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 철도차량 대차프레임의 경량화를 위해 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 피로특성 및 수명을 인장-압축 피로시험을 통하여 평가하였으며, 대차프레임의 피로강도 평가를 위해 요구되는 Goodman 선도 역시 도출하였다. 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험은 응력비(R)를 -1로 적용하였고, 시험 주파수는 5Hz 그리고 피로한도는 107사이클로 선정하였다.
- 본 연구는 철도차량용 대차프레임의 경량화를 위하여 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 적층 방향에 따른 인장-압축 피로시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 이에, Curtis[31], Bolick[32]는 인장-압축 피로시험 시 압축하중에 의한 좌굴을 방지하기 위하여 별도의 좌굴방지지그를 고안하였다. 본 연구에서는 Curtis가 제안한 좌굴방지지그를 수정 보완하여 제작하였다.
제안 방법
- 각 복합재의 적층 방향에 따른 기계적 물성의 차이를 고려하여 Fig. 7과 같이 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 피로 시험을 통해 얻은 S-N 선도를 최대응력에 대해서도 나타내었다. 이때, 피로한도인 107 사이클에서의 최대응력은 경사방향은 141.
- 대차프레임의 외부 면재와 보강재를 구성하는 유리섬유/에폭시 복합재료의 인장-압축 피로시험을 수행하기 위하여 파손 강도(Su)를 확인하였다. 이때, 외부 면재를 구성하는 복합재료의 각 적층방향에 따른 피로특성을 확인하기 위해 위사, 경사 그리고 ±45° 방향의 시험편을 제작하고 인장, 압축에 대한 파손강도를 확인하였다.
- 이때, 압축하중 시 발생할 수 있는 시험편의 좌굴을 방지하기 위해 좌굴방지지그(anti-buckling jig)를 고안하여 적용하였다. 또한, 기존 대차프레임에 일반적으로 적용되는 금속재 재질인 SM490과의 피로특성에 대한 비교 평가를 수행하였다.
- 또한, 시편의 거동을 육안으로 확인하기 위해 고속카메라(EoSence CL)를 사용하여 1000fps로 촬영하였다. 이때, 시편과 좌굴방지지그 사이의 횡방향 간섭과 시편의 국부적인 좌굴현상이 발생하지 않음을 확인하였다.
- 이때, 시험편을 고정하는 강재 플레이트 하부는 슬롯가공을 통하여 시험편의 미끌림을 방지하였다. 또한, 시험편과 스페이서의 마찰을 최소화하기 위하여 접촉부에 폴리에스테르 필름을 적용하였다.
- 1인 인장-인장 하중 하에서의 결과이다. 또한, 최대 응력에 따른 피로한도 비교는 대차프레임 피로시험 규정인 JIS E 4207[34]에 명시된 모재부와 용접부에 대해 각각 비교하였다.
- 복합재 대차프레임 제작은 볼스터와 사이드 프레임 형상을 갖는 PVC 폼 코어를 제작하고, 폼 코어 양면에 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 복합재를 경사방향으로 적층하여 보강재를 제작한다. 이후, 80℃의 온도와 1.
- 본 연구에서 수정 보완된 좌굴방지지그의 좌굴유무를 검증하기 위해 피로시험과 동일한 응력비(R=-1)와 주파수(5Hz)에서 시험편에 발생하는 변형률 측정하고 지그의 검증을 수행하였다. 이때, 변형률 측정은 피로시험편 각 위치에서 발생하는 변형률을 확인하기 위하여 상단(P1), 중간(P2) 그리고 하단(P3)의 위치를 선정하여 접촉식 스트레인 게이지를 부착하였다.
- 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 복합재료의 적층 방향에 따른 인장-압축 피로시험은 5단계의 하중에 대해 수행하였다. 이때, 적층 복합재의 피로 특성을 평가하기 위해 기존 철도차량 대차에 널리 적용되는 SM490에 대한 피로특성과 비교하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 철도차량 대차프레임의 경량화를 위해 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 피로특성 및 수명을 인장-압축 피로시험을 통하여 평가하였으며, 대차프레임의 피로강도 평가를 위해 요구되는 Goodman 선도 역시 도출하였다. 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험은 응력비(R)를 -1로 적용하였고, 시험 주파수는 5Hz 그리고 피로한도는 107사이클로 선정하였다. 이때, 압축하중 시 발생할 수 있는 시험편의 좌굴을 방지하기 위해 좌굴방지지그(anti-buckling jig)를 고안하여 적용하였다.
