$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

경량 복합재 대차프레임의 피로수명 및 강도 평가
An Evaluation of Fatigue Life and Strength of Lightweight Bogie Frame Made of Laminate Composites 원문보기 논문타임라인

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.35 no.8, 2011년, pp.913 - 920  

전광우 (한밭대학교 기계설계공학과) ,  신광복 (한밭대학교 기계설계공학과) ,  김정석 (한국철도기술연구원 구조연구실)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

본 논문은 4-매 주자직 유리섬유/에폭시 적층 복합재가 적용된 철도차량 경량 대차프레임의 피로 수명 및 강도 평가에 대해 기술한다. 대차프레임 경량화 재질로 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 피로특성 평가를 위하여 경사, 위사 그리고 $0^{\circ}/90^{\circ}$ 방향으로 적층된 시험편에 대하여 인장-압축 피로시험을 수행하였다. 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 피로시험은 5Hz의 주파수, -1의 응력비(R), $10^7$의 피로수명을 갖도록 하였다. 또한, JIS E 4207의 하중조건에 따른 대차프레임의 피로강도 평가를 Goodman 선도를 통하여 수행하였다. 유리섬유/에폭시 적층 복합재 경량 대차프레임의 피로수명 및 강도 평가기준을 만족하였으며, 무게를 고려할 경우 기존 대차프레임 재질인 SM490A 금속재에 비하여 우수한 피로특성을 갖는다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

We describe the evaluation of the fatigue life and strength of a lightweight railway bogie frame made of glass fiber/epoxy 4-harness satin-woven composites. To obtain the S-N curve for the evaluation of the fatigue characteristics of the composite bogie frame, we performed a tension-compression fati...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 대차프레임에 적용된 경량화 소재인 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재료의 피로특성을 확인하기 위해 피로시험을 수행하였다. 대차프레임과 같이 인장-압축의 교번하중(alternating load)이 반복되는 구조물에 적층 복합재를 적용할 경우 압축 하중에 의한 균열열림현상(crack-tip open)과 층간분리(delamination)가 발생함에 따라 금속재와는 달리 인장-인장 피로수명에 비해 인장-압축 피로수명이 낮은 경향을 나타내게 된다.
  • 따라서, 본 연구에서는 현재 한국철도기술연구원에서 연구 개발중인 도시철도차량용 경량 대차 프레임의 피로안전성 확보를 위하여 적용 소재인 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험을 수행하고 각 방향에 따른 Goodman 선도들을 도출하였으며, 이를 바탕으로 복합재 적용 경량 대차프레임의 피로강도평가를 JIS E 4207(11)에 의거하여 수행하였다.
  • 본 연구는 현재 한국철도기술연구원에서 연구 개발중인 도시철도차량 경량 복합재 대차프레임의 피로강도 평가를 위하여 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험을 수행하였으며, 시험을 통하여 도출된 각 방향에 따른 Goodman 선도(경사, 위사, 0°/90°)들을 이용하여 대차프레임의 피로강도평가를 수행하고 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
복합재가 철도차량 경량재 소재로 많이 사용되는 이유는? 최근 각광받는 철도차량의 경량화 소재인 복합재(composite)는 전통적인 차량 소재인 강재(steel)와 알루미늄(aluminum)에 비하여 높은 비강성 및 비강도 특성을 가지고 있어 그의 사용이 점차 확대되고 있다.(4) 철도차량의 복합재 적용은 과거 내장재, 전두부 등과 같이 직접적인 하중을 받지 않는 2차 부재에 제한적으로 사용되어 왔으나 1990년대 이후 루프(roof), 사이드 구조(side structure), 차체(carbody)와 같이 하중을 직접 지지하는 1차 부재까지 확대 적용되었다.
철도차량의 장점은? 최근 자가 차량 증가에 따른 교통혼잡과 대기오염이 심각한 문제로 대두됨에 따라 이를 해결하기 위한 지상운송 수단인 철도차량의 관심이 증대되고 있는 실정이다. 철도차량은 지상운송수단 중 높은 단위 수송능력과 에너지 효율의 이점을 갖는 친환경적 운송수단으로 알려져 있으며, 이러한 이점을 극대화하기 위한 설계 개선이 지속적으로 수행되고 있다. 특히, 철도차량의 경량화는 속도의 향상, 유효탑재량 증가, 승차감 개선의 파급효과를 가지므로 설계단계에 있어 필수적인 요구 사항으로 인식되고 있다.
유리섬유/에폭시 4-매주자직 적층 복합재를 대차프레임 소재로 선택한 이유는? 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재는 경사(warp)와 위사(fill)가 4회를 주기로 반복되는 형태로써 경사방향의 높은 기계적 특성을 갖으며, 단일방향 적층 복합재에 비하여 우수한 평면 특성을 갖는 이방성 재료이다. 이러한 4-매주자직 적층 복합재는 설계자의 요구 조건에 따라 적층방향의 선택을 통하여 구조물에 강성 및 강도의 조절이 가능하며 일체성형에 따른 기존 금속재 대차프레임이 갖는 용접부의 물성저하가 발생하지 않는 이점을 가지므로 대차프레임에 소재로 선택하였다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (16)

