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문제 정의
- 따라서, 본 논문에서는 모노레일 대차 프레임 설계(안)의 구조 안전성 평가를 통해 수정 및 보완하여 요구조건에 부합한 최종 설계모델을 제시하고, 이 설계모델에 대한 피로 강도 평가를 수행하여 피로수명을 예측하였다. 이때, 하중조건은 유럽규격인 UIC 615-4 기준을 적용하여 도출하였으며, 유한요소해석 프로그램인 Ansys v11.
- 본 연구에서는 현재 국내에서 개발중인 모노레일 대차 프레임의 설계모델에 대한 구조적 안전성 및 피로강도 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이때, 피로강도 평가를 추가로 수행하고자 유럽철도 규격인 UIC 615-4를 적용하여 하중조건을 비교한 결과 시험평가서에 비해 동하중계수 등의 차이로 인해 각 하중값이 높은 것을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 설계된 모노레일 대차프레임에 UIC 615-4기준의 적용을 통해 더 가혹한 하중조건에서 평가기준을 만족하고 신뢰성을 높일 수 있다고 판단되어, 이에 대한 구조안전성 및 피로강도 평가를 수행하였다. UIC 615-4 기준에서는 하중조건을 예외하중(exceptional load), 주운용하중(main in-service load), 특수운 용하중(particular in-service load)으로 구분하고 있으며, 이에 본 연구에서는 모노레일 대차 프레임에 적용할 수 있는 예외하중과 주운용하중에 대해 각각 평가를 수행하였다.
제안 방법
- (3) 예외하중조건이 적용된 대차 프레임에 대한 구조해석을 통하여 설계된 모델에 대해 보완 및 검증을 수행하였으며, 구조적 안전성을 만족하는 모델을 도출하였다.
- 이에 본 연구에서는 설계된 모노레일 대차프레임에 UIC 615-4기준의 적용을 통해 더 가혹한 하중조건에서 평가기준을 만족하고 신뢰성을 높일 수 있다고 판단되어, 이에 대한 구조안전성 및 피로강도 평가를 수행하였다. UIC 615-4 기준에서는 하중조건을 예외하중(exceptional load), 주운용하중(main in-service load), 특수운 용하중(particular in-service load)으로 구분하고 있으며, 이에 본 연구에서는 모노레일 대차 프레임에 적용할 수 있는 예외하중과 주운용하중에 대해 각각 평가를 수행하였다.
- 구조적 안전성 평가를 통해 도출된 대차 프레임의 3차 설계 모델에 대해 동적하중을 적용한 피로강도 평가를 수행하 였다. 이때, 하중조건은 앞에서 나타냈듯이 UIC 615-4 규정에 의해 17개의 조합 주운용하중조건을 적용하였으며, 각 하중조건에 대해 구조해석을 수행한 후, 그 결과를 조합하여 피로강도를 도출하였다.
- 이때, 각 프레임들은 2차원 쉘 요소(shell 63)를 사용하여 모사하였으며, 구동축 및 기어박스는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 모사하였다. 그리고 프레임 연결부위의 볼트는 3차원 Timoshenko 빔 요소(beam 188)를 사용하였으며, 이때 접촉되는 프레임은 접촉 조건(contact condition)을 적용하였다.
- 또한, 대차 프레임의 제작성을 향상시키기 위해 구동축을 기준으로 상부와 하부 프레임으로 구분된 형태로 설계가 변경되었으며, 1차 설계모델의 차체와 연결되는 견인 봉은 프레임 중심부의 센터 피봇으로 설계가 변경되었다. 그리고 프레임을 서로 연결해주는 체결볼트 대신 용접방식으로 설계가 수정되었다. 이때, 구조해석에 적용된 유한요소모 델은 절점수와 요소수가 각각 104,868개와 190,968개이다.
