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문제 정의
- 본 논문에서는 자동무인경전철의 경량화를 위해 샌드위치 복합재가 적용된 차체 구조물의 구조 시험과 유한요소 해석을 통하여 구조 안전성을 비교 평가하여 제시된 유한요소 모델을 검증함으로써, 복합재 무인경전철 차체 구조물의 표준 유한요소 모델을 도출하고, 차량 제작 전에 설계 수정과 보완을 통해 성능 향상을 도모하고자 한다[7-8]. 이때, 차체 구조물에 대한구조시험은 JIS E 7105 기준에 따라 수행되었으며, 유한요소 해석은 Ansys vll.
제안 방법
- (1) 구조 시험은 JIS E 7105 규정에 따라 수행되었으며, 복합재 적용 차체 구조물에 대해 수직하중, 압축하중, 3점 지지 하중, 고유진동수 시험에 대해 처짐 및 고유진동수를 각각 측정하였다.
- (2) 유한요소 해석은 쉘 요소(shell 181 & shell 63)와 솔리드 요소(solid 45}를 사용하여 차체 구조물을 모델링하였으며, 시험과 해석 결과가 압축하중의 경우를 제외하고 잘 일치하는 검증된 유한요소 모델을 도출하였다.
- O을사용하여 해석을 수행하였다. Fig. 8은 차체 구조물의 유한요소 모델 모습을 보여주며, 이때 4개의 절점과 6개의 자유도를 갖는 복합재 적층 쉘 요소(shell 181)를 사용하여 샌드위치 패널의 면재와 적층 복합재 및 보강재와 복합재 면재가적층된 부분을 모사하였고, 4개의 절점과 6개의 자유도를 갖는 탄성 쉘 요소(shell 63)를 사용하여 프레임 압출재를 모사하였다. 그리고 8개의 절점과 3개의 자유도를 갖는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 샌드위치 패널의 하니컴 심재를 유효등가손상모델링 하였다.
- 그리고 공기스프링 부분은 높이 방향을 구속하였으며, 길이 방향을 압축하중 반대편의 연결기 부분을 구속하였다. 그리고 3점지지 하중조건을 부여하기 위해 3곳의 잭킹 패드를 구속하고 해석을 수행하였다.
- 8은 차체 구조물의 유한요소 모델 모습을 보여주며, 이때 4개의 절점과 6개의 자유도를 갖는 복합재 적층 쉘 요소(shell 181)를 사용하여 샌드위치 패널의 면재와 적층 복합재 및 보강재와 복합재 면재가적층된 부분을 모사하였고, 4개의 절점과 6개의 자유도를 갖는 탄성 쉘 요소(shell 63)를 사용하여 프레임 압출재를 모사하였다. 그리고 8개의 절점과 3개의 자유도를 갖는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 샌드위치 패널의 하니컴 심재를 유효등가손상모델링 하였다. 이때, 사용된 요소는 2차원쉘 요소가 236, 120개, 3차원 솔리드 요소가 102, 408개이다.
- 이때, 수직하중은 분포하중으로 적용하였으며, 압축 하중은 연결기에 적용하였다. 그리고 공기스프링 부분은 높이 방향을 구속하였으며, 길이 방향을 압축하중 반대편의 연결기 부분을 구속하였다. 그리고 3점지지 하중조건을 부여하기 위해 3곳의 잭킹 패드를 구속하고 해석을 수행하였다.
- 모델을 도출하였다. 그리고 도출된 유한요소 모델을 이용하여 설계가 보완된 모델에 대해 해석적으로 특성을 평가하였다. 이에 초기 설계된 차체 구조물의 굽힘 강성은 1차 굽힘 고유진동수 결과가 10Hz 이하로 낮은 특성을 보였으나, 언더프레임이 보강된 유한요소 모델을 통하여 굽힘 고유진동수가 10.
- 14와 같이 굽힘 강성에 큰 영향을 미치는 언더프레임에 보강된 모델을 적용하였다. 그리고 보강재의 두께 및 크기가 무게 대비 가장 효율적인 모델을 선정하여 수직 하중 해석과 고유진동수 해석 결과를 비교하였다.
- 후방의 4곳을 평평한 블록에 원형롤러를 사용하여 길이 방향 및 회전을 허용하였고, 후방의 연결기가 위치되는 곳은 반력벽에 설치된 지그를 이용하여 길이방향에 대해 구속하였다. 그리고 수직하중이 가해진 상태에서 전방의 연결기가 위치되는 곳에 하중 실린더를 이용하여 압축하중을 가하였다. 압축하중 시험 결과 언더 프레임 중앙에서 최대의 처짐이 발생함을 확인하였다.
