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NTIS 바로가기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)
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 ...
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핵심어 | 질문 | 논문에서 추출한 답변 |
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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. |
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
http://www.altair.com
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.
치수 최적설계 시의 제한 조건으로는 최대 vonMises 응력 σmax이 85MPa을 넘지 않도록 설정하였는데, 이는 압출재에 쓰인 A6005A 재질의 용접부 항복응력을 고려하여 설정하였다.(13)
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