선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 따라서, 본 연구에서는 철도차량에 활용이 나날이 증가하고 있는 경량화 재료인 샌드위치 복합재가 적용된 철도차량의 표준화된 유한요소 모델링 기법을 제시하기위해 구조시험 결과와 다양한 모델링 방법에 의해 해석 결과를 비교 하여 최적의 모델링 기법을 도출하고자 한다.
- 본 연구는 샌드위치 복합재가 적용된 철도차량 차체 구조물의 구조시험과 유한요소해석 결과를 비교하여 표준유한요소모델을 제시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
제안 방법
- (1) 샌드위치 복합재 적용 철도차량 차체 구조물의 유한 요소 모델링 방법으로서 2가지 방법의 모델링 기법을 제시하였으며, 이에 따라 바이모달 트램, 자동무인경전철, 틸팅 열차 차체의 구조시험 결과와 비교 평가하였다.
- 첫 번째 방법의 특징은 유한요소모델링과 해석을 쉽고 빠르게 수행하기위해 샌드위치 패널과 적층복합재에 적층 쉘 요소를 적용하였고, 보강재로 사용된 금속프레임은 3차원 Timoshenko 빔 요소를 사용하여 모사하였다. 두 번째 방법의 특징은 향후 충돌해석모델 적용과 상세 구조해석 검토를 위해 3차원 유한요소모델을 기반으로 샌드위치 패널의 면재가 되는 적층 복합재에는 적층 쉘 요소를 사용하였으며, 심재가 되는 하니컴 코어에는 솔리드요소를 사용하였다. 또한 보강재인 금속프레임에는 면내의 방향 거동을 고려하기 위해 탄성 쉘 요소를 사용하여 모사하였다.
- 그러나 요소의 특성상 중립면에 수직인 평면 즉, 하니컴 코어 부분이 변형이 일어난 후에도 평면을 유지하고 있어 실제 하니컴 코어의 거동을 표현할 수 없는 단점을 갖는다[17]. 두번째 방법은 샌드위치 패널의 면재와 심재를 모두 고려한 방법으로서, 면재는 적층 쉘 요소를 사용하여 모델링하였고 심재는 솔리드 요소를 사용하여 모사하였다. 이 모델링 방법은 샌드위치 복합재의 실제적인 거동을 표현할 수 있으나, 첫 번째 방법에 비해 모델링 시간이 많이 소요되는 단점을 갖는다.
- 두 번째 방법의 특징은 향후 충돌해석모델 적용과 상세 구조해석 검토를 위해 3차원 유한요소모델을 기반으로 샌드위치 패널의 면재가 되는 적층 복합재에는 적층 쉘 요소를 사용하였으며, 심재가 되는 하니컴 코어에는 솔리드요소를 사용하였다. 또한 보강재인 금속프레임에는 면내의 방향 거동을 고려하기 위해 탄성 쉘 요소를 사용하여 모사하였다.
- 이때, 차축에 의해 실제 지지되는 4곳에 지그를 적용하였으며, 차체의 바닥에는 변위를 측정할 수 있는 다이얼게이지를 설치하였다. 또한, 차량의 응력집중이 많이 발생하는 창문의 모서리와 출입문 모서리 부분에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정 하였다. Fig.
- 제시된 2가지 유한요소모델 방법에 대해 최적의 복합재 차체 유한요소모델을 도출하기 위해 바이모달 트램의 Carriage 1과 Carriage 3의 2량, 자동무인경전철(APM) 그리고 틸팅차량(TTX)에 대해 모델링을 수행하였다. 바이모달 트램과 자동무인경전철은 2가지의 유한요소모델링 방법을 모두 적용 하여 검증하였고, 틸팅차량의 경우에는 두 번째 유한요소모델링 방법만을 비교하였다. 이때 시험을 통해 측정된 각 하중조건에서의 최대 처짐, 변형률 및 고유진동수를 해석 결과와 비교하였다.
- 샌드위치 복합재가 적용된 철도차량의 표준유한요소모델을 제시하기 위하여 최근 개발되어 시험 운행 중인 바이모달 트램, 자동무인경전철(APM), 틸팅열차(TTX)의 차체 구조물에 대해 구조시험과 유한요소해석의 결과 비교를 통한 표준유한요소모델의 검증을 수행하였다.
- 본 연구에 사용된 샌드위치 복합재 적용 바이모달 트램, 자동무인경전철, 틸팅열차 차체구조물의 경우 철도차량 시험기준인 JIS E 7105를 기준으로 시험을 수행하였다. 시험의 종류로는 수직하중, 압축하중, 비틀림 하중, 3점지지, 고유진동수 시험을 통해 변형률, 처짐, 고유진동수를 각각 측정하였다[20].
