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NTIS 바로가기복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.23 no.5, 2010년, pp.22 - 29
전광우 (한밭대학교, 기계설계공학과, 경량구조 및 CAE 실험실) , 신광복 (한밭대학교, 기계설계공학과) , 김정석 (한국철도기술연구원)
This paper describes the evaluations of tension-compression fatigue characteristics and life for glass fiber/epoxy laminate composite applied to railway bogie to reduce weight. Test samples of tension-compression fatigue were composed of glass fiber/epoxy 4-harness woven laminate composites with dif...
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핵심어 | 질문 | 논문에서 추출한 답변 |
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철도차량의 경량화는 어떤 파급효과를 얻을 수 있는가? | 철도차량은 높은 단위 수송력 및 에너지 효율을 지니고 있어 최근 친환경 지상운송수단으로 각광받고 있으며, 이를 극대화하기 위한 경량화 연구가 활발히 진행되고 있다. 철도차량의 경량화는 운행속도의 향상과 에너지 효율 증가뿐만 아니라, 유효 탑재량 증가, 유지보수 비용 저감 등의 파급효과를 얻을 수 있다[1-3]. 따라서, 철도차량의 경량화는 차량개발 단계에서 필수적인 요구사항으로 받아들여지는 추세이다[4]. | |
보편적인 철도차량의 경량화 방법은 무엇인가? | 따라서, 철도차량의 경량화는 차량개발 단계에서 필수적인 요구사항으로 받아들여지는 추세이다[4]. 철도차량의 보편적인 경량화 방법으로는 기존 차량 구성 재질을 경량화 소재로 대체하는 것이다[5]. 소재 대체를 통한 철도차량의 경량화는 1세대 차체 재료인 강재(steel) 및 스테인레스강(stainless steel)으로부터 2세대 차체 재료인 알루미늄(aluminum)으로 경량화 하였으며, 최근 3세대 차체 재료인 복합재(composite)를 이용한 경량화 연구가 활발히 진행되고 있다[6-7]. | |
철도차량이 최근 친환경 지상운송수단으로 각광받고 있는 이유는? | 철도차량은 높은 단위 수송력 및 에너지 효율을 지니고 있어 최근 친환경 지상운송수단으로 각광받고 있으며, 이를 극대화하기 위한 경량화 연구가 활발히 진행되고 있다. 철도차량의 경량화는 운행속도의 향상과 에너지 효율 증가뿐만 아니라, 유효 탑재량 증가, 유지보수 비용 저감 등의 파급효과를 얻을 수 있다[1-3]. |
N. Y. Jung, and S. B. Lee, "Light Weight by Application of Aluminum Honeycomb Sandwich Panels in End Door of Rolling Stock," Autumn Conference of The Korean Society of Machine Tool Engineers Conference, 1997, pp. 284-291.
철도차량의 경량화는 운행속도의 향상과 에너지 효율 증가뿐만 아니라, 유효 탑재량 증가, 유지보수 비용 저감 등의 파급효과를 얻을 수 있다[1-3].
J. S. Koo, and H. J. Cho, "A Method to estimate the Weight-reduction of Hybrid Bodyshells by Material Substitution," The Korean Society for Railway, Vol. 9, No. 6, 2006, pp. 635-643.
철도차량의 경량화는 운행속도의 향상과 에너지 효율 증가뿐만 아니라, 유효 탑재량 증가, 유지보수 비용 저감 등의 파급효과를 얻을 수 있다[1-3].
T. S. Kwon, H. Y. Lee, and H. Shin, "Introduction to the material substitution design method for the weight reduction of rolling stock carbody," Autumn Conference of The Korean Society for Railway Conference, 2003, pp. 446-454.
철도차량의 경량화는 운행속도의 향상과 에너지 효율 증가뿐만 아니라, 유효 탑재량 증가, 유지보수 비용 저감 등의 파급효과를 얻을 수 있다[1-3].
K. B. Shin, D. H. Koo, S. H. Han, K. J. Park, " A Study on Material Selection of the Carbody Structure of Korean Tilting Train eXpress(TTX) through the Verification of Design Requirements," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 7, No. 2, 2004, pp. 77-84.
