[논문]알루미늄 압출재로 이루어진 철도차량 차체의 경량화를 위한 최적설계 방안 연구

한순우; 정현승

doi:10.3795/ksme-a.2011.35.2.213

알루미늄 압출재로 이루어진 철도차량 차체의 경량화를 위한 최적설계 방안 연구
Weight Reducing of Aluminum Extrusion Profiles of a Railway-Car Body Based on Topology and Size Optimization 원문보기 논문타임라인

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.2, 2011년, pp.213 - 221

한순우 (한국철도기술연구원 구조연구실) , 정현승 (한국철도기술연구원 구조연구실)

초록
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알루미늄 재질의 도시철도차량 차체의 경량화를 위해 이중 판재구조로 이루어진 철도차량용 알루미늄 압출재의 최적설계를 수행하였다. 위상최적설계 기법을 이용하여 알루미늄 차체에서 가장 큰 중량을 차지하는 하부 프레임 베이스 플레이트의 경량화된 위상을 도출하였고, 이를 기반으로 압출재 부재별 치수 최적화를 수행하였다. 하부 프레임 다음으로 큰 중량을 차지하는 측면 프레임 압출재에 대해서는 치수 최적화를 통하여 경량설계를 수행하였다. 최적설계안과 현재 설계의 최대발생응력과 최대 변형량을 비교하여 최적설계결과의 타당성을 검증하였다. 이 과정을 통하여 언더프레임과 사이드프레임의 중량을 현재보다 평균 12% 줄일 수 있었고, 차체 전체로는 8.5%의 경량화 효과를 얻었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we discussed the weight reducing of a urban railway-car body, in particular, of the Korean EMU, by optimizing topology and size of aluminum extrusion profiles. The heaviest parts of aluminum railway-car bodies, i.e., the base plate of underframe and side panels of side frame composed of double skin structures are considered for optimization. Topology optimization process is applied to obtain get an optimized rib structure for the base plate. The thickness of ribs and plates of the topologically optimized base plate and the existing side panel are also optimized by employing the size optimization process. The results are verified by comparing the maximum von Mises stresses and maximum deformation in the case of the existing design with those in the case of the optimized design. It is shown that the weight of a base plate and side panel can be reduced by 12% and that the weight of the whole car body can be reduced by 8.5%.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 알루미늄 압출재로 이루어진 K-EMU차체를 대상으로 하여 여기에서 가장 큰 중량비를 차지하는 하부 프레임의 베이스 플레이트 및 측면 프레임의 측면 패널에 대해 최적설계 기법을 적용한 경량화 방안을 제시하였다. 베이스 플레이트에 대해서는 위상최적설계 및 치수 최적설계 과정을 통해 경량화를 시도하였으며, 측면 패널에 대해서는 치수 최적설계를 통해 부재별 최적의 두께를 구하였다.
차체의 경량화를 위해서는 여러 대안을 모색하고 있는데, 그 중 하나로 알루미늄 차체의 경량화 방안을 강구하고 있다. 본 연구는 그를 위해 위상 최적설계 및 치수 최적설계 기법을 이용한 알루미늄 차체의 경량 설계에 대해 논의하고자 한다.
본 연구에서는 알루미늄 압출재로 이루어진 철도차량 차체의 경량화에 대해 논의하였다. 차체에서 가장 큰 중량을 차지하는 하부 프레임 베이스 플레이트와 측면 프레임 패널에 대해 위상 및 치수 최적설계 기법을 이용하여 경량화된 설계안을 도출하였고, 차체 부위별로 현재 설계안과 최대 발생 응력 및 최대 변형량 등을 비교하여 도출된 결과의 타당성을 검증하였다.
4%로서 그리 높지 않은데 이는 현재의 베이스 플레이트도 트러스 구조의 심재 배치를 통해 상당정도 경량화된 상태임을 의미한다. 이에 베이스 플레이트의 위상최적 설계 결과에 대해 판재와 심재의 치수 최적화를 수행하였다.