- 본 연구에서 수정 보완된 좌굴방지지그의 좌굴유무를 검증하기 위해 피로시험과 동일한 응력비(R=-1)와 주파수(5Hz)에서 시험편에 발생하는 변형률 측정하고 지그의 검증을 수행하였다. 이때, 변형률 측정은 피로시험편 각 위치에서 발생하는 변형률을 확인하기 위하여 상단(P1), 중간(P2) 그리고 하단(P3)의 위치를 선정하여 접촉식 스트레인 게이지를 부착하였다. 변형률 측정은 동적측정장비(DC-204R)를 사용하였으며, 초당 10개의 데이터를 수집하였다.
- 이때, 시험편의 종류는 위사방향, 경사방향 및 ±45° 방향을 각각 고려하여 제작하였다.
- 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험은 응력비(R)를 -1로 적용하였고, 시험 주파수는 5Hz 그리고 피로한도는 107사이클로 선정하였다. 이때, 압축하중 시 발생할 수 있는 시험편의 좌굴을 방지하기 위해 좌굴방지지그(anti-buckling jig)를 고안하여 적용하였다. 또한, 기존 대차프레임에 일반적으로 적용되는 금속재 재질인 SM490과의 피로특성에 대한 비교 평가를 수행하였다.
- 이때, 외부 면재를 구성하는 복합재료의 각 적층방향에 따른 피로특성을 확인하기 위해 위사, 경사 그리고 ±45° 방향의 시험편을 제작하고 인장, 압축에 대한 파손강도를 확인하였다.
- 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 복합재료의 적층 방향에 따른 인장-압축 피로시험은 5단계의 하중에 대해 수행하였다. 이때, 적층 복합재의 피로 특성을 평가하기 위해 기존 철도차량 대차에 널리 적용되는 SM490에 대한 피로특성과 비교하였다. SM490의 피로특성은 참고문헌[33]을 통해 얻었으며, 이때 시험 조건은 일반적으로 금속재에 대해 많이 수행되는 응력비가 0.
- 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. 이때, 응력비(R=σmin/σmax)는 -1로 설정하였고, 대차 프레임의 피로 수명 평가를 위한 Goodman 선도 역시 도출하였다.
- 이후, 80℃의 온도와 1.2bar의 압력에서 2시간정도 경화하여 가접착한 후 경사, 위사 그리고 ±45°방향으로 외부 면재를 적층하고 오토클레이브 공법을 이용하여 80℃, 120℃의 온도이력과 6bar의 압력을 적용하여 성형하였다.
대상 데이터
- 이때, 변형률 측정은 피로시험편 각 위치에서 발생하는 변형률을 확인하기 위하여 상단(P1), 중간(P2) 그리고 하단(P3)의 위치를 선정하여 접촉식 스트레인 게이지를 부착하였다. 변형률 측정은 동적측정장비(DC-204R)를 사용하였으며, 초당 10개의 데이터를 수집하였다. 좌굴방지지그 검증을 위한 시험결과 피로시험편의 각 측정 위치에서 발생하는 변형률이 서로 일치함으로 좌굴이 일어나지 않음을 확인하였다.
- 이때, 응력비(R=σmin/σmax)는 -1로 설정하였고, 대차 프레임의 피로 수명 평가를 위한 Goodman 선도 역시 도출하였다. 시험편 성형은 0.25mm 두께를 갖는 유리섬유/에폭시 4- 매 주자직 프리프레그(prepreg)를 적층하고 오토클레이브(autoclave)를 사용하여 성형하였다. 이때, 시험편의 종류는 위사방향, 경사방향 및 ±45° 방향을 각각 고려하여 제작하였다.
- 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로 시험은 기계적 물성 시험을 통해 얻은 파손강도를 기준으로 65~20% 범위 내에서 각 하중단계에 대해 5개의 시험편을 시험하였다. 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].
- 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로 시험은 기계적 물성 시험을 통해 얻은 파손강도를 기준으로 65~20% 범위 내에서 각 하중단계에 대해 5개의 시험편을 시험하였다. 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]. Fig.
이론/모형
- 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 인장-압축 피로시험을 통해 얻은 S-N 선도를 이용하여 피로특성을 평가하기 위한 Goodman 선도를 Fig. 8과 같이 나타냈다. 이때, Goodman 선도는 식 (1)에 의해 얻었으며, 평균응력(σm)은 식(2), 응력진폭(σa)은 식(3)에 의해 각각 도출되었다.