따라서, 철도차량의 경량화는 차량개발 단계에서 필수적인 요구사항으로 받아들여지는 추세이다[4].
K. B. Shin, B. J. Ryu, J. Y. Lee, S. J. Lee, S. H. Jo, "Evaluation of the Structural Integrity of a Sandwich Composite Train Roof Structure," Autumn Conference of The Korean Society for Railway Conference, 2005, pp. 46-51.
철도차량의 보편적인 경량화 방법으로는 기존 차량 구성 재질을 경량화 소재로 대체하는 것이다[5].
K. B. Shin, B. J. Ryu, J. Y. Lee, S. J. Lee, and S. H. Jo, "A Study on Manufacturing Technology and Evaluation of the Structural Integrity of a Sandwich Composite Train Roof Structure," The Korean Society for Railway, Vol. 9, No. 1, 2006, pp. 46-51.
소재 대체를 통한 철도차량의 경량화는 1세대 차체 재료인 강재(steel) 및 스테인레스강(stainless steel)으로부터 2세대 차체 재료인 알루미늄(aluminum)으로 경량화 하였으며, 최근 3세대 차체 재료인 복합재(composite)를 이용한 경량화 연구가 활발히 진행되고 있다[6-7].
K. B. Shin, and S. H. Han, "Evaluation of Static Stability of Hybrid Carbody Structures of Korean Tilting Train eXpress Including Degradation Effects of Composite Materials under Ground Environments," The Korean Society for Mechanical Engineers, Vol. 28, No. 6, 2005, pp. 807-815.
Y. S. Lee, J. H. Kim, H. C. Lee, K. N. Kil and B. J. Park, "A Study the Application of 3D Sandwich Composite Structures to the Double-deck Light Train Carbody," Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 3, No. 2, 2000, pp. 92-99.
3세대 철도차량 재료인 복합재료는 1990년 후반부터 100km/h이하의 경량전철, 모노레일 및 자기부상열차의 차체 구조물에 적용 되었으며, 180km/h급 중고속열차의 경우 루프(roof), 사이드 구조(side structure)등에 제한적으로 적용되어 왔다[8-10].
G. Belingardi, M. P. Cavtorta and R. Duella, "Material Characterization of a Composite Foam Sandwich for the Front Structure of a High Speed Train," Composite Structures, Vol. 61, 2003, pp. 13-25.
A. M. Harte, J. F. Mcnamara and I. D. Roddy , "A Multilevel Approach to the Optimization of a Composite Light rail Vehicle Bodyshell," Composite Structures, Vol. 63, 2004, pp. 447-453.
J. S. Kim, J. C. Jeong, S. H. Cho, and S. I. Seo, "Analytical and Experimental Studies on the Natural Frequency of a Composite Train Carbody," The Korean Society for Mechanical Engineers, Vol. 30, No. 4, 2006, pp. 473-480.
H. Y. Ko, K. B. Shin, J. C. Jeong, 2009, "A Study on the Comparison of Structural Performance Test and Analysis for Design Verification of Bimodal Tram Vehicle made of Sandwich Composites," The Korean Society for Railway, Vol. 12, No. 4, pp. 518-525.
최근 국내에서는 복합재를 차체 전체에 적용한 한국형 틸팅열차(TTX), 자동무인경전철(AGT) 그리고 바이모달 트램(Bimodal tram)이 개발되어 시험운행 중에 있다[11-13].
H. Y. Ko, K. B. Shin, S. H. Cho, D. H. Kim, 2008, "An Evaluation of Structural Integrity and Crashworthiness of Automatic Guideway Transit (AGT) Vehicle made of Sandwich Composites," The Korean Society of Composite Materials, Vol. 21, No. 5, pp. 15-22.
최근 국내에서는 복합재를 차체 전체에 적용한 한국형 틸팅열차(TTX), 자동무인경전철(AGT) 그리고 바이모달 트램(Bimodal tram)이 개발되어 시험운행 중에 있다[11-13].
B. H. Park, N. P. Kim, J. S. Kim, and K. Y. Lee, "Bogie Frame Design Considering Fatigue Strength and Minimize Weight," Autumn Conference of The Korean Society for Railway, 2004, pp. 131-136.
