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문제 정의
- 본 논문은 샌드위치 복합재와 적층 복합재가 적용된 바이모 달 트램의 차체 구조물에 대해 구조시험 및 유한요소해석을 통하여 구조 안전성을 평가하였고, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
- 본 연구에서는 샌드위치 복합재가 적용된 바이모달 트램에 대해 비파괴 정하중 영역 하에서의 설계 및 해석 검증을 위한 구조 성능 시험과 유한요소 해석을 통하여 구조물의 안전성을 평가하고 검증된 유한요소 모델을 제시하고자 한다. 이때 바이모달 트램에 대한 구조 안전성 평가에 대한기준은 따로 규정되지 않은 실정이며, 이에 구조시험은 철도차량에서 적용되는 JIS E 7105 기준을 참고하여 시험을 수행하였다.
제안 방법
- 5에 나타나 있듯이 전방과 후방의 차축 4곳을 평평한 블록에 원형 롤러를 사용하여 길이 방향 및 회전을 허용하였고, 후방의 차체에 연결된 지그를 길이 방향에 대해 구속하였다. 그리고"수직하중 시험과 동일한 하중을 가한 후에 차량 전두부에 압축 하증을 단계적으로가 하였다.
- 1. 구조 성능 평가 시험은 JIS E 7105 규정을 적용하여 수행되었으며, 이때, C1 과 C3차체에 대해 수직하중, 압축 하중, 비틀림 시험, 그리고 고유진동수 시험에 대해 처짐 및 고유진동수를 각각 측정하였다.
- Table 3은 이방성 재질 특성을 갖는 차체 구조물의 샌드위치 패널 면재와 적층 복합재에 적용된 WR580/NF4000 유리섬유/에폭시와 알루미늄 하니컴 심재에 대한 물성을 나타낸 것으로 재료시험을 통해 직접 구하였으며, 하니 컴 코어에 대한 각 방향별 포아송 비는 참고문헌[11]을 통해 얻었다. 이때, 하니컴 코어의 리본(ribbon)방향은 x축, 폭 (transverse)방향은 y축, 그리고 두께(thickness)방향은 z축으로 Fig.
- 고유진동수 해석을 통해 얻은 결과는 Table 6에 나타나 있듯이 1차 굽힘 모드와 1차 비틀림 모드를 시험과 비교하여 정리하였다. C1 차체의 비틀림 고유진동수를 제외하고 시험과 해석에 의한 고유진동수 결과가 10% 이내로 잘 일치함을 확인하였다.
- 굽힘 고유진동수 시험은 Fig. 7에 나타나 있듯이 수직 하중시험과 동일한 지지조건을 적용하였고 비틀림 고유진동수 시험은 비틀림 시험과 동일한 지지조건을 적용하였다. 그리고 유압 실린더를 이용하여 차체에 굽힘 및 비틀림 변형을 가해준 후 차체 고정용 지그를 이용하여 차체를 고정시킨 후 순간적으로 제거하여 진동을 발생시켰다[9].
- 4에 나타나 있듯이 전방의 차축 2 곳을 평평한 블록에 원형 롤러를 사용하여 차체의 길이 방향으로 변위 및 회전을 허용하였고, 후방의 차축 2곳은 V 홈 블록에 원형 롤러를 사용하여 길이방향의 변위는 구속하고 회전은 허용하였다. 그리고 차체의 바닥과 지붕에 유압 실린더를 이용하여 시험하중을 가하였다.
- 바이모달 트램의 구조시험은 JIS E 7105 기준을 적용하여 시험을 수행하였다[8] 구조시험에 적용되는 하중은 Table 2에 나타나 있듯이 승객하중과 차체 중량을 고려하여 적용하였으며, 차체를 고정시키기 위해 차축이 위치되는 4곳에는 지그를 제작하여 적용하였다. 이때, 수직 하중은 승객 중량과 실.
- 비틀림 시험은 Fig. 6에 나타나 있듯이 전방의 차축 2곳을 V홈 블록에 원형 롤러를 사용하여 길이방향의 변위는 구속하고 회전은 허용하였으며, 후방의 차축 사이의 중심 부분에 V홈 블록을 사용하여 차체를 3점 지지하였다. 그리고 유압 실린더를 이용하여 비틀림 하중을 부여하였다
- 수직하중 시험은 Fig. 4에 나타나 있듯이 전방의 차축 2 곳을 평평한 블록에 원형 롤러를 사용하여 차체의 길이 방향으로 변위 및 회전을 허용하였고, 후방의 차축 2곳은 V 홈 블록에 원형 롤러를 사용하여 길이방향의 변위는 구속하고 회전은 허용하였다. 그리고 차체의 바닥과 지붕에 유압 실린더를 이용하여 시험하중을 가하였다.