- 먼저 차체의 형상과 동일한 목형 몰드 (wood mould)를 제작한 후에 섬유강화 복합재 몰드(FRP mould)를 적층하여 제작한다. 다음으로 완료된 복합재 몰드에 샌드위치 복합재 구조물에 대한 외피 적층 작업을 수행한 후 진공 백(vacuum bag)을 이용하여 복합재 면재의 층간 분리를 방지하기 위해 오토클레이브를 이용하여 최대 2.5bar의 압력과 온도 사이클을 설정하여 성형한다. 그리고 알루미늄하니컴 심재와 금속 보강재를 삽입 한 후에 내피를 적층하여 외피 성형과 동일한 방법으로 진공 백을 이용하여 압력을 가하고 오토클레이브를 이용하여 성형한다[6].
- 2는 자동무인경전철 복합재 차체의 오토클레이브 성형 과정을 보여준다. 먼저 차체의 형상과 동일한 목형 몰드 (wood mould)를 제작한 후에 섬유강화 복합재 몰드(FRP mould)를 적층하여 제작한다. 다음으로 완료된 복합재 몰드에 샌드위치 복합재 구조물에 대한 외피 적층 작업을 수행한 후 진공 백(vacuum bag)을 이용하여 복합재 면재의 층간 분리를 방지하기 위해 오토클레이브를 이용하여 최대 2.
- 본 연구에서는 샌드위치 복합재와 적층 복합재가 적용된 자동무인 경전철 차체 구조물에 대해 구조 시험과 유한요소해석을 통하여 특성 평가 및 검증된 유한요소 모델을 도출하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 수직하중 시험은 Fig. 4와 같이 언더프레임의 대차가 연결되는 부분에 대해 선방의 2곳은 평평한 블록에 원형롤러를 사용하여 길이방향 변위를 허용하였고, 후방의 2곳은 V홈 블록에 원형롤러를 사용하여 길이방향 변위는 구속하고 회전을 허용하였다. 이때 분포하중은 하중 실린더를 이용하여 차체의 바닥 면에 설치된 로딩바에 적용하였다.
- 유한요소해석 결과는 구조시험에서 측정된 다이얼게이지와 동일한 위치에서 각각 비교하였다. Table 4는 각 시험에서 측정된 최대 처짐과 해석결과를 비교하여 나타낸 것이다.
- 확인하였다. 이때, 구조 시험과 해석을 통하여 복합재차체 구조물의 굽힘 강성이 낮음을 확인하였고, 이를 보완하기 위해 Fig. 14와 같이 굽힘 강성에 큰 영향을 미치는 언더프레임에 보강된 모델을 적용하였다. 그리고 보강재의 두께 및 크기가 무게 대비 가장 효율적인 모델을 선정하여 수직 하중 해석과 고유진동수 해석 결과를 비교하였다.
- 자동무인경전철의 구조 시험과 유한요소 해석 결과의 비교를 통하여 복합재 차체 구조물의 특성을 평가하고 검증된 유한요소 모델을 도출하였다. 그리고 도출된 유한요소 모델을 이용하여 설계가 보완된 모델에 대해 해석적으로 특성을 평가하였다.
- 5와 같이 언더프레임의 대차가 연결되는 전 . 후방의 4곳을 평평한 블록에 원형롤러를 사용하여 길이 방향 및 회전을 허용하였고, 후방의 연결기가 위치되는 곳은 반력벽에 설치된 지그를 이용하여 길이방향에 대해 구속하였다. 그리고 수직하중이 가해진 상태에서 전방의 연결기가 위치되는 곳에 하중 실린더를 이용하여 압축하중을 가하였다.
대상 데이터
- 그리고 8개의 절점과 3개의 자유도를 갖는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 샌드위치 패널의 하니컴 심재를 유효등가손상모델링 하였다. 이때, 사용된 요소는 2차원쉘 요소가 236, 120개, 3차원 솔리드 요소가 102, 408개이다.
- 자동무인경전철은 Fig. 1과 같이 차체에 샌드위치 복합재가 적용되었으며, 굴곡이 심한 전두부에는 적층 복합재를 적용하였다. 이때, 샌드위치 복합재 패널 내부에는 금속 보강재보를 삽입하여 굽힘 강성을 향상시켰다.
이론/모형
- 자동무인경전철의 구조시험은 JIS E 7105 기준에 의해서 수행하였다[9]. Fig.
성능/효과
- 고유진동수 해석 결과는 Table 5에 나타나 있듯이 1차 굽힘 고유진동수 결과가 8.7아"로 시험에서 측정된 8.70Hz와 오차가 0.9%로 잘 일치함을 확인할 수 있다.
- (3) 복합재 적용 차체 구조물의 강성을 높이기 위해 언더프레임이 보강된 모델에 대해 구조 해석을 수행하였으며, 이를 통해 처짐 및 고유진동수 결과가 향상됨을 확인하였다.