그러나, 철도차량의 중량 중 많은 부분을 차지하는 대차프레임의 경우 차체와 승객의 하중을 지지하는 특성으로 보수적인 설계가 수행되어 왔으며[14-15], 국내의 경우 복합재 적용 대차프레임 경량화 연구가 전무한 실정이다.
I. S. Yun, S. T. Kwon, J. S. Sun, N. J. Myung, W. H. Chung, T. S. Son, K. K. Kim, and S. C. Kim, "Integrity Evaluation of Bogie Frame by Ultrasonic Fractography Analysis," The Korean Society for Railway, Vol. 3, No. 2, 2000, pp. 112-118.
Maurin. L, J. Boussoir, S. Rougeault, M. Bugaud, P. Ferdinand, A. G. Landrot, Y. H. Grunevald, and T. Chauvin, "FBG-based Smart Composite Bogie for Railway Applications," IEEE Conference, Vol. 1, 2002, pp. 91-94.
복합재 적용 대차프레임의 경량화 연구 사례로 2001년도에 프랑스의 알스톰(Alstom)에서 개발된 200km/h급 TER 대차(TER bogie)에 부분적으로 복합재가 적용되었으며, 기존 금속재 대차프레임에 비하여 22%이상의 경량화 효과를 얻었다[16].
S. R. Lee, H. J. Lee, S. W. Han, J. Y. Kim, J. H. Cha, J. Y. Kang, C. K. Park, "Fatigue Design and Fatigue Strength Evaluation of Bogie Frame," Spring Conference of The Korean Society for Railway Conference, 2000, pp. 234-241.
이러한, 대차프레임은 차체와 승객하중에 의한 정적 하중과 운행 중 발생하는 진동 및 외부하중에 의하여 피로파손이 발생하게 된다[17].
W. J. Kim, S. Y. Song, G. S. Park, H. S. Park, "Evalution of static and fatigue strength applying European standard for the bogie frame of Diesel Multiple Unit," Autumn Conference of The Korean Society for Railway Conference, 2007, pp. 797-804.
따라서, 대차프레임의 설계 시 정적하중에 의한 구조적 안전성뿐만 아니라 반복적인 피로하중에 의한 강도평가가 반드시 수행되어야 한다[18].
R. J. Ming-hwa, J. M. Hsu, D. G. Hwang, 1990, "Fatigue Degradation in Centrally Notched Quasi-Isotropic Laminates," Composite Materials, Vol. 24, pp. 823-838.
S. S. Jang, 2007, "A Reliability Analysis on the Fatigue Life Prediction in Carbon/Epoxy Composite Material," The Korean Society of Industrial Application, Vol. 10, No. 3, pp. 143-147.
일반적으로 복합재의 피로파손은 금속재의 피로파손과 달리 피로과정에서의 강성저하가 발생하며, 반복하중에 의한 잔류강도가 저하됨에 따라 동적하중에 노출되는 구조물에 적용할 경우 피로특성에 대한 평가가 반드시 수행되어야 한다[19-20].
E. K. Gamstedt, and B. A. Sjoegren, "Micromechanisms in tension-compression fatigue of composite laminates containing transverse plies," Composites Science and Technology, Vol. 59, 1999, pp. 167-178.
J. H. Byun, "Prediction of Engineering Constants for Plain and 8-Harness Satin Woven Composites," The Korean Society for Mechanical Engineers, Vol. 21, No. 11, 1997, pp. 1757-1764.
외부 면재와 보강재를 구성하는 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재는 경사(warp)와 위사(fill)가 4회 주기로 교차하는 형태로써, 경사방향의 높은 강도 특성을 갖으며, 단일방향(uni-direction) 복합재료에 비하여 경사와 위사의 직각방향으로 높은 상호 안정성과 균형적인 평면 특성을 갖는다[22].
American Society for Testing Materials : ASTM D 3039, Standard Test Method for Tensile Properties of Polymer Matrix Composite Materials.
유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 파손강도 확인을 위한 시험은 적층 복합재 인장, 압축 시험규정인 ASTM D 3039[23], ASTM D 3410[24]에 의거하여 수행하였으며, 만능재료시험기(Instron-4484)를 사용하였다.