- 6에 나타나 있듯이 2차 설계모델에 대한 구조해석 결과에서 수직하중에 따라 응력이 많이 발생한 프레임 부분을 보강하였다. 또한, 1, 2차 설계 모델의 일체형 사각관 프레임에서 제작성을 높이기 위해 판재 형태의 프레임을 서로 용접하는 방식으로 설계가 변경되었다. 이때, 구조해석에 적용된 유한요소모델은 절점수와 요소수가 각각 162,984개와 200,584개이다.
- 4에 나타나 있듯이 수직하중을 받는 부분의 집중하중을 분산시키기 위해 4곳에서 수직하중을 받도록 설계를 수정하였다. 또한, 대차 프레임의 제작성을 향상시키기 위해 구동축을 기준으로 상부와 하부 프레임으로 구분된 형태로 설계가 변경되었으며, 1차 설계모델의 차체와 연결되는 견인 봉은 프레임 중심부의 센터 피봇으로 설계가 변경되었다. 그리고 프레임을 서로 연결해주는 체결볼트 대신 용접방식으로 설계가 수정되었다.
- 2에 나타나 있듯이 수직하중을 받는 부분이 프레임 중심부에 설계되었으며, 구동축에 견인봉이 연결된 형상을 갖는다. 또한, 사각관 형상을 갖는 각 프레임들의 연결부분은 볼트를 이용하여 체결되도록 설계되었다. 이때, 구조해석에 적용된 유한요소모델은 절점수와 요소수가 각각 62,790개와 122,444개이다.
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1.2 2차 모델
모노레일 대차 프레임의 2차 설계모델에 대한 주요특징은 Fig. 4에 나타나 있듯이 수직하중을 받는 부분의 집중하중을 분산시키기 위해 4곳에서 수직하중을 받도록 설계를 수정하였다
. 또한, 대차 프레임의 제작성을 향상시키기 위해 구동축을 기준으로 상부와 하부 프레임으로 구분된 형태로 설계가 변경되었으며, 1차 설계모델의 차체와 연결되는 견인 봉은 프레임 중심부의 센터 피봇으로 설계가 변경되었다. - 모노레일 대차 프레임의 구조해석을 통해 제시된 설계(안)을 수정 및 보완하였으며, 이를 통해 최종 설계모델을 도출하였다. 이때, 구조적으로 취약한 부분에 대해 강도 및 강성을 높이기 위해 설계가 보강되었으며, 프레임 연결방식은 제작성을 향상시킬 수 있도록 설계가 변경되었다.
- Table 3은 주운용하중 조건들을 나타낸 것으로서, 대차의 동하중 변화를 고려하여 하중조건들이 선정되었다. 이때, UIC 615-4규정에서는 9가지 하중에 대해 나타내었으나, 모노레일 대차프레임의 특성상 코너링 하중을 추가로 고려하여 17가지 하중조건에 대해 평가를 수행하였다. 수직하중과 좌우 하중 및 코너링 하중은 식(3)과 (4)를 통해 계산되었다.
- 0을 통해 수행되었다. 이때, 각 프레임들은 2차원 쉘 요소(shell 63)를 사용하여 모사하였으며, 구동축 및 기어박스는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 모사하였다. 그리고 프레임 연결부위의 볼트는 3차원 Timoshenko 빔 요소(beam 188)를 사용하였으며, 이때 접촉되는 프레임은 접촉 조건(contact condition)을 적용하였다.
- Table 9는 대차 프레임의 피로강도를 평가하기 위해 SM490A에 대한 기계적 물성을 나타낸 것이다[11]. 이때, 재료의 항복강도, 인장강도, 피로한도(107 cycle)를 통해 Goodman 선도상의 피로한도 기준선을 정의하였다.
- (2) 제시된 대차 프레임의 설계(안)은 수정 및 보완을 통해 최종 모델이 도출되었다. 이때, 주요 설계변경은 수직하중에 취약한 프레임을 보강하기 위해 하중점을 분산시켰으며, 제작성을 향상시키기 위해 프레임간의 연결은 체결볼트에서 용접으로 수정되었고 구조물에 대한 강성 및 강도 보완이 수행되었다.