가설 설정

베이스 플레이트는 압출 방향으로 동일한 단면이 연속되므로 부재별 두께가 최적설계 변수가 된다. 따라서 보 요소는 z 방향(Fig. 1참조)으로 단위 길이의 폭 b와 부재 두께 방향의 설계 변수 t로 이루어진 단면으로 가정하였다. 또한, 상·하부의 판재 및 심재 각각의 최적화된 치수를 찾기 위해 부재별 t를 설계 변수로 설정하였다.
플레이트의 상부 판재에 가해지는 승객들의 하중은 전술한 연구들^(3~5)과 마찬가지로 등분포하중 p₀로 가정하였다. 솔바를 통해 하부 프레임에 전해지는 측면 프레임과 지붕 프레임의 하중은 베이스 플레이트 우측에 집중 하중 p₁으로 부가하였다.

제안 방법

베이스 플레이트에 대해서는 위상최적설계 및 치수 최적설계 과정을 통해 경량화를 시도하였으며, 측면 패널에 대해서는 치수 최적설계를 통해 부재별 최적의 두께를 구하였다. 각 경우의 최적 설계안과 현재 설계안에 대해 동일한 하중 및 경계 조건하에서 발생하는 최대 응력과 변형량을 비교하여 최적 설계안을 검증하였다.
그 이유에 대해서는 추가적인 고찰이 필요하지만, 서브 측면 패널 단위로 나누어 최적화를 수행하면 지금과는 다른 결과를 얻으리라 예상된다. 그러나 이를 위해서는 서브 측면 패널 별 경계 및 하중 조건에 대한 가정들이 추가되어야 하며, 현재의 설계를 고려하건데 위상 최적화를 통한 경량화의 실익이 크지 않으리라 판단하였다. 이에 측면 패널에 대해서는 위상 최적화를 수행하지 않고, 치수 최적화를 시도하였다.
또한, 상·하부의 판재 및 심재 각각의 최적화된 치수를 찾기 위해 부재별 t를 설계 변수로 설정하였다.
본 논문은 알루미늄 압출재로 이루어진 K-EMU차체를 대상으로 하여 여기에서 가장 큰 중량비를 차지하는 하부 프레임의 베이스 플레이트 및 측면 프레임의 측면 패널에 대해 최적설계 기법을 적용한 경량화 방안을 제시하였다. 베이스 플레이트에 대해서는 위상최적설계 및 치수 최적설계 과정을 통해 경량화를 시도하였으며, 측면 패널에 대해서는 치수 최적설계를 통해 부재별 최적의 두께를 구하였다. 각 경우의 최적 설계안과 현재 설계안에 대해 동일한 하중 및 경계 조건하에서 발생하는 최대 응력과 변형량을 비교하여 최적 설계안을 검증하였다.
그러나 이를 위해서는 서브 측면 패널 별 경계 및 하중 조건에 대한 가정들이 추가되어야 하며, 현재의 설계를 고려하건데 위상 최적화를 통한 경량화의 실익이 크지 않으리라 판단하였다. 이에 측면 패널에 대해서는 위상 최적화를 수행하지 않고, 치수 최적화를 시도하였다. 측면 패널은 두께가 다른 총 6종류의 부재로 구성되는데, 하부 프레임의 치수 최적설계 시와 마찬가지로 차량 길이 방향으로는 단위 길이의 폭을 가지고 두께 방향으로는 t_m(1 ≦ m ≦6)의 값을 가진 보 요소로 모델링하였다.
차체에서 가장 큰 중량을 차지하는 하부 프레임 베이스 플레이트와 측면 프레임 패널에 대해 위상 및 치수 최적설계 기법을 이용하여 경량화된 설계안을 도출하였고, 차체 부위별로 현재 설계안과 최대 발생 응력 및 최대 변형량 등을 비교하여 도출된 결과의 타당성을 검증하였다. 즉, 최적설계 기법을 이용하여 철도차량 차체의 의미 있는 경량화를 수행할 수 있었다.
최적화를 위한 제한조건으로는 상기 하중 및 경계 조건 하에서 최적화 대상 모델의 최대 정적 변형량 δmax이 기존 베이스 플레이트의 최대 정적 변형량을 넘지 않도록 하였다.
이에 측면 패널에 대해서는 위상 최적화를 수행하지 않고, 치수 최적화를 시도하였다. 측면 패널은 두께가 다른 총 6종류의 부재로 구성되는데, 하부 프레임의 치수 최적설계 시와 마찬가지로 차량 길이 방향으로는 단위 길이의 폭을 가지고 두께 방향으로는 t_m(1 ≦ m ≦6)의 값을 가진 보 요소로 모델링하였다. 측면 패널의 대부분의 중량은 내부 판재(t₁), 외부 판재(t₂) 및 심재(t₃)가 차지하고 있으며, 설계변수는 여기에 t₄, t₅의 두 부재를 덧붙여 총 5개로 설정하였다.
치수 최적설계 시의 제한 조건으로는 최대 vonMises 응력 σmax이 85MPa을 넘지 않도록 설정하였는데, 이는 압출재에 쓰인 A6005A 재질의 용접부 항복응력을 고려하여 설정하였다.