- 압축하중 시험은 Fig. 5에 나타나 있듯이 전방과 후방의 차축 4곳을 평평한 블록에 원형 롤러를 사용하여 길이 방향 및 회전을 허용하였고, 후방의 차체에 연결된 지그를 길이 방향에 대해 구속하였다. 그리고"수직하중 시험과 동일한 하중을 가한 후에 차량 전두부에 압축 하증을 단계적으로가 하였다.
- 유한요소 해석 결과는 구조시험에서 측정된 다이얼게이지의 처짐 결과와 동일한 위치에서 각각 비교하였다. Table 5는 각 시험에서 측정된 최대 처짐과 동일한 위치에서의 해석 결과를 비교하여 나타낸 것이며, C3차체의 압축과 비틀림 하중에 대한 경우를 제외하고 시험과 해석에 의한 처짐 결과가 10% 이내로 잘 일치함을 확인하였다.
- 또한, 샌드위치 복합재의 강성 향상을 위해 알루미늄 압출 재가 보강재로 사용되었다. 이때, 차체의 제작은 진공 상태에서 선정된 온도 이력(80°C, 121°C)과 압력(2.5bar)이 적용된 오토클레이브 공법을 이용하여 제작하였으며, 보강재와 복합재의 접착은 에폭시 성분의 접착필름을 사용하였다. Table 1은 바이모달 트램에 적용된 샌드위치 복합재와 적층 복합재, 알루미늄 보강재 및 접착 필름 등의 구성 재료를 나타낸 것이다.
- O을 사용하여 해석을 수행하였다. 이때, 해석에 적용된 유한요소 모델은 Fig. 11에 나타나 있듯이 샌드위치 복합재 차체 부분은 복합재 적층 쉘 요소인 shell 181을 사용하여 모사하였고, 알루미늄 압출재 프레임은 Timoshenko 빔 요소인 beam 188을 사용하여 모사하였다. 그리고 차체를 지지해주는 지그 부분은 탄성 쉘 요소인 shell 63을 사용하였다.
대상 데이터
- 11에 나타나 있듯이 샌드위치 복합재 차체 부분은 복합재 적층 쉘 요소인 shell 181을 사용하여 모사하였고, 알루미늄 압출재 프레임은 Timoshenko 빔 요소인 beam 188을 사용하여 모사하였다. 그리고 차체를 지지해주는 지그 부분은 탄성 쉘 요소인 shell 63을 사용하였다. 쉘 요소와 빔 요소를 적용한 모델은 구조물의 형상을 실제와 동일하게 적용한 솔리드 모델에 비해 모델링 및 해석에 소요되는 시간을 절감할 수 있으며, 선행 연구를 통하여 해석 결과의 오차 범위가 작게 나타남을 확인하였다[10].
- 2는 구조시험을 위해 C1 과 C3 차체에 시험 장비가 설치된 것을 보여준다. 시험에 사용된 장비로는 차체를 고정시켜주는 지지대와 하중을 가해주는 유압실린더, 변위를 측정해주는 다이얼게이지, 고유진동수 측정을 위한 가속도 센서 등이 사용되었다. Fig.
- 쉘 요소와 빔 요소를 적용한 모델은 구조물의 형상을 실제와 동일하게 적용한 솔리드 모델에 비해 모델링 및 해석에 소요되는 시간을 절감할 수 있으며, 선행 연구를 통하여 해석 결과의 오차 범위가 작게 나타남을 확인하였다[10]. 해석에 적용된 요소 수는 C1 차체가 117, 1기절점과 123, 074요소로 이루어져 있으며, C3 차체는 67, 033개의 절점과 75, 527개의 요소로 이루어져 있다.
데이터처리
- 유한요소 해석은 Ansys vll.O을 이용하였으며, 구조시험과 동일한 구속 및 하중조건을 모사한 해석을 수행하여 결과를 비교 검증하였다.
이론/모형
- 이때, 수직 하중은 승객 중량과 실.내외 설비중량에 동하중 계수가 적용되었으며, 압축하중은 JIS E 7105 기준에 따라 294.3kN(30ton・f)를적용하였다.
- 이때 바이모달 트램에 대한 구조 안전성 평가에 대한기준은 따로 규정되지 않은 실정이며, 이에 구조시험은 철도차량에서 적용되는 JIS E 7105 기준을 참고하여 시험을 수행하였다. 유한요소 해석은 Ansys vll.
성능/효과
- . 비틀림 시험을 수행한 결과 C1 차체에서는 비틀림 하중이 가해진 위치와 근접한 5번 위치에서 최대 처짐이 25.0 mm가 발생하였고, C3차체에서 역시 비틀림 하중이 가해진 위치와 근접한 1번 위치에서 19.0mm가 발생함을 확인하였다.