American Society for Testing Materials : ASTM D 3410, Standard Test Method for Compressive Properties of Polymer Matrix Composite Materials with Unsupported Gage Section by Shear Loading.
유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 파손강도 확인을 위한 시험은 적층 복합재 인장, 압축 시험규정인 ASTM D 3039[23], ASTM D 3410[24]에 의거하여 수행하였으며, 만능재료시험기(Instron-4484)를 사용하였다.
S. Y. Kim, Y. S. Kim, H. W. Kwon, J.H. Choi, J. M. Koo, and C. S. Seok, "Prediction of Fatigue Life for Holenotched Weave CFRP Plate," Spring Conference of The Korean Society of Composite Materials, 2010, pp. 128-133.
최근 적층 복합재에 대한 다양한 피로특성의 연구가 수행되고 있으며, 특히 홀 노치(hole-notch)등과 같은 섬유 불연속 구간의 피로수명 저하 예측에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다[25].
American Society for Testing Materials : ASTM D 3479, Standard Test Method for Tension-Tension Fatigue of Polymer Matrix Composite Materials.
이에, 본 연구에서는 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험을 ASTM D 3479[26]와 ISO 13003[27] 규정을 참고하여 수행하였으며, 압축 하중 시 발생하는 시편의 좌굴 방지를 위해 좌굴 방지 지그를 고안하여 적용하였다.
International Organization for Standardization : ISO 13003, Fibre reinforced plastics Determination of fatigue properties under cyclic loading conditions.
이에, 본 연구에서는 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험을 ASTM D 3479[26]와 ISO 13003[27] 규정을 참고하여 수행하였으며, 압축 하중 시 발생하는 시편의 좌굴 방지를 위해 좌굴 방지 지그를 고안하여 적용하였다.
Hwang, W. and han, K. S., "Fatigue of Composites Fatigue Modulus Concept and Life Prediction," Journal of Composite Materials, Vol. 20, 1986, pp. 154-165.
J. S. Park, C. S. Seok, J. M. Koo, J. H. S, B. C. Goo, "Fatigue Characteristics of SM490A Welded Joints for Bogie Frame," Journal of Korea Society for Precision Engineering, Vol. 21, 2004, pp. 146-153.
이때, 시험 주파수는 반복하중에 의한 시험편 내부의 자체 온도상승을 무시할 수 있는 5Hz로 선정하였으며[28], 피로한도는 일반적인 대차프레임 소재에서 요구되는 피로수명인 200만회 이상을 만족하는 107사이클로 선정하였다[29].
S. Mall, D.W. Katwyk, R.L. Bolick, A.D. Kelkar, D.C. Davis, "Tension-.compression fatigue behavior of a H-VARTM manufactured unnotched and notched carbon/epoxy composite," Composite Structures, Vol. 90, 2009, pp. 201-207.
H. Bryan., "Fatigue Composite Materials," CRC Press, 2003.
이에, Curtis[31], Bolick[32]는 인장-압축 피로시험 시 압축하중에 의한 좌굴을 방지하기 위하여 별도의 좌굴방지지그를 고안하였다.
Bolick. R. L, "A comparative study of unstitched, stitched, and Z-pinned plain woven composites under fatigue loading," PhD dissertation, North Carolina Agricultural and Technical State University, 2005.
이에, Curtis[31], Bolick[32]는 인장-압축 피로시험 시 압축하중에 의한 좌굴을 방지하기 위하여 별도의 좌굴방지지그를 고안하였다.
B. C. Goo, and S. Y. Yang, "Fatigue Life Prediction Considering Residual Stress Relaxation," International Congress of Theoretical and Applied Mechanics, 2004.
SM490의 피로특성은 참고문헌[33]을 통해 얻었으며, 이때 시험 조건은 일반적으로 금속재에 대해 많이 수행되는 응력비가 0.1인 인장-인장 하중 하에서의 결과이다.
Japanese Industrial Standard : JIS E 4702, Truck frames for railway rolling stock.
또한, 최대 응력에 따른 피로한도 비교는 대차프레임 피로시험 규정인 JIS E 4207[34]에 명시된 모재부와 용접부에 대해 각각 비교하였다.
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