대상 데이터

본 논문의 설계 및 해석 시에는 현재 알루미늄 전동차 차체의 소재인 A6005A를 그대로 사용하였으며 그 물성치는 Table 2와 같다.

이론/모형

즉, 이 경우에는 심재 영역만을 위상최적 설계 영역 Ω로 설정하였으며, 이의 체적을 최소화하는 것을 목적함수로 설정하게 된다. 본 논문 전반에서 수행한 모든 최적 설계 및 유한요소 해석은 Altair사의 Hyperworks를 이용하였다.⁽¹²⁾

성능/효과

또한, 각 경우의 최대 vonMises 응력과 최대 변형량을 Table 5에 정리하였다. 이를 통해 알 수 있듯이, 최적화 모델에서의 최대 발생 응력과 최대 변형량은 현재 모델과 동등한 수준을 유지하면서 중량은 13% 줄일 수 있었다. 치수 최적화 결과에서 하부 판재 두께가 기존보다 증가하는 이유는 하부 판재의 탄성 지지부에서 발생하는 최대 vonMises 응력을 줄이기 위해 하부 판재의 두께를 증가시킨 것으로 보이는데, 차체 전체에 대한 응력 해석을 수행할 경우에는 다른 결과를 얻을 것으로 예상된다.
본 연구에서는 알루미늄 압출재로 이루어진 철도차량 차체의 경량화에 대해 논의하였다. 차체에서 가장 큰 중량을 차지하는 하부 프레임 베이스 플레이트와 측면 프레임 패널에 대해 위상 및 치수 최적설계 기법을 이용하여 경량화된 설계안을 도출하였고, 차체 부위별로 현재 설계안과 최대 발생 응력 및 최대 변형량 등을 비교하여 도출된 결과의 타당성을 검증하였다. 즉, 최적설계 기법을 이용하여 철도차량 차체의 의미 있는 경량화를 수행할 수 있었다.
4 mm로 나타났다. 최대 vonMises 응력은 베이스 플레이트의 탄성 지지부(강성계수 k1)에서 발생하며 그 크기는 82MPa로 계산되었다. 이상과 같은 위상최적화 문제를 정식화하면 다음과 같다.

후속연구

11과 같이 일부 부재에서 심재가 나타나지 않는, 현실과는 거리가 있는 결과를 얻게 된다. 그 이유에 대해서는 추가적인 고찰이 필요하지만, 서브 측면 패널 단위로 나누어 최적화를 수행하면 지금과는 다른 결과를 얻으리라 예상된다. 그러나 이를 위해서는 서브 측면 패널 별 경계 및 하중 조건에 대한 가정들이 추가되어야 하며, 현재의 설계를 고려하건데 위상 최적화를 통한 경량화의 실익이 크지 않으리라 판단하였다.
본 결과를 현실에 적용하기 위해서는 최적화된 모델을 포함하여 차량 전체에 대한 해석 및 판재의 국부적 좌굴 가능성을 검토할 필요가 있으며 이에 대해서는 추가적인 연구를 진행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	철도흫 다른 교통수단과 비교할때 어떤 특징을 갖고있는 교통수단인가?	철도는 다른 교통수단에 비해 운송 효율성은 높고 탄소 배출량은 낮은 교통수단이다. 그러나 유가의 급격한 상승 및 온실가스 감축 의무이행 등 외부 환경의 변화로 인해 철도의 운송 효율성 및 친환경성을 지속적으로 강화하기 위한 연구개발이 세계적으로 진행되고 있다.
	본논문에서 어떤 기법을 이용하여 알루미늄 차체에서 가장 큰 중량을 차지하는 하부 프레임 베이스 플레이트의 경량화된 위상을 도출하였는가?	알루미늄 재질의 도시철도차량 차체의 경량화를 위해 이중 판재구조로 이루어진 철도차량용 알루미늄 압출재의 최적설계를 수행하였다. 위상최적설계 기법을 이용하여 알루미늄 차체에서 가장 큰 중량을 차지하는 하부 프레임 베이스 플레이트의 경량화된 위상을 도출하였고, 이를 기반으로 압출재 부재별 치수 최적화를 수행하였다. 하부 프레임 다음으로 큰 중량을 차지하는 측면 프레임 압출재에 대해서는 치수 최적화를 통하여 경량설계를 수행하였다.
	K-EMU 알루미늄 차체는 어떻게 구분되는가?	1에는 K-EMU 알루미늄 차체에서 전체 차량 중량의 큰 비중을 차지하는 요소들을 중심으로 한 단면도를 나타내었다. 차체는 크게 지붕 프레임(roof frame), 측면 프레임(side frame), 하부 프레임(underframe) 및 끝단 프레임(end frame)으로 구분되며 각 구조물을 연결하고 하중을 전달하는 캔트레일(cantrail)과 솔바(solebar) 등으로 이루어져 있다. 이외에도 센터 실(center sill), 측면 내부 프레임 등 많은 요소가 존재하지만 그림에는 표시하지 않았다.