- 이때, 외부 면재를 구성하는 복합재료의 각 적층방향에 따른 피로특성을 확인하기 위해 위사, 경사 그리고 ±45° 방향의 시험편을 제작하고 인장, 압축에 대한 파손강도를 확인하였다. 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. Table 1은 적층 방향에 따른 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 기계적 물성을 보여준다.
성능/효과
- 1) 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험 수행 시 압축하중에 따른 시험편의 좌굴을 방지하기 위하여 좌굴방지지그(anti-buckling jig)를 적용하였으며, 인장-압축 피로시험 시에 좌굴이 발생하지 않음을 검증을 통하여 확인하였다.
- 2) 인장-압축 피로시험 결과 응력비에 따른 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 피로특성은 경사방향과 위사방향에서 SM490과 비슷한 피로특성을 나타냄을 확인하였으며, 최대응력에 따른 피로특성의 경우 경사방향 적층 복합재에서 SM490와 비슷한 피로특성을 나타냄을 확인하였다. 이는, 금속재에 비하여 약 1/4의 비중을 갖는 적층 복합재에서 무게 대비 우수한 피로특성을 갖고 있음을 확인하였다.
- 4) 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재를 철도차량 대차프레임에 적용할 경우 주 구조물(main structure)에 피로특성이 우수한 경사방향 적층 복합재를 사용함으로써, 기존 금속재와 같은 피로강도를 만족하면서 경량화 효과를 얻을 수 있게 된다.
- 5MP로서, 적층된 방향에 따른 파손강도 특성에 따라 차이가 나타났다. 각 하중단계에서의 피로수명에서 경사방향을 갖는 복합재 시편이 SM490과 비슷한 결과를 보였으나, 인장-인장 하중이 가해진 SM490에 비해 인장-압축 하중이 가해진 적층 복합재가 더 우수한 피로 특성을 갖는 것으로 사료된다. 또한, 기존 금속재 대차프레임의 경우 용접을 통해 제작되며, 이때 금속재 용접에 의한 피로강도 저하가 발생하므로 모재부와 용접부의 피로강도를 나누어 평가하게 된다.
- 적층 복합재의 107사이클까지의 피로한도는 경사방향 시험편에서 25%, 위사방향과 ±45°방향 시험편에서는 20%가 각각 확인되었다. 각 하중단계에서의 피로수명에서 복합재의 경사 방향과 위사방향은 SM490과 비슷한 결과를 나타냄을 확인하였다. 이때, 적용 재료에 관계없이 대차프레임은 동일한 한계 설계 치수를 가지므로, SM490 금속재에 비해 약 1/3의 무게를 갖는 복합재 대차프레임의 피로특성(특히, 경사방향 복합재 적용시)이 무게 대비 우수할 것으로 판단된다.
- 이때, 경사방향 적층 복합재가 SM490의 모재부에 비하여 높은 파손강도를 갖는 반면, 피로한도가 낮아 두 선도가 서로 교차함을 확인하였다. 또한, SM490의 용접부에 비하여 경사방향 적층 복합재에서 높은 파손강도와 피로한도를 나타냄을 확인하였다.
- 이는 복합재 대차프레임에 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재 적용시에 하중이 높게 발생하는 방향에 경사방향을 고려하여 피로강도를 만족할 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 금속재인 SM490에 비해 적층 복합재의 비중이 약 23% 정도이며, 이로 인해 대차프레임의 경량화 효율을 크게 높일수 있을 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 철도차량 대차프레임의 경량화를 위해 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험을 수행한 결과, 경사방향 적층 복합재의 피로특성이 기존 금속재 대차프레임 재질인 SM490과 비슷함을 확인 하였으며, SM490에 비하여 낮은 비중을 갖는 복합재에서 무게당 피로특성이 우수한 것으로 판단된다. 또한, 용접을 통하여 제작되는 기존 금속재 대차프레임의 경우 그라인딩 처리된 용접부에서 110MPa와 그라인딩 처리되지 않은 용접부에서 70MPa의 피로한도에서의 강도값을 갖고 있으나 용접등과 같은 별도의 피로특성 저하가 발생하지 않는 복합재의 경우 경사방향에서 141.4MPa로 우수한 피로특성을 나타냄을 확인하였다. 이는 복합재 대차프레임에 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재 적용시에 하중이 높게 발생하는 방향에 경사방향을 고려하여 피로강도를 만족할 수 있을 것으로 판단된다.