- 구조적 안전성 평가를 통해 도출된 대차 프레임의 3차 설계 모델에 대해 동적하중을 적용한 피로강도 평가를 수행하 였다. 이때, 하중조건은 앞에서 나타냈듯이 UIC 615-4 규정에 의해 17개의 조합 주운용하중조건을 적용하였으며, 각 하중조건에 대해 구조해석을 수행한 후, 그 결과를 조합하여 피로강도를 도출하였다.
- 이에 본 연구에서는 피로해석 전용 소프트웨어인 winLIFE v3.1을 이용하여 대차 프레임에 대한 피로해석 평가를 수행하였으며, 이에 대한 결과를 검증하기 위해 UIC 615-4 기준에 따른 주운용하중조건 결과와 서로 비교하였다. 다음은 대차 프레임에 대한 피로해석 절차를 나타낸 것이다.
- 현재 모노레일 대차 프레임에 대한 평가 기준은 규정되지 않은 실정이며, 이에 구조 안전성 평가는 일본의 모기업에서 유사한 구조로 제작되어 현재 운행중인 모노레일의 대차 프레임에 대한 시험평가서를 기초로 하여 하중조건을 선정 하였다. 이때, 피로강도 평가를 추가로 수행하고자 유럽철도 규격인 UIC 615-4를 적용하여 하중조건을 비교한 결과 시험평가서에 비해 동하중계수 등의 차이로 인해 각 하중값이 높은 것을 확인하였다.
대상 데이터
- 이때, 1차 설계모델에는 SM400이 적용되었고, 2차 설계모델에는 SM400과 STKR400이 각각 적용되었다. 그리고 3차 설계모델에는 SM490A가 적용되었다.
- Table 4는 대차 프레임 설계시에 적용된 물성들을 나타낸 것이다. 이때, 1차 설계모델에는 SM400이 적용되었고, 2차 설계모델에는 SM400과 STKR400이 각각 적용되었다. 그리고 3차 설계모델에는 SM490A가 적용되었다.
- 그리고 프레임을 서로 연결해주는 체결볼트 대신 용접방식으로 설계가 수정되었다. 이때, 구조해석에 적용된 유한요소모 델은 절점수와 요소수가 각각 104,868개와 190,968개이다.
- 또한, 1, 2차 설계 모델의 일체형 사각관 프레임에서 제작성을 높이기 위해 판재 형태의 프레임을 서로 용접하는 방식으로 설계가 변경되었다. 이때, 구조해석에 적용된 유한요소모델은 절점수와 요소수가 각각 162,984개와 200,584개이다.
- 또한, 사각관 형상을 갖는 각 프레임들의 연결부분은 볼트를 이용하여 체결되도록 설계되었다. 이때, 구조해석에 적용된 유한요소모델은 절점수와 요소수가 각각 62,790개와 122,444개이다.
데이터처리
- 0을 이용하여 구조해석을 수행하였다. 그리고 Goodman 선도를 이용하여 UIC 615-4 기준에 의한 17개의 조합 주운용하중조건에 대해 피로강도를 평가하고, 이를 일괄처리 해석기능을 갖는 피로해석 전용 프로그램인 winLIFE v3.1을 이용한 피로해석 결과와 비교 검증을 통하여 효율성을 확인하였다.
- 이때, 하중조건은 유럽규격인 UIC 615-4 기준을 적용하여 도출하였으며, 유한요소해석 프로그램인 Ansys v11.0을 이용하여 구조해석을 수행하였다.
이론/모형
- (1) 모노레일 대차 프레임에 대한 구조적 안전성 및 피로 강도를 평가하기 위해 유럽규격인 UIC 615-4 기준을 적용하였으며, 예외하중조건과 주운용하중조건에 대해 각각 평가를 수행하였다.
- (4) 17개의 조합 주운용하중조건에 따른 대차 프레임의 피로강도 평가를 UIC 615-4에 따라 수행하였으며, Goodman 선도를 통해 피로안전도를 만족함을 확인하였다.