- 이때, 지지점 1곳을 아래로 하강 시켜 차체가 3점지지 되도록 하였다. 3점지지 하중 시험 결과 지지점이 내려가는 곳에서 최대 92.5mm의 처짐이 발생함을 확인하였다.
- 3mm가 나타나 처짐 결과가 44% 향상됨을 확인하였다. 그리고 고유진동수 해석 걸과는 Fig. 15에 나타나 있듯이 1차 굽힘 고유진동수 결과가 10.75Hz가 나타나 철도시험 기준인 10Hz를 만족하였으며, 초기 모델에 비해 22%가 높아짐을 확인하였다
- 7 아Iz 로 높아짐을 확인하였고, 이를 시험차에 적용하여 굽힘 강성을 높였다. 그리고 제시된 유한요소 모델을 통해 설계가 보완된 완성차 (proto type)를 제작하여 구조 시험과 해석 결과가 잘 일치함을 확인하였으나, 제작사의 보안 요청으로 인해 결과는 나타내지 않았다. 따라서 자동무인경전철과 같이 복합재가 적용된 차체 구조물의 개발 시에 검증된 유한요소 모델을 사용하여 소요되는 제작비용 및 기간을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그리고 제시된 유한요소 모델을 통해 설계가 보완된 완성차 (proto type)를 제작하여 구조 시험과 해석 결과가 잘 일치함을 확인하였으나, 제작사의 보안 요청으로 인해 결과는 나타내지 않았다. 따라서 자동무인경전철과 같이 복합재가 적용된 차체 구조물의 개발 시에 검증된 유한요소 모델을 사용하여 소요되는 제작비용 및 기간을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
- 이때 분포하중은 하중 실린더를 이용하여 차체의 바닥 면에 설치된 로딩바에 적용하였다. 수직하중 시험 결과언더프레임 중앙(center)에서 최대 29.8mm가 발생하였고, 측면 (side sill)에서는 최대 20.6mm의 처짐이 발생함을 확인하였다.
- 그리고 수직하중이 가해진 상태에서 전방의 연결기가 위치되는 곳에 하중 실린더를 이용하여 압축하중을 가하였다. 압축하중 시험 결과 언더 프레임 중앙에서 최대의 처짐이 발생함을 확인하였다. 이때, 압축하중이 가해지는 연결기 부위의 프레임에 소성변형이 발생함을 확인하였다.
- Table 4는 각 시험에서 측정된 최대 처짐과 해석결과를 비교하여 나타낸 것이다. 이때, 수직하중과 3점지지 하중에 대한 결과는 3.1%와 2.7% 로 잘 일치함을 확인하였다. 반면, 압축하중에 대한 걸과 오차가 47.
- 15는 언더프레임이 보강된 모델에 대한 수직하중 해석 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 이때, 초기 모델의 사이드 실에서의 최대 처짐은 20.2mm 나타난 반면 보강된 모델에서는 11.3mm가 나타나 처짐 결과가 44% 향상됨을 확인하였다. 그리고 고유진동수 해석 걸과는 Fig.
- 그리고 도출된 유한요소 모델을 이용하여 설계가 보완된 모델에 대해 해석적으로 특성을 평가하였다. 이에 초기 설계된 차체 구조물의 굽힘 강성은 1차 굽힘 고유진동수 결과가 10Hz 이하로 낮은 특성을 보였으나, 언더프레임이 보강된 유한요소 모델을 통하여 굽힘 고유진동수가 10.7 아Iz 로 높아짐을 확인하였고, 이를 시험차에 적용하여 굽힘 강성을 높였다. 그리고 제시된 유한요소 모델을 통해 설계가 보완된 완성차 (proto type)를 제작하여 구조 시험과 해석 결과가 잘 일치함을 확인하였으나, 제작사의 보안 요청으로 인해 결과는 나타내지 않았다.
- 자동무인경전철 차체 구조물의 구조 시험과 해석 결과의 비교를 통하여 유한요소 모델의 검증을 수행하였고 잘 일치함을 확인하였다. 이때, 구조 시험과 해석을 통하여 복합재차체 구조물의 굽힘 강성이 낮음을 확인하였고, 이를 보완하기 위해 Fig.
후속연구
- (4) 자동무인경전철과 같은 복합재 적용 차체 구조물의 개발 시에 검증된 유한요소 모델을 사용하여 제작비용 및 기간의 절감 효과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- 8%로 나타났으며, 이는 압축시험과정 중에 하중점에서 편심이 발생하여 압축하중을 받는 프레임의 소성변형과 국부적 좌굴이 발생하여 해석 걸과와의 오차를 보이는 것으로 확인하였다. 이는 추후 시험 차량에 대해 시험을 다시 수행하여 결과를 비교할 예정이다. Fig.
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