조 강성은 CASE 3, 4와 7, 8(A, B 그룹 모두) 이 요구조건을 만족시키는 것으로 확인되었다. 요구조건을 만족시키지 못하는 경우는 상대적으로 작은 두께를 갖는 재료들로 구성되어 구조 강성이 약한 것으로 판단된다.
- CASE 1, 3, 4, 7 그리고 8(A, B 그룹 모두)이 구조 강성 요구조건을 모두 만족시키지만, 초저상 버스의 재료 선정에 있어서 가장 중요한 인자는 무게 대비 구조 성능이다. 따라서, 무게 대비 구조 강성 결과를 재료 구성에 따라 정리하면 Fig. 7에서 볼 수 있듯이 허니콤 코어 적용 샌드위치 복합재(GE/AH)로 구성되는 A 그룹의 CASE 3과 7이 다른 재료 구성들에 비해 가장 우수한 것으로 확인되었으며, 발사 코어 적용 샌드위치 복합재(GE/BA)로 구성되는 B 그룹 역시 CASE 3과 7이 우수한 것으로 확인되었다. 또한 외부 면재와 내부 면재의 두께가 같은 경우와 같지 않은 경우 구조강성은 큰 차이를 나타내지 않았는데 이는 샌드위치 복합재 패널 단면의 중립면을 기준으로 수직 하중시의 외부 면재는 압축하중을 내부 면재는 인장하중을 받게 되어 면재 두께의 대칭 및 비대칭에 무관하게 상호 보완 작용으로 비슷한 값을 나타내는 것이라 판단된다.
- 또한 외부 면재와 내부 면재의 두께가 같은 경우와 같지 않은 경우 구조강성은 큰 차이를 나타내지 않았는데 이는 샌드위치 복합재 패널 단면의 중립면을 기준으로 수직 하중시의 외부 면재는 압축하중을 내부 면재는 인장하중을 받게 되어 면재 두께의 대칭 및 비대칭에 무관하게 상호 보완 작용으로 비슷한 값을 나타내는 것이라 판단된다. 따라서, 샌드위치 구조물의 외부 및 내부 면재 두께가 서로 달라도 구조안전성 측면에는 문제가 없는 것으로 확인되었다.
- 이 접근방법의 유일한 단점은 사용하려는 적층판의 강도를 시험으로 결정해야 한다는 것이다. 따라서, 직접 적층판 기준식은 설계단계에서 적층 구조물의 거시적인 파손 유무를 판단할 때 유효하며, 특히 직물 복합재 구조물에 매우 유효함을 보이고 있다.19) 대표적인 직접 적층판 기준식에는 Puppo-Evensen 파손기준식, Guess-Gerstle 파손기준식 등이 있다.
- 1) 하이브리드 복합재 구조물에 대한 구조강성평가를 수행한 결과 구조강성이 우수한 경우는 CASE 3과 7(A, B 그룹 모두)가 우수한 굽힘 특성을 나타내었다. 또한 샌드위치 복합재의 외부 및 내부 면재의 두께가 같은 경우와 같지 않은 경우 구조안전성 측면에서는 크게 차이가 나지 않으며 샌드위치 복합재의 코어 재료가 알루미늄 허니콤과 발사인 경우도 구조강성 측면에서는 큰 차이를 보이지 않으나 무게대비 굽힘 강성은 평가결과 알루미늄 허니콤으로 구성된 경우 가장 높은 구조 안전성을 가지는 것으로 확인되었으나 발사인 경우도 높은 구조 안전성을 나타냄을 확인하였다. 따라서 초저상 버스의 하이브리드 복합재 구조물을 제작할 때 코어재료와 면재의 두께는 제작성과 경제성을 고려하여 선정 되어야 할 것이다.
- 비교 결과 Table 10과 같이 파손지수는 모두 기준치인 1에 비해 매우 작은 값이 도출되고 상대적으로 매우 우수한 구조강도 특성을 보이고 있음을 확인하였다. 여기서, 복합재 구조물의 파손지수는 비선 형성을 가져 조금의 응력증가로 인해 파손지수가 급격히 증가하는 특징을 가지고 있기 때문에 파손지수가 매우 작은 값을 보이는 것은 과잉설계를 의미하는 것은 아니다.
- 3) 초저상 버스에 적용되는 복합재 구조물의 파손 예측은 전체 적층판 접근방법을 사용하여 설계 단계에서 평가하였다. 이 방법은 복합재에 대한 적층판 강도시험만을 수행하면 쉽고 빠르게 설계 검증 및 파손예측을 수행할 수 있음을 증명 하였고, 파손 평가 결과 파손지수가 1이하로 매우 안전함을 확인하였다. 이때, 복합재 구조물의 파손지수는 비선형성을 가져 조금의 응력증가로 인해 파손지수가 급격히 증가하는 특징을 가지고 있기 때문에 파손지수가 매우 작은 값을 보이는 것은 과잉설계를 의미하는 것은 아니며, 구조 강도 측면에서 충분히 안전성을 가진다고 사료 된다.
후속연구
- 10을 사용하였으며 선행연구에서 샌드위치 복합재에 대한 구조해석에는 SHELL91 요소를 사용한 2차원적인 모델링 방법과, 면재는 SHELL63, 심재는 SOLID45 요소를 함께 사용하는 3차원적인 모델링 방법으로 나누어 질수 있는 데, 설계단계에서 구조해석 검증은 모델링이 간단하고 자유도수를 줄이면서 3차원 모델링 기법과 거의 유사한 결과가 도출되는 2차원적인 모델링 방법을 선택하였다.12) 3차원적인 모델링 방법은 추후 충돌 및 전복 해석에 사용될 것이다.
- 이런 샌드위치 복합재는 단일 부재로 된 금속재나 적층 복합재에 비해 굽힘 강성이 높고 피로수명이 길며 부식 저항성, 단열성, 음향 차폐성이 우수하다.6) 그러나 샌드위치 복합재는 심한 곡률(high curvature)을 가진 형상에 대해서는 두께 제한으로 인해 제작이 용이하지 않은 단점이 있어 한국형 초저상 버스에서는 곡면이 심한 부위와 상대적으로 얇게 제작이 되는 차체외벽에 대해서는 적층 복합재를 적용할 예정이다. 이때 적층 복합재의 재질은 샌드위치 복합재 면재와 같은 종류로 제작하여 재료의 연속성을 유지시켰다.
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