- 바이모달 트램과 자동무인경전철은 2가지의 유한요소모델링 방법을 모두 적용 하여 검증하였고, 틸팅차량의 경우에는 두 번째 유한요소모델링 방법만을 비교하였다. 이때 시험을 통해 측정된 각 하중조건에서의 최대 처짐, 변형률 및 고유진동수를 해석 결과와 비교하였다.
- 이때, 복합재가 적용된 철도차량 차체 구조물에 대한 유한요소 모델링 기법 제시를 위하여 국내·외에서 수행된 연구들을 참조하여 Table 2와 같이 차체구조물의 각 부분에 대해 2가지 유한요소모델링 방법을 고려하여 비교하였다[15,16].
- 이 모델링 방법은 샌드위치 복합재의 실제적인 거동을 표현할 수 있으나, 첫 번째 방법에 비해 모델링 시간이 많이 소요되는 단점을 갖는다. 이때, 육각형 하니컴 셀 형상을 그대로 적용하기에는 모델링 시간 및 해석 수렴 시간이 많이 소요되므로 유효등가손상모델을 적용하여 모사하였다[18].
- 이때, 차축에 의해 실제 지지되는 4곳에 지그를 적용하였으며, 차체의 바닥에는 변위를 측정할 수 있는 다이얼게이지를 설치하였다. 또한, 차량의 응력집중이 많이 발생하는 창문의 모서리와 출입문 모서리 부분에 스트레인 게이지를 부착하여 변형률을 측정 하였다.
- 제시된 2가지 유한요소모델 방법에 대해 최적의 복합재 차체 유한요소모델을 도출하기 위해 바이모달 트램의 Carriage 1과 Carriage 3의 2량, 자동무인경전철(APM) 그리고 틸팅차량(TTX)에 대해 모델링을 수행하였다. 바이모달 트램과 자동무인경전철은 2가지의 유한요소모델링 방법을 모두 적용 하여 검증하였고, 틸팅차량의 경우에는 두 번째 유한요소모델링 방법만을 비교하였다.
- 첫 번째 방법의 특징은 유한요소모델링과 해석을 쉽고 빠르게 수행하기위해 샌드위치 패널과 적층복합재에 적층 쉘 요소를 적용하였고, 보강재로 사용된 금속프레임은 3차원 Timoshenko 빔 요소를 사용하여 모사하였다. 두 번째 방법의 특징은 향후 충돌해석모델 적용과 상세 구조해석 검토를 위해 3차원 유한요소모델을 기반으로 샌드위치 패널의 면재가 되는 적층 복합재에는 적층 쉘 요소를 사용하였으며, 심재가 되는 하니컴 코어에는 솔리드요소를 사용하였다.
대상 데이터
- Table 1은 바이모달 트램, 자동무인경전철, 틸팅열차의 각 차체 구조물에 적용된 구성 재료를 나타내었다. 이때, 바이모달 트램은 차체와 언더프레임에 샌드위치 패널이 적용되 었으며, 차량의 강성을 높이기 위하여 알루미늄 압출재를 보강재로 사용하였다. 또한, 자동무인경전철과 틸팅열차의 차체에는 샌드위치 패널이 적용되었으며, 언더프레임과 보강재는 스테인레스 스틸 압출재가 적용되었다.
데이터처리
- 바이모달 트램과 자동무인경전철의 시험과 해석결과의 비교를 통해 제시된 유한요소 모델링 기법 중 2번째 방법이더 오차율이 작은 것을 확인하였으며, 이에 틸팅열차는 2번째 방법의 모델링을 사용하여 시험결과와 비교 검증하였다. Fig.
이론/모형
- 본 연구에 사용된 샌드위치 복합재 적용 바이모달 트램, 자동무인경전철, 틸팅열차 차체구조물의 경우 철도차량 시험기준인 JIS E 7105를 기준으로 시험을 수행하였다. 시험의 종류로는 수직하중, 압축하중, 비틀림 하중, 3점지지, 고유진동수 시험을 통해 변형률, 처짐, 고유진동수를 각각 측정하였다[20].
- 본 연구에서 유한요소해석은 구조해석에 많이 사용되는 상용 소프트웨어인 ANSYS V11.0을 사용하였다. 이때, 복합재가 적용된 철도차량 차체 구조물에 대한 유한요소 모델링 기법 제시를 위하여 국내·외에서 수행된 연구들을 참조하여 Table 2와 같이 차체구조물의 각 부분에 대해 2가지 유한요소모델링 방법을 고려하여 비교하였다[15,16].