- 모노레일 대차 프레임의 구조 안전성 평가는 UIC 615-4 기준에 따른 예외하중 조건을 적용하였으며, 유한요소 해석 프로그램인 Ansys v11.0을 통해 수행되었다. 이때, 각 프레임들은 2차원 쉘 요소(shell 63)를 사용하여 모사하였으며, 구동축 및 기어박스는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 모사하였다.
- 주운용하중조건에 대한 대차 프레임의 피로강도 평가는 Goodman 선도상에 표현하였으며, 이때 평균응력(σm)과 응력진폭(∆σ) 값은 각 하중조건들에 대한 해석결과를 통해 도출하였다.
성능/효과
- (2) 제시된 대차 프레임의 설계(안)은 수정 및 보완을 통해 최종 모델이 도출되었다. 이때, 주요 설계변경은 수직하중에 취약한 프레임을 보강하기 위해 하중점을 분산시켰으며, 제작성을 향상시키기 위해 프레임간의 연결은 체결볼트에서 용접으로 수정되었고 구조물에 대한 강성 및 강도 보완이 수행되었다.
- (5) 일괄처리 기능을 갖는 피로해석 전용 프로그램(winLIFE)을 이용하여 피로강도 평가를 수행하였으며, 주운용하중조건을 조합하여 얻은 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 따라서, 대차 프레임과 같이 피로평가가 반드시 필요한 구조물에 대한 피로강도 평가시에 일괄처리를 이용한 피로해석을 통해 빠른 설계검증을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
- 729mm가 상부 프레임에서 발생됨을 확인하였다. 1차 설계모델의 구조해석 결과 수직하중을 직접적으로 받는 프레임 부분의 강도가 취약하여 구조적 보강이 필요한 것으로 판단되었다. 또한, 각 하중조건에 따른 변위가 많이 발생되어 강성 보강 역시 필요한 것으로 판단되었다.
- 535mm가 좌우하중을 받는 하부 프레임에서 발생됨을 확인하였다. 3차 설계 모델의 구조해석 결과 최대응력이 항복강도 이내로 안전함을 확인하 였으며, 변위결과 역시 전체적으로 감소된 것을 확인할 수있었다. Fig.
- 반면, 피로해석 프로그램을 이용한 방법은 기본하중 조건에 대해서만 구조해석을 수행하고, 이에 대한 하중값을 지정해주면 프로그램 자체적으로 일괄처리(batch-processing)하여 각 하중별 결과를 조합하여 도출한다. 또한, 하중조건 변경시에도 피로해석은 하중값만 변경하여 새로운 결과를 얻을 수 있으며, 운행시험 등을 통해 얻을 수있는 변동하중을 적용한 피로강도 평가가 가능하다.
- 2차 설계모델의 구조해석 결과 1차 설계모델과 마찬가지로 수직하중을 받는 프레임 부분이 구조적으로 취약하여 보완이 필요한 것으로 판단되었다. 반면, 변위 결과는 1차 설계모델에 비해 전체 적으로 감소되어 강성은 다소 향상된 것으로 확인할 수 있었다. Fig.
- Table 7은 대차 프레임의 3차 모델에 대한 구조해석 결과를 보여준다. 이때, 최대 Von-Mises 응력은 두 번째 하중조건에서 226.6MPa이 구동축을 고정시켜주는 프레임 모서리에서 발생하였으나, 이는 SM490A의 항복강도인 330MPa 보다 낮아 구조적으로 안전함을 확인하였다. 이때, 안전계수(n)는 1.
