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가설 설정
- 주요 에너지 흡수구간인 전두부와 차 간 연결기에 최종적으로 제공된 하중-변위의 비선형 특성을 적용하였다. TC 차량 전두부 구간을 제외한 차체 단부 구간의 강성은 차체의 압축하중 선형해석을 통해 구한 값을 볼스터 중심부터 연결기 취부구간까지의 거리로 환산하면 약 1000kN/mm가 되고 본 해석모델(반쪽모델)에는 절반값인 500kN/mm인 탄성 스프링으로 모델링 하였으며 운전자와 승객 구간은 강체로 가정하였다.
제안 방법
- 국내충돌안전기준 및 개정 TSI의 철도 건널목 충돌사고시나리오에 정의된 대형 변형체 장애물에 대하여 솔리드 형 및 셸 형 장애물을 개발하고 차세대 분산형 고속열차를 대상으로 110km/h 충돌시뮬레이션을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 국내충돌안전기준과 개정 TSI의 요구성능을 만족하도록 개발된 솔리드 형 및 셸 형 장애물과 충돌이 일어나는 전두부와 운전자 구간 일부만 3D 유한요소로 구성된 3D/1D 하이브리드 모델을 사용하여 철도 건널목 사고시나리오인 장애물과의 110km/h 충돌시뮬레이션을 수행하였고 그 결과를 분석하였다.
- 국내충돌안전기준에서 요구하는 균일한 밀도(상하부 구조 별로 균일함)와 강성을 고려하기 위해 솔리드 요소를 사용한 장애물(이하 ‘솔리드 형 장애물’라 함)과 균일하지 않은 셸 요소를 사용한 장애물(이하 ‘셸 형 장애물’라 함)을 개발하였다.
- 8은 규정의 강성곡선과 비교한 시뮬레이션 결과이다. 두 장애물 모델 모두 기준을 만족하므로 열차 모델과의 충돌 시뮬레이션을 통해 충돌 후 거동을 비교하였다.
- 차세대 분산형 고속열차의 1D 집중 질량/스프링 모델은 TC 차량과 M 차량으로 구분하여 모델링 하였고 TC 차량 전두부(AC)와 각 차량 사이에 장착된 연결기(SPC)에서 주요 충돌 에너지를 흡수하게 된다. 모든 차량은 전후방의 볼스터 위치를 기준으로 전두부(front), 중간(mid), 후미(end)의 세 구간으로 모델링 하였다. 주요 에너지 흡수구간인 전두부와 차 간 연결기에 최종적으로 제공된 하중-변위의 비선형 특성을 적용하였다.
- 본 연구에서 개발한 장애물은 차세대 분산형 고속열차를 대상으로 충돌시뮬레이션을 수행하고 Table 3의 평가항목인 운전자 생존공간확보와 충돌감속도를 평가하였다. 특히 철도 건널목에서 열차와 대형장애물 충돌 시 열차 전두부 변형이 심하게 발생하므로 운전자 생존공간보호가 중요하다.
- 본 연구에서는 유럽의 개정 TSI와 국내충돌안전기준에서 요구하는 대형 변형체 장애물의 유한요소모델에 대하여 2가지 모델을 개발하고, 차세대 분산형 고속열차를 대상으로 기준에서 정의하는 대형장애물과 110km/h 충돌 시뮬레이션을 수행한 결과를 비교 분석하였다.
- 따라서, 본 연구에서 개발된 솔리드 형 장애물은 국내충돌안전기준뿐만 아니라 개정 TSI의 요구사항을 만족하고 셸 형 장애물은 개정 TSI의 요구사항만을 만족한다. 실제로 거의 모든 자동차는 셸 구조로 제작되기 때문에 셸 형 장애물로 하는 것이 실제 충돌현상을 모사할 수 있다고 판단되나 국내 규정에 정의된 균일한 밀도항목을 고려하여 솔리드 형 모델을 추가하여 두 가지 모델을 개발하고 열차와의 충돌시뮬레이션을 수행하였다.
- 11과 같이 1D 집중 질량/스프링 요소를 사용하였다. 열차 전두부의 에너지흡수장치와 에너지 흡수용 차량 연결기에는 차량 업체에서 최종적으로 제공된 하중-변위의 비선형 특성을 적용하였다.