참고문헌 (13)
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Yasushi, S., 2006, “Current State and the Future of Aluminum Alloy Applications for Rolling Stock,” Journal of Japan Institute of Light Metals, Vol. 55, No. 11, pp. 584-587.

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스테인리스 철도차량에 비해 알루미늄 차량은 소재 자체가 가벼워 경량화 측면에서 유리하며 제작공정이 단순하다는 장점을 갖고 있어서 해외에서는 오래전부터 사용되어 왔으며,⁽¹⁾ 국내에서는 1998년에 개발한 한국형 표준전동차(Korean EMU: 이하 K-EMU)에서 도입되어⁽²⁾ 현재 광주지하철, 대전지하철 및 공항철도 차량에서 사용되고 있다.
Korea Railroad Research Institute, 1998, “Report on the Design of Aluminum Carbody of the K- EMU,” Report of Ministry of Land, Transportation and Maritime Affairs.

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스테인리스 철도차량에 비해 알루미늄 차량은 소재 자체가 가벼워 경량화 측면에서 유리하며 제작공정이 단순하다는 장점을 갖고 있어서 해외에서는 오래전부터 사용되어 왔으며,⁽¹⁾ 국내에서는 1998년에 개발한 한국형 표준전동차(Korean EMU: 이하 K-EMU)에서 도입되어⁽²⁾ 현재 광주지하철, 대전지하철 및 공항철도 차량에서 사용되고 있다.
Suh, S. I. and Son, G. H., 1998, “A Study on the Optimum Design and Structural Behaviors of Aluminum Extrusions,” Journal of the Society of Naval Architects of Korea, Vol. 35, No. 1, pp. 88-97.

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서승일 등은 이중 판재 구조의 거동에 대한 해석해와 부재별 치수의 최적화에 대해 연구한 바 있으며⁽³⁾ 장창두 등은 알루미늄 이중 판재 구조의 최적화를 위한 모델링 및 해석기법을 개발하고 이를 통한 치수 최적해를 제시하였다.⁽⁴⁾

플레이트의 상부 판재에 가해지는 승객들의 하중은 전술한 연구들^(3~5)과 마찬가지로 등분포하중 p₀로 가정하였다.
Jang, C. D., Ha, Y. S., Jo, Y. C. and Shin, K. B., 2003, “An Optimum Design for Truss Core Unit of Railway Carbody of Aluminum Extrusion Plate,” Journal of the Korean Society for Railway, Vol. 6, No. 3, pp. 194-202.

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서승일 등은 이중 판재 구조의 거동에 대한 해석해와 부재별 치수의 최적화에 대해 연구한 바 있으며⁽³⁾ 장창두 등은 알루미늄 이중 판재 구조의 최적화를 위한 모델링 및 해석기법을 개발하고 이를 통한 치수 최적해를 제시하였다.⁽⁴⁾

플레이트의 상부 판재에 가해지는 승객들의 하중은 전술한 연구들^(3~5)과 마찬가지로 등분포하중 p₀로 가정하였다.
Kwun, T. S., 2002, “A Study on Topology Optimization Technique pplied to Extrusion Shape Determination of Aluminium Vehicle Structures,” Proc. of 2002 Korean Society of Railway Spring Conference, pp. 378-385.