- 금속재 대차프레임 피로시험규정인 JIS E 4207에서 제시된 SM490의 피로한도에서의 강도값이 모재부가 155MPa인 반면, 그라인딩 처리된 용접부에서는 110MPa, 그라인딩 처리되지 않은 용접부에서는 70MPa로 나타난다. 반면, 적층 복합재의 경우 일체 성형이 가능하여 용접등에 의한 피로특성 저하가 발생하지 않음으로 경사방향 적층 복합재의 피로한도에서 강도값인 141.4MPa이 SM490 금속재의 용접부에 비하여 우수한 피로특성을 갖는 것으로 확인되었다.
- 본 연구에서는 철도차량 대차프레임의 경량화를 위해 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험을 수행한 결과, 경사방향 적층 복합재의 피로특성이 기존 금속재 대차프레임 재질인 SM490과 비슷함을 확인 하였으며, SM490에 비하여 낮은 비중을 갖는 복합재에서 무게당 피로특성이 우수한 것으로 판단된다. 또한, 용접을 통하여 제작되는 기존 금속재 대차프레임의 경우 그라인딩 처리된 용접부에서 110MPa와 그라인딩 처리되지 않은 용접부에서 70MPa의 피로한도에서의 강도값을 갖고 있으나 용접등과 같은 별도의 피로특성 저하가 발생하지 않는 복합재의 경우 경사방향에서 141.
- 피로하중에 의한 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 파손은 기지균열(matrix cracking), 섬유파손(fiber breakage), 섬유와 모재간의 분리(debonding), 층간분리 등의 형태가 확인되었다. 시험편의 파손부위는 시험편 중앙부분 및 탭부분에서 전체적으로 발생하였으며, 각 파손 위치에 따른 피로수명 결과에 대한 오차가 적음을 확인하였다.
- 2) 인장-압축 피로시험 결과 응력비에 따른 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 피로특성은 경사방향과 위사방향에서 SM490과 비슷한 피로특성을 나타냄을 확인하였으며, 최대응력에 따른 피로특성의 경우 경사방향 적층 복합재에서 SM490와 비슷한 피로특성을 나타냄을 확인하였다. 이는, 금속재에 비하여 약 1/4의 비중을 갖는 적층 복합재에서 무게 대비 우수한 피로특성을 갖고 있음을 확인하였다.
- 이때, 경사방향 적층 복합재가 SM490의 모재부에 비하여 높은 파손강도를 갖는 반면, 피로한도가 낮아 두 선도가 서로 교차함을 확인하였다. 또한, SM490의 용접부에 비하여 경사방향 적층 복합재에서 높은 파손강도와 피로한도를 나타냄을 확인하였다.
- 각 하중단계에서의 피로수명에서 복합재의 경사 방향과 위사방향은 SM490과 비슷한 결과를 나타냄을 확인하였다. 이때, 적용 재료에 관계없이 대차프레임은 동일한 한계 설계 치수를 가지므로, SM490 금속재에 비해 약 1/3의 무게를 갖는 복합재 대차프레임의 피로특성(특히, 경사방향 복합재 적용시)이 무게 대비 우수할 것으로 판단된다.
- 적층 복합재의 107사이클까지의 피로한도는 경사방향 시험편에서 25%, 위사방향과 ±45°방향 시험편에서는 20%가 각각 확인되었다.
- 제작 완료된 복합재 대차프레임은 철도차량에서 요구되는 하중시험을 통하여 기존 금속재 대차프레임에 비해 비교적 낮은 수준의 굽힘강성을 가짐을 확인하였다. 그러나, 기존 금속재 대차프레임은 보수적인 과잉설계가 되었으며, 무게절감을 통한 경량화를 전혀 고려하지 않는 설계가 수행되었다.
- 변형률 측정은 동적측정장비(DC-204R)를 사용하였으며, 초당 10개의 데이터를 수집하였다. 좌굴방지지그 검증을 위한 시험결과 피로시험편의 각 측정 위치에서 발생하는 변형률이 서로 일치함으로 좌굴이 일어나지 않음을 확인하였다. Fig.
- 9는 각 적층 방향에 따른 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 복합재의 전형적인 피로파손 모습을 보여준다. 피로하중에 의한 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 파손은 기지균열(matrix cracking), 섬유파손(fiber breakage), 섬유와 모재간의 분리(debonding), 층간분리 등의 형태가 확인되었다. 시험편의 파손부위는 시험편 중앙부분 및 탭부분에서 전체적으로 발생하였으며, 각 파손 위치에 따른 피로수명 결과에 대한 오차가 적음을 확인하였다.
후속연구
- 3) 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로 시험을 통하여 Goodman 선도를 도출하였으며, 이를 통해 차량운행시 발생하는 다양한 하중조건을 갖는 복합재 대차 프레임의 피로강도 평가가 가능할 것으로 사료된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.