- 모든 차량은 전후방의 볼스터 위치를 기준으로 전두부(front), 중간(mid), 후미(end)의 세 구간으로 모델링 하였다. 주요 에너지 흡수구간인 전두부와 차 간 연결기에 최종적으로 제공된 하중-변위의 비선형 특성을 적용하였다. TC 차량 전두부 구간을 제외한 차체 단부 구간의 강성은 차체의 압축하중 선형해석을 통해 구한 값을 볼스터 중심부터 연결기 취부구간까지의 거리로 환산하면 약 1000kN/mm가 되고 본 해석모델(반쪽모델)에는 절반값인 500kN/mm인 탄성 스프링으로 모델링 하였으며 운전자와 승객 구간은 강체로 가정하였다.
- 중력가속도를 고려하였고 대차는 차체의 볼스터에 위치하는 스프링으로 모델링 하였다.
대상 데이터
- 충돌 시뮬레이션을 위한 열차의 구성은 Fig. 9와 같이 2TC-6M으로 구성된 총 8량 편성으로 축중은 13톤이다.
이론/모형
- 2005년 prEN15227[3] 이전 규정에 사용된 강체 장애물은 모델링이 간편하나 변형이 고려되지 않기 때문에 실제보다 열차 전두부에 큰 충격력이 발생하며 충돌 후 거동에도 큰 차이가 있다. 국내에 충돌안전기준이 도입되기 이전에 G7 연구과제에서 개발된 KHST는 유럽의 SNCF 기준을 참고하였기 때문에 철도 건널목 충돌 사고 시뮬레이션에서 강체 장애물을 사용하였다[4,5].
- 본 충돌 시뮬레이션은 비선형 유한요소해석 프로그램인 LS-dyna를 사용하였다. Table 2와 Fig.
성능/효과
- (1) 밀도와 강성이 균일한 솔리드 형 장애물 모델(국내충돌안전기준과 개정 TSI 동시 만족)과 그렇지 않은 셸 형 장애물 모델(개정 TSI 만족)은 충돌해석 시 전두부의 변형과 충격가속도 발생에 다른 영향을 미친다.
- (2) 강성이 작고 균일한 솔리드 형 장애물 모델은 충돌 시 장애물의 탄력적인 국부적인 변형으로 열차 전두부를 미끄러지듯이 타고 오르는 현상이 발생하며, 강성이 큰 셸 형 장애물은 전두부에 심한 손상을 가져오고 회전하면서 운전석을 압괴시킨다. 동일 형상의 장애물일 지라도 강성특성에 따라 열차 전두부에 미치는 영향에 큰 차이가 발생한다.
- (3) 개발된 대형장애물(솔리드 형 및 셸 형)과 차세대 고속열차의 충돌해석 결과, 충돌가속도와 운전실 변형이 개정 TSI의 요구기준을 만족하였다. 최대 충돌가속도와 운전실 수직변형을 고려하는 국내충돌안전기준은 TC1 차량에서 이 기준들을 초과하였다.
- 2)을 만족하게 하기 위해 여러 번의 시뮬레이션을 통하여 최종적으로 구한 셸 형 장애물과 솔리드 형 장애물에 사용된 요소의 기계적 특성치이다. 규정에서 요구하는 장애물의 강성에 영향을 미치는 주요 제어 인자로는 탄성계수와 응력-변형률 곡선이 있고 특히 솔리드 형 장애물은 허니콤 재료의 압축비율이 강성에 큰 영향을 미쳤고 쉘형 장애물은 두께를 키울수록 충격력의 오실레이션이 줄어들어 규정에서 요구하는 강성조건을 만족할 수 있었다.
- 국내충돌안전기준에서 요구하는 균일한 밀도(상하부 구조 별로 균일함)와 강성을 고려하기 위해 솔리드 요소를 사용한 장애물(이하 ‘솔리드 형 장애물’라 함)과 균일하지 않은 셸 요소를 사용한 장애물(이하 ‘셸 형 장애물’라 함)을 개발하였다. 따라서, 본 연구에서 개발된 솔리드 형 장애물은 국내충돌안전기준뿐만 아니라 개정 TSI의 요구사항을 만족하고 셸 형 장애물은 개정 TSI의 요구사항만을 만족한다. 실제로 거의 모든 자동차는 셸 구조로 제작되기 때문에 셸 형 장애물로 하는 것이 실제 충돌현상을 모사할 수 있다고 판단되나 국내 규정에 정의된 균일한 밀도항목을 고려하여 솔리드 형 모델을 추가하여 두 가지 모델을 개발하고 열차와의 충돌시뮬레이션을 수행하였다.
후속연구
- (4) 차세대 분산형 고속열차가 국내충돌안전기준을 만족 하게 하려면 전두부의 보완설계가 필요하다.
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