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권태수는 언더프레임의 경량화를 위해 특정한 부피비에서의 최적 위상을 구하는 연구를 통해 위상최적설계 기법의 적용성을 타진한 바 있다.⁽⁵⁾

플레이트의 상부 판재에 가해지는 승객들의 하중은 전술한 연구들^(3~5)과 마찬가지로 등분포하중 p₀로 가정하였다.
Yoo, J. H., 2004, “A Study on the Topology Optimization in Magnetic Fields,” Trans. of the KSME A, Vol. 28, No. 4, pp. 370-377.

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주지하는 바와 같이, 위상최적설계는 특정한 경계 및 하중 조건이 부여된 설계영역에 대해 일정 제한조건 내에서 설계자가 원하는 목적함수를 충족시키는 최적화된 물질분포, 즉 위상(topology)를 구하는 설계기법이다.^(6~9)
Yoon, M. S., Jang, G. W. and Park, J. H., 2008, “A Study on the Extremely Light Trailer Frame using Topology Optimization Technique,” Proc. of 2008 KSME Fall Conference, pp. 410-411.

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주지하는 바와 같이, 위상최적설계는 특정한 경계 및 하중 조건이 부여된 설계영역에 대해 일정 제한조건 내에서 설계자가 원하는 목적함수를 충족시키는 최적화된 물질분포, 즉 위상(topology)를 구하는 설계기법이다.^(6~9)
Park, Y. O. and Min, S. J., 2009, “Structural Topology Design using Compliance Pattern based Genetic Algorithm,” Proc. of 2009 KSME CAE and Applied Mechanics Division, pp. 288-294.

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주지하는 바와 같이, 위상최적설계는 특정한 경계 및 하중 조건이 부여된 설계영역에 대해 일정 제한조건 내에서 설계자가 원하는 목적함수를 충족시키는 최적화된 물질분포, 즉 위상(topology)를 구하는 설계기법이다.^(6~9)
Park, S. O., Yoo, J. H. and Min, S. J., 2010, “Topology Optimization of Perpendicular Magnetic Recording System by Considering Magnetic Nonlinearity,” Trans. of the KSME A, Vol. 34, No. 7, pp. 821-827.

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주지하는 바와 같이, 위상최적설계는 특정한 경계 및 하중 조건이 부여된 설계영역에 대해 일정 제한조건 내에서 설계자가 원하는 목적함수를 충족시키는 최적화된 물질분포, 즉 위상(topology)를 구하는 설계기법이다.^(6~9)
Lee, T. H., Lee, J. M., Jung, J. J., Hwang, W. J. and Kim, H. J., 2006, “Design Optimization of Double-deck Train Carbody under Multi-loading Condition,” Trans. of the KSME A, Vol. 30, No. 11, pp. 1472-1478.

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위상최적설계는 그 특성상, 설계 대상의 개념안을 이끌어 내는데 있어서 유용하며 이를 통해 얻어진 설계 초안은 여타의 최적설계 방법(치수, 형상 최적설계)을 통해 최종적인 최적설계안으로 다듬어지게 된다.^(10,11)
Choi, Y. G., Shin, K. B. and Kim, W. H., 2010, “A Study on Size Optimization for Rocket Motor with a Torispherical Dome,” Trans. of the KSME A, Vol. 34, No. 5, pp. 567-573.

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위상최적설계는 그 특성상, 설계 대상의 개념안을 이끌어 내는데 있어서 유용하며 이를 통해 얻어진 설계 초안은 여타의 최적설계 방법(치수, 형상 최적설계)을 통해 최종적인 최적설계안으로 다듬어지게 된다.^(10,11)
http://www.altair.com

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본 논문 전반에서 수행한 모든 최적 설계 및 유한요소 해석은 Altair사의 Hyperworks를 이용하였다.⁽¹²⁾
Yoon, S. C., Kim, W. K., Hong, Y. K. and Pyun., J. S., 2003, “Structure Analysis and Loading Test of Body Structure having Aluminum,” Proc. of 2003 Korean Society of Railway Fall Conference, pp. 59-64.

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치수 최적설계 시의 제한 조건으로는 최대 vonMises 응력 σ_max이 85MPa을 넘지 않도록 설정하였는데, 이는 압출재에 쓰인 A6005A 재질의 용접부 항복응력을 고려하여 설정하였다.⁽¹³⁾

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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