  1. Jung, N. Y. and Lee, S. B., 1997, "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, pp. 284-291. 

    인용구절

    인용 구절

    특히, 철도차량의 경량화는 속도의 향상, 유효탑재량 증가, 승차감 개선의 파급효과를 가지므로 설계단계에 있어 필수적인 요구 사항으로 인식되고 있다.(1,2)

  2. Shin, K. B., Koo, D. H., Han, S. H. and Park, K. J., 2004, " 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, pp. 77-84. 

    인용구절

    인용 구절

    특히, 철도차량의 경량화는 속도의 향상, 유효탑재량 증가, 승차감 개선의 파급효과를 가지므로 설계단계에 있어 필수적인 요구 사항으로 인식되고 있다.(1,2)

  3. Choi, J. M., 1995, "Light weight design of bodyshell by material substitution", Korea Institute of Machinery and Materials. 

    인용구절

    인용 구절

    철도차량의 보편적인 경량화 방법으로는 최적화 설계와 소재 대체를 통한 경량화가 있으며, 기존의 최적화 설계의 경우 제한된 경량화 효과를 얻는 반면, 소재 대체를 통한 경량화는 높은 무게절감을 기대 할 수 있다.(3)

  4. Chi, C. H. and Yang, J. H., 2001, "Effect of Graphite/Epoxy(CFRP) Surface Treatment on 8 the Shear Strength of CFRP/Metal Composites," Korean Institute of Surface Engineering, Vol.34, No. 3, pp. 225-230. 

    인용구절

    인용 구절

    최근 각광받는 철도차량의 경량화 소재인 복합재(composite)는 전통적인 차량 소재인 강재(steel)와 알루미늄(aluminum)에 비하여 높은 비강성 및 비강도 특성을 가지고 있어 그의 사용이 점차 확대되고 있다.(4)

  5. Kim, J. S., Jeong, J. C., Cho, S. H. and Seo, S. I., 2006, "Analytical and Experimental Studies on the Natural Frequency of a Composite Train Carbody," The Korean Society for Mechanical Engineers, Vol. 30, No. 4, pp. 473-480 

    원문보기 상세보기 crossref 타임라인에서 보기
    인용구절

    인용 구절

    이에, 국내의 경우 바이모달 트램(bi-modal tram), 틸팅열차(TTX), 자동무인경전철(AGT) 등의 차체에 복합재를 적용한 3세대 철도차량으로 개발되어 시험운행 중에 있다.(5~7)

  6. Ko, H. Y., Shin, K. B. and Jeong, J. C., 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. 

    인용구절

    인용 구절

    이에, 국내의 경우 바이모달 트램(bi-modal tram), 틸팅열차(TTX), 자동무인경전철(AGT) 등의 차체에 복합재를 적용한 3세대 철도차량으로 개발되어 시험운행 중에 있다.(5~7)

  7. Ko, H. Y., Shin, K. B., Cho, S. H. and Kim, D. H., 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. 

    인용구절

    인용 구절

    이에, 국내의 경우 바이모달 트램(bi-modal tram), 틸팅열차(TTX), 자동무인경전철(AGT) 등의 차체에 복합재를 적용한 3세대 철도차량으로 개발되어 시험운행 중에 있다.(5~7)

  8. Maurin, L., Boussoir, J., Rougeault, S., Bugaud, M., Ferdinand, P., Landrot, A. G., Grunevald, Y. H. and Chauvin, T., 2002, "FBG-based Smart Composite Bogie for Railway Applications," IEEE Conference, Vol. 1, pp. 91-94. 

    crossref
    인용구절

    인용 구절

    국외의 경우 2001년도에 프랑스의 알스톰(Alstom)에서 개발된 200km/h급 TER 대차(TER bogie)에 부분적으로 복합재가 적용된 사례가 있으나, 국내의 경우는 복합재 적용을 통한 대차프레임의 경량화 연구가 전무한 실정이다.(8)

  9. Kim, W. J., Song, S. Y., Park, G. S. and Park, H. S., 2007, "Evaluation of static and fatigue strength applying European Standard for the bogie frame of Disel Multiple Unit," Autumn Conference of The Korean Society for Railway, pp. 797-804. 