- 2. 수직하중, 압축하중, 비틀림 시험을 통하여 C1 차체가 C3차체에 비해 더 많은 처짐이 발생함을 확인하였으며 이는 C1 차체의 길이가 C3차체에 비해 1.4배 정도 길게 제작된 이유로 판단된다.
- 3. 고유진동수 시험을 통해 얻은 1차 굽힘 고유진동수는 C1 차체가 10.67Hz, C3차체가 17.29Hz가 측정되어 10Hz 이상을 만족하였으며, 1차 비틀림 고유진동수는 C1 차체가 3.47Hz, C3차체가 4.79Hz의 결과를 확인하였다. 이때, C3 차체가 C1 차체에 비해 고유진동수 결과가 높게 나타났으며, 이는 C3의 차체 길이가 짧아 굽힘 강성 및 비틀림 강성이 높게 나타난 것으로 판단된다.
- 4. 구조 해석은 쉘 요소와 빔 요소를 적용한 제안된 유한요소 모델을 사용하여 수직하중, 압축하중, 비틀림 및 고유진동수 해석을 수행하였으며, 결과가 10% 이내로 잘 일치함을 확인하였다. 따라서 추후 응력 및 변형률 결과의 비교 검증에 대한 추가적인 연구를 수행하여 차량 개발 시에 유한요소 해석을 이용한 구조 특성 및 안전성 평가를 통해 소요 시간 및 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
- C1 차체의 비틀림 고유진동수를 제외하고 시험과 해석에 의한 고유진동수 결과가 10% 이내로 잘 일치함을 확인하였다. 이때, C1 차체의 비틀림 고유진동수는 10% 이상의 오차를 보였으며, 이는 다른 해석 유형에 비해 오차 범위가 높게 났다.
- Table 5는 각 시험에서 측정된 최대 처짐과 동일한 위치에서의 해석 결과를 비교하여 나타낸 것이며, C3차체의 압축과 비틀림 하중에 대한 경우를 제외하고 시험과 해석에 의한 처짐 결과가 10% 이내로 잘 일치함을 확인하였다. 이때, 10% 이상의 오차가 발생한 C3차체의 압축하중에 의한 결과는 상대적으로 처짐량이 작게 발생하여 오차가 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 이는 시험 차량에 대한 재시험을 통해 변위측정 및 구속 조건 등의 재확인이 필요하지만, 시제차가 제작되어 재시험에 어려움이 있어 수행하지 못하였다. 그러나 시험과 해석결과가 전반적으로 잘 일치하여 제시된 해석 모델은 적절하다고 판단된다.
- 바이모달 트램은 2량 1편성으로 이루어져 있으며, 전용선로에서 의 자동운전뿐만 아니 라 일반도로에서 의 수동운전이 가능하도록 하여 운영측면에서 효율성을 높였다. 이때, 무인 자동운전 시스템을 적용하기 위해 전용 도로 위에 전자석을 설치하여 자기장에 의한 경로를 탐색하고, GPS 신호 및 내부 입력 프로그램에 의해 운행 경로를 주행하게 된다[3-5].
- 수직하중 시험을 수행한 결과 C1 차체에서는 바닥 중앙 부분인 8번 위치에서 최대 처짐이 26.9m가 발생하였고, C3차체에서 역시 바닥 중앙 부분인 6번 위치에서 8.9mm가 발생함을 확인하였다. 이때, 차량의 길이가 약 1.
- 6mm가 발생함을 확인하였다. 이때, 수직하중 시험과 동일한 수직 하중이 가해진 상태에서의 처짐량이 압축하중에 의해 감소됨을확인할 수 있었다.
- 79Hz가 측정되 었다. 이때, 일반적 인 철도차량의 설계 요구조건인 1차 굽힘 고유진동수가 10Hz 이상을 만족함을 확인하였다. Fig.
- 이에 구조시험의 비틀림 하중의 경우와 마찬가지로 재시험을 통해 가속도 측정센서의 위치 확인 및 구속 조건 등의 확인이 필요하지만 시제차가 제작되어 재시험은 수행하지 못하였다. 차량에 따른 결과에서는 시험과 유한요소 해석에서 C3차체가 C1 차체에 비해 고유진동수 결과가 높게 나타났으며, 이는 차체의 길이가 짧은 C1 이 굽힘 강성 및 비틀림 강성이 높게 나타난 것으로 판단된다.
후속연구
- 구조 해석은 쉘 요소와 빔 요소를 적용한 제안된 유한요소 모델을 사용하여 수직하중, 압축하중, 비틀림 및 고유진동수 해석을 수행하였으며, 결과가 10% 이내로 잘 일치함을 확인하였다. 따라서 추후 응력 및 변형률 결과의 비교 검증에 대한 추가적인 연구를 수행하여 차량 개발 시에 유한요소 해석을 이용한 구조 특성 및 안전성 평가를 통해 소요 시간 및 비용을 절감할 수 있을 것으로 판단된다.
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