- 현재 모노레일 대차 프레임에 대한 평가 기준은 규정되지 않은 실정이며, 이에 구조 안전성 평가는 일본의 모기업에서 유사한 구조로 제작되어 현재 운행중인 모노레일의 대차 프레임에 대한 시험평가서를 기초로 하여 하중조건을 선정 하였다. 이때, 피로강도 평가를 추가로 수행하고자 유럽철도 규격인 UIC 615-4를 적용하여 하중조건을 비교한 결과 시험평가서에 비해 동하중계수 등의 차이로 인해 각 하중값이 높은 것을 확인하였다. 이에 본 연구에서는 설계된 모노레일 대차프레임에 UIC 615-4기준의 적용을 통해 더 가혹한 하중조건에서 평가기준을 만족하고 신뢰성을 높일 수 있다고 판단되어, 이에 대한 구조안전성 및 피로강도 평가를 수행하였다.
- 9는 피로해석을 통해 얻은 각 절점별 평균응력과 응력진폭 결과를 Goodman 선도상에 나타낸 것으로서, UIC 615-4 기준에 따른 주운용하중조건 결과와 비교하여 나타냈다. 이때, 피로해석을 통해 얻은 피로한도 결과분포가 주운 용하중조건에 따른 결과와 전체적으로 잘 일치함을 확인하였다.
- 2MPa이 수직하중을 받는 프레임 부분에서 발생되었으며, 이는 SM400의 항복강도인 250MPa 이상으로 구조적 안전성을 만족하지 못하였다. 최대 변위 역시 첫 번째 하중조건에서 6.729mm가 상부 프레임에서 발생됨을 확인하였다. 1차 설계모델의 구조해석 결과 수직하중을 직접적으로 받는 프레임 부분의 강도가 취약하여 구조적 보강이 필요한 것으로 판단되었다.
- 또한, 추후 설계된 대차프레임의 제작을 통한 시험적 평가를 수행하여 안전성 유무를 검증할 예정이다. 최대 변위는 세 번째 하중조건에서 1.535mm가 좌우하중을 받는 하부 프레임에서 발생됨을 확인하였다. 3차 설계 모델의 구조해석 결과 최대응력이 항복강도 이내로 안전함을 확인하 였으며, 변위결과 역시 전체적으로 감소된 것을 확인할 수있었다.
- 3MPa이 수직하중을 받는 프레임의 용접부 분에서 발생하였으며, 이는 STKR400의 항복강도인 245MPa 이상으로 아직까지 구조적 안전성을 만족하지 못하였다. 최대 변위는 세 번째 하중조건에서 2.282mm가 좌우하중을 받는 하부 프레임에서 발생됨을 확인하였다. 2차 설계모델의 구조해석 결과 1차 설계모델과 마찬가지로 수직하중을 받는 프레임 부분이 구조적으로 취약하여 보완이 필요한 것으로 판단되었다.
- 피로강도 평가결과 구조해석 시에 높은 응력결과를 나타낸 절점들에 대한 결과가 용접후 그라인딩선 안에 나타났으며, 이를 통해 설계된 대차 프레임이 피로한도 기준인 107 사이클 이상의 수명을 갖는 것으로 확인하였다.
후속연구
- (5) 일괄처리 기능을 갖는 피로해석 전용 프로그램(winLIFE)을 이용하여 피로강도 평가를 수행하였으며, 주운용하중조건을 조합하여 얻은 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 따라서, 대차 프레임과 같이 피로평가가 반드시 필요한 구조물에 대한 피로강도 평가시에 일괄처리를 이용한 피로해석을 통해 빠른 설계검증을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
- 따라서, 본 연구를 통해 검증된 피로해석 방법을 통하여 추후 대차 프레임에 대한 피로강도 평가시에 활용할 수 있을 것으로 사료되며, 이를 통해 보다 빠른 피로강도 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
- 46으로 일반 대차프레임 기준에 비해 다소 낮지만, 모노레일의 경우 저속으로 운행되며 고무차륜을 적용한 전용 선로를 운행하는 특성을 갖고 있어 돌발적인 외부하중 등이 비교적 적으므로 현재의 안전계수 값을 안전한 것으로 판단 하였다. 또한, 추후 설계된 대차프레임의 제작을 통한 시험적 평가를 수행하여 안전성 유무를 검증할 예정이다. 최대 변위는 세 번째 하중조건에서 1.
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