성능/효과
- (2) 바이모달 트램과 자동무인경전철의 차체 구조물에 대한 구조시험과 제시된 유한요소 모델링 방법에 따른 해석 결과의 비교를 통하여 샌드위치 패널은 적층 쉘 요소와 솔리드 요소, 보강재는 탄성 쉘 요소가 적용된 방법에서 결과가더 잘 일치함을 보였다.
- (3) 제시된 유한요소모델 중 바이모달 트램과 자동무인경전철 차량의 시험과 해석결과 비교에서 작은 오차율을 보인두 번째 모델링 방법을 통해 틸팅열차의 구조시험 결과와 해석 결과를 비교하였으며, 이때 처짐, 변형률 및 고유진동수 결과가 잘 일치함을 확인하였다.
- (4) 쉘과 빔 요소만으로 수행된 첫 번째 모델링 방법은 유한요소모델링과 해석은 쉽고 빠르게 수행되나 요소의 특성상 전체적인 거동만을 평가하기에 유용하다. 반면, 샌드위치 구조와 보강재를 3차원 솔리드 요소와 쉘 요소로 모사한 두번째 모델링 방법은 향후 차량의 충돌해석 문제에 적용을 위한 3차원 유한요소모델링을 기반으로 하여 차량의 정확한 모사가 가능하며, 구조해석 시 정확한 거동뿐만 아니라 변형 률도 잘 일치하는 것으로 확인하였다.
- Table 12는 굽힘 고유진동수 결과로, 시험과 해석결과가 2.2%이내의 오차율로 비교적 잘 일치함을 확인하였으며, 철도차량의 굽힘 고유진동수 안전기준인 10Hz 이상을 만족하는 것을 확인하였다. Fig.
- Table 8은 최대변형률 결과를 나타낸 것으로서, 첫 번째 방법의 결과에서는 시험과 해석 결과가 18.5~35.1%의 오차범위로 잘 일치하지 않는 반면, 두 번째 방법의 해석결과는 5.7~7.8%의 오차 범위를 보이며, 첫 번째 방법의 해석결과에 비해 잘 일치하는 것을 확인하였다.
- Table 9는 굽힘 고유진동수 결과로, 첫 번째 방법의 결과에서는 시험과 해석결과가 8.1%의 오차를 나타내는 것에 비해 두 번째 방법에서는 0.9%의 오차로 잘 일치함을 확인하였다.
- 각 하중별 최대 처짐 결과는 사이드실 부분에서 발생한 것으로, 특히 수직하중시험에서 최대 처짐 허용 기준 (15.97mm)보다 작게 나와 구조적인 안전성을 확보할 수 있 었다. Fig.
- 이때, 오차가 많이 발생한 Carriage 1차량의 비틀림 고유진동수의 경우 측정값이 작아 시험과정에서 발생할 수 있는 가속도 측정센서의 부착위치, 측정데이터의 분석 오차 및 지지조건의 차이 등으로 인해 크게 발생된 것으로 판단된다. 그러나 각 시험과 해석 결과의 비교를 통하여 첫 번째 모델에 비해 두번째 모델에서 오차가 작아짐을 확인할 수 있었다.
- 두 번째 방법에서 역시 Carriage 3 차체의 압축하중과 비틀림 하중을 제외하고는 7.2% 이내로 비교적 잘 일치함을 확인하였으며, 전체적으로 두 번째 모델링 방법에서 오차율이 감소된 것을 확인할 수 있었다. 이때, 압축하중에 의한 결과의 큰 오차는 발생된 처짐 결과가 작아 시험 과정에서 발생한 오차로 인해 크게 발생한 것으로 판단되며, 동일한 유한요소해석 모델을 이용한 다른 하중조건에 비해 오차가 크게 발생한 비틀림 하중조건은 시험 시 발생할 수 있는 처짐측정 위치, 하중 및 지지조건 등에 따른 시험적 오차와 차체 프레임에서 일부 발생된 소성변형에 의한 것으로 사료된다.
- 그러나 쉘 요소가 갖는 평면응력과 평면 변형률을 구할 수 없는 단점을 가지게 된다[19]. 두 번째 방법은 탄성 쉘 요소를 사용하여 보강재를 모델링하는 방법으로서, 보강재의 국부적인 변형 및 결과를 확인할 수 있다. 그러나 실제 보강재의 단면 형상을 고려해야 되므로 모델링 시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
- 7% 이내의 오차율을 나타내는 것을 확인하였다. 두번째 방법에서는 압축하중을 제외하고 3.0%의 오차율로 첫번째 방법의 결과보다 잘 일치함을 확인하였다. 이때, 압축하중시험에서는 처짐 값을 측정하는 센서의 문제로 인하여 데이터를 얻지 못하였으며, 이에 재시험을 통한 측정이 필요하지만 압축하중을 받는 프레임에서 소성변형과 국부적 좌 굴이 발생하여 재시험을 수행하지 못하였다.