    인용구절

    인용 구절

    이러한 대차프레임은 장시간 운행에 따른 차체의 진동과 휠셋의 상호작용에 의한 동적하중을 받게됨에 따라 피로파손이 주로 발생하게 된다.(9)

  10. Jang, S. S., 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. 

    인용구절

    인용 구절

    특히, 금속재의 피로파손과 달리 피로과정에서의 강성저하와 반복하중에 의한 잔류강도 저하가 발생하는 복합재료의 경우 설계단계에서 소재의 특성과 구조물에 미칠 영향을 분석하고 안전성을 확보하여야 한다.(10)

  11. JIS E 4702 : Truck frames for railway rolling stock. 

    인용구절

    인용 구절

    따라서, 본 연구에서는 현재 한국철도기술연구원에서 연구 개발중인 도시철도차량용 경량 대차 프레임의 피로안전성 확보를 위하여 적용 소재인 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재의 인장-압축 피로시험을 수행하고 각 방향에 따른 Goodman 선도들을 도출하였으며, 이를 바탕으로 복합재 적용 경량 대차프레임의 피로강도평가를 JIS E 4207(11)에 의거하여 수행하였다.

  12. Kim, J. S., Yoon, H. J. and Shin, K. B., 2010, "Design of a Composite Side Beam for the Railway Bogie Frame," PRICM 7, pp.2676-2679 

    인용구절

    인용 구절

    대차프레임의 제작은 사이드 빔과 크로스 빔을 각각 제작하고 이를 결합하는 방법으로 수행되었다.(12)

  13. Gamstedt, E. K. and Sjoegren, B. A., 1999, "Micromechanisms in tension-compression fatigue of composite laminates containing transverse plies," Composites Science and Technology, Vol. 59, pp. 167-178. 

    상세보기 crossref
    인용구절

    인용 구절

    대차프레임과 같이 인장-압축의 교번하중(alternating load)이 반복되는 구조물에 적층 복합재를 적용할 경우 압축 하중에 의한 균열열림현상(crack-tip open)과 층간분리(delamination)가 발생함에 따라 금속재와는 달리 인장-인장 피로수명에 비해 인장-압축 피로수명이 낮은 경향을 나타내게 된다.(13)

  14. Hwang, W. and Han, K. S., 1986, "Fatigue of Composites Fatigue Modulus Concept and Life Prediction," Journal of Composite Materials, Vol. 20, pp. 154-165. 

    상세보기 crossref
    인용구절

    인용 구절

    이에, 대차프레임에 적용된 적층 복합재의 피로시험은 인장과 압축 하중이 반복되는 응력비(R=σ min/σ max) -1로 수행하였으며, 시험 주파수는 반복하중에 의한 시험편 내부의 온도상승을 무시할 수 있는 5Hz로 선정하였다.(14)

  15. Park, J. S., Seok, C. S., Koo, J. M., Kim, D. J., Shin, J. H. and Goo, B. C., 2004, "Fatigue Characteristics of SM490A Welded Joints for Bogie Frame," Journal of Korea Society for Precision Engineering, Vol. 21, pp. 146-153 

    인용구절

    인용 구절

    이때, 일반적으로 대차프레임 적용 소재의 피로한도는 2×106으로 규정하고 있으나 운행기간을 고려하여 본 연구에서는 107으로 선정하였으며, 각 방향에 따른 적층 복합재의 피로특성을 평가하기 위해 경사, 위사 그리고 0°/90° 방향으로 구분하여 피로시험을 수행하였다.(15)

  16. Bryan., H., 2003, "Fatigue Composite Materials," CRC Press. 

    인용구절

    인용 구절

    또한, 인장-압축 피로시험 시 압축하중에 의한 시험편의 좌굴(buckling)을 방지하기 위하여 Curtis(16)가 제안한 좌굴방지지그(anti-buckling jig)를 인장-압축 피로시험에 적용하였다.

저자의 다른 논문 :

LOADING...
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로