- 본 연구를 통하여 확인된 빔 요소와 쉘 요소를 적용한 첫번째 모델링 방법은 빠른 모델링 시간과 전체적인 차량의 거동을 확인할 수 있어 개발초기단계에 효과적으로 적용할 수있을 것으로 사료되지만, 샌드위치 복합재가 갖는 굽힘과 전단에 대한 특성을 잘 모사하지 못해 상세 설계단계와 부분 적인 설계변경을 위해서는 적합하지 않으며, 특히 빔 요소의 사용으로 인해 구조시험 시 측정하는 변형률과 비교하였을 때 큰 오차를 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 샌드위치 복합재 적용 차체 구조물의 유한요소 해석에서는 쉘 요소와 솔리드 요소를 적용한 두 번째 타입의 모델링 기법이 표준유한요소모델로서 적합한 것으로 판단된다. 또한, 제시된 표준유한요소 모델을 이용하여 실제 모델형상이 고려되는 충돌해석 모델에 적용 시에 접촉조건, 구속방정식 등의 최소한의 수정을 통하여 효과적으로 적용할 수 있으며, 이를 통해 샌드위치 복합재 및 보강재의 파손 및 변형 결과를 확인할 수 있을 것으로 사료된다.
- Table 5는 수직하중, 압축하중, 비틀림에 대한 차체 구조물의 창틀과 출입문 모서리 부분에 발생한 변형률 중 최대 변형률이 발생한 지점을 비교하여 나타내었다. 먼저 첫 번째 방법에서 시험과 해석의 변형률 결과는 12.0~43.1%의 비교적 큰 오차 범위를 갖는 것을 확인하였으나, 두 번째 방법에서는 1.0~9.7%로 오차 범위가 작아짐을 보였다. 이는 유한요소모델링을 구성하는 요소의 차이로 인해 나타난 것으로 빔 요소를 사용한 첫 번째 방법의 경우 쉘 요소가 갖는 평면 응력과 평면 변형률을 구할 수 없고 실제 형상을 모사할 수 없어 큰 오차가 발생한 것을 확인하였다.
- 바이모달 트램과 자동무인경전철의 복합재 차체 구조물에 대해 2가지 타입의 유한요소 모델링 기법을 적용하여 구조 시험과 해석결과를 비교하였으며, 이를 통해 두 번째 모델링 방법이 오차가 적은 것을 확인하였다. 이는 첫 번째 모델링 기법에서는 요소 특성상 차체의 전체적인 거동을 확인할 수 있는 반면, 샌드위치 복합재의 굽힘 및 전단의 특성을 고려하지 않았고 빔 요소의 사용으로 인해 보강재 부분에 대한 정확한 모사를 할 수 없었기에 두 번째 모델링 기법에 비해 오차율이 크게 발생한 것으로 판단된다.
- (4) 쉘과 빔 요소만으로 수행된 첫 번째 모델링 방법은 유한요소모델링과 해석은 쉽고 빠르게 수행되나 요소의 특성상 전체적인 거동만을 평가하기에 유용하다. 반면, 샌드위치 구조와 보강재를 3차원 솔리드 요소와 쉘 요소로 모사한 두번째 모델링 방법은 향후 차량의 충돌해석 문제에 적용을 위한 3차원 유한요소모델링을 기반으로 하여 차량의 정확한 모사가 가능하며, 구조해석 시 정확한 거동뿐만 아니라 변형 률도 잘 일치하는 것으로 확인하였다.
- 본 연구를 통하여 확인된 빔 요소와 쉘 요소를 적용한 첫번째 모델링 방법은 빠른 모델링 시간과 전체적인 차량의 거동을 확인할 수 있어 개발초기단계에 효과적으로 적용할 수있을 것으로 사료되지만, 샌드위치 복합재가 갖는 굽힘과 전단에 대한 특성을 잘 모사하지 못해 상세 설계단계와 부분 적인 설계변경을 위해서는 적합하지 않으며, 특히 빔 요소의 사용으로 인해 구조시험 시 측정하는 변형률과 비교하였을 때 큰 오차를 나타내는 것을 확인하였다. 따라서 샌드위치 복합재 적용 차체 구조물의 유한요소 해석에서는 쉘 요소와 솔리드 요소를 적용한 두 번째 타입의 모델링 기법이 표준유한요소모델로서 적합한 것으로 판단된다.
- Table 10은 틸팅열차의 구조시험과 표준유한요소모델이 적용된 구조해석을 통하여 수직하중, 압축하중, 비틀림 하중에 따른 최대 처짐 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 시험과 해석을 비교한 결과 10%이내의 오차율을 나타내는 것을 확인하였으며, 이때 압축하중의 경우 측정된 처짐 결과치가 작아 오차율이 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 7%로 오차 범위가 작아짐을 보였다. 이는 유한요소모델링을 구성하는 요소의 차이로 인해 나타난 것으로 빔 요소를 사용한 첫 번째 방법의 경우 쉘 요소가 갖는 평면 응력과 평면 변형률을 구할 수 없고 실제 형상을 모사할 수 없어 큰 오차가 발생한 것을 확인하였다.
- 제안된 유한요소 모델링 방법을 통해 틸팅열차의 차체 구조물에 적용한 결과 처짐과 변형률 값이 시험과 비교적 잘 일치하는 것을 확인하였으며, 고유 진동수 역시 잘 일치함을 확인하였다.
- Table 6은 굽힘과 비틀림 고유진동수 시험과 해석 결과를 비교하여 나타낸 것이다. 첫 번째 방법에서는 Carriage 1차량의 비틀림 고유진동수를 제외하고 9.1%이내의 오차를 보였으며, 두 번째 방법에서 역시 Carriage 1차량의 비틀림 고유진동수를 제외하고 8.3%의 오차를 확인하였다. 이때, 오차가 많이 발생한 Carriage 1차량의 비틀림 고유진동수의 경우 측정값이 작아 시험과정에서 발생할 수 있는 가속도 측정센서의 부착위치, 측정데이터의 분석 오차 및 지지조건의 차이 등으로 인해 크게 발생된 것으로 판단된다.
- 3과 같이 모델링을 수행하였다. 첫 번째 방법은 3차원 Timoshenko 빔 요소를 사용한 모델링 방법으로서, 이론의 간결성, 해석속도의 향상, 빔 속성의 정확한 모사 및 단면정의를 간편하게 적용할 수 있어 모델 수정에 용이한 특성을 갖는다. 그러나 쉘 요소가 갖는 평면응력과 평면 변형률을 구할 수 없는 단점을 가지게 된다[19].
후속연구
- (5) 본 연구를 통해 제시된 표준유한요소모델을 통하여 추후 샌드위치 복합재 적용 차체 구조물의 개발 시에 구조해석을 통해 보다 정확한 결과를 예측할 수 있으며, 이에 따른 개발 비용 및 기간을 절감할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 충돌해석 시에 동일한 유한요소 모델을 최소한의 수정을 통하여 사용할 수 있어 효율성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
- 이때, 압축하중에 의한 결과의 큰 오차는 발생된 처짐 결과가 작아 시험 과정에서 발생한 오차로 인해 크게 발생한 것으로 판단되며, 동일한 유한요소해석 모델을 이용한 다른 하중조건에 비해 오차가 크게 발생한 비틀림 하중조건은 시험 시 발생할 수 있는 처짐측정 위치, 하중 및 지지조건 등에 따른 시험적 오차와 차체 프레임에서 일부 발생된 소성변형에 의한 것으로 사료된다. 따라서, 시험차량에 대해 하중조건 및 구속조건에 대한 확인을 통하여 추가적인 구조시험이 필요하나 시제차가 제작되어 수행되지 못하였다.
- 따라서 샌드위치 복합재 적용 차체 구조물의 유한요소 해석에서는 쉘 요소와 솔리드 요소를 적용한 두 번째 타입의 모델링 기법이 표준유한요소모델로서 적합한 것으로 판단된다. 또한, 제시된 표준유한요소 모델을 이용하여 실제 모델형상이 고려되는 충돌해석 모델에 적용 시에 접촉조건, 구속방정식 등의 최소한의 수정을 통하여 효과적으로 적용할 수 있으며, 이를 통해 샌드위치 복합재 및 보강재의 파손 및 변형 결과를 확인할 수 있을 것으로 사료된다.
- (5) 본 연구를 통해 제시된 표준유한요소모델을 통하여 추후 샌드위치 복합재 적용 차체 구조물의 개발 시에 구조해석을 통해 보다 정확한 결과를 예측할 수 있으며, 이에 따른 개발 비용 및 기간을 절감할 수 있을 것으로 사료된다. 또한, 충돌해석 시에 동일한 유한요소 모델을 최소한의 수정을 통하여 사용할 수 있어 효율성을 높일 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.