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가설 설정
- TC 차 전두부 구간을 제외한 차체 단부 구간의 강성은 차체의 압축하중 선형해석을 통해 구한 값을 볼스터 중심부터 커플러 취부구간까지의 거리로 환산하면 약 1000 kN/mm가 되고 본 해석모델(반쪽모델)에는 절반값인 500 kN/mm인 탄성스프링으로 모델링 하였으며 운전자 및 승객 구간은 강체로 가정하였다.
제안 방법
- 본 논문은 규정에서 정의하는 최종평가시뮬레이션으로 열차의 충돌안전도를 평가하는 최종단계가 아닌 주요 에너지 흡수구조 및 부품들이 계속하여 변경 및 수정되는 설계단계에서 효과적로 충돌안전도를 평가하기 위해 충돌이 직접적으로 일어나는 전두부와 운전자 구간 일부만 3D 유한요소모델로 고려하고 나머지 구간을 1D 동역학 모델을 고려한 하이브리드 모델(이하 ‘3D/1D 하이브리드 모델’ 라 함)을 개발하여 TSI 및 국내충돌사고 시나리오인 열차 대 열차 36 km/h 충돌과 표준 변형체 장애물과의 110 km/h 충돌시뮬레이션을 수행하였다.
- 3D 전두부구조는 좌우대칭 모델이므로 효율적인 해석시간을 위해 반쪽모델만 구성하고 경계면에 대칭조건을 주었다. 이와 동일하게 1D 동역학 모델에도 강성 및 질량을 전체모델의 절반 값만 고려하여 구성하였다.
- 3D 전두부구조는 좌우대칭 모델이므로 효율적인 해석시간을 위해 반쪽모델만 구성하고 경계면에 대칭조건을 주었다. 이와 동일하게 1D 동역학 모델에도 강성 및 질량을 전체모델의 절반 값만 고려하여 구성하였다.
- 모든 차량은 전후방의 볼스터 위치를 기준으로 전두부(front), 중간(mid), 끝(end)의 세 구간으로 모델링 하였다. 주요 에너지 흡수구간인 전두부와 차간 연결기에 최종적으로 제안된 하중-변위의 비선형 특성을 적용하였다.
- 모든 차량은 전후방의 볼스터 위치를 기준으로 전두부(front), 중간(mid), 끝(end)의 세 구간으로 모델링 하였다. 주요 에너지 흡수구간인 전두부와 차간 연결기에 최종적으로 제안된 하중-변위의 비선형 특성을 적용하였다.
- 해석 모델에 적용된 대차는 Fig. 2와 같이 차체의 볼스터에 위치하는 스프링으로 모델링하였으며 기존 KTX 대차의 길이 방향 강성과 댐핑 값을 준용하였다.1,2)
- 전체차량에 대한 1D 동역학 모델 및 하이브리드 모델에 대하여 강체 벽 18 km/h 충돌 해석을 수행하였다. 본 수치해석에서 구해진 충격력과 에너지는 반쪽모델에 대한 값으로 아래 정리한 해석결과는 이를 두 배로 한 전체모델에 대한 값이다.
- 본 충돌해석 시나리오는 순수 1D 충돌 동역학 모델로는 다룰 수 없고, 충돌안전도 규정에서 요구하는 15톤 표준 변형체 장애물의 형상, 무게중심, 변형 특성 등을 고려하여 3D/1D 하이브리드 모델로 충돌 해석을 수행하여야 한다. 규정에서 제시한 표준 변형체 장애물과 110 km/h로 주행하는 열차와 충돌하는 경우 Fig.
- 차세대 고속열차의 전체차량에 대하여 36 km/h 속도로 동일차량과 충돌하는 사고시나리오와 110 km/h 속도로 표준장애물과 충돌하는 사고시나리오를 사용하여 3D 전두부와 1D 모델로 구성된 하이브리드 모델의 충돌해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- Fig. 1은 차세대 고속열차로 TC 차 2량과 M 차 6량으로 구성된 총 8량 편성열차로 축중은 13톤이다. 차세대 고속열차의 1D 충돌 동역학 모델을 Fig.
이론/모형
- 이때 운전자 구간에 어떠한 영향을 미치는지 3D 해석을 통하여 평가하여야 한다. 그러므로 장애물과 접촉하는 전두부 에너지흡수모듈과 운전자 구간까지를 3D 유한요소로 모델링하고 나머지는 1D 동역학모델을 사용하였다.
- 본 연구에서 사용된 1D 및 3D/1D 하이브리드 모델은 비선형 유한요소 해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하여 해석을 수행하였다.9,10)
- 수치해석으로 구한 가속도 값은 복잡한 고주파 응답이 포함되어 있으므로 이를 적절히 제거하여 탑승자에게 직접 영향을 미치는 응답을 추출하기 위해 FFT 40 Hz low pass filter를 사용하였다. 이것은 차체의 주요 구조의 강체 운동 주파수가 대체로 40 Hz 이하인 것을 고려한 것이다.
성능/효과
- 차간 연결기도 두 모델 모두 거의 같은 압괴량을 보이고있다. 본 해석결과는 열차 대 열차 충돌에 충분한 에너지흡수력을 갖는 전두부와 차 간 연결기를 적용한 결과로 차체에 손상을 입히는 큰 하중이 발생하지 않아 타고오름의 수직 거동이 발생하지 않으므로 열차의 충돌방향의 특성만을 고려한 1D 모델도 본 하이브리드 모델과 거의 유사한 해석결과를 나타낸다.
- 2) 15톤 표준 변형체 장애물의 충돌해석 시 장애물의 타고오름 현상이 발생하므로 기존의 1D 해석으로는 불가능하다. 그러나 3D 유한요소전두부를 고려한 3D/1D 하이브리드 모델을 사용하면 전체 유한요소차체 모델을 사용하는 것보다 해석시간을 최소화하면서 타당성 있는 해석결과를 얻을 수 있으므로 주요 에너지흡수구조인 전두부와 차 간 연결기 등의 성능을 설계/평가/보완하는 단계에서 유용하게 사용될 수 있다.
- 3) 장애물 충돌해석 결과, 충돌가속도와 운전실 변형이 TSI의 요구기준을 만족하였다. 하지만, 최대 충돌가속도와 운전실 수직변형을 고려하는 국내충돌안전기준은 TC1 차량에서 이 기준들을 초과하여 차세대 분산형 고속열차가 국내충돌안전기준을 만족하게 하려면 전두부의 보완설계가 필요하다.
- 1) 타고오름 거동이 발생하지 않는 36km/h의 열차 대 열차 충돌은 1D 모델과 3D/1D 전두부 하이브리드모델의 해석결과가 거의 일치한다. 1D 동역학모델 해석에서 구한 충돌가속도는 탑승구간의 평균값인 단점이 있으나 설계단계에서 에너지 흡수 및 충격가속도를 평가하는데 유용한 시뮬레이션방법이 될 수 있다.
후속연구
- 본연구의3D/1D 하이브리드모델은 추후 주행장치의 현가 모델과 2D 모델을 추가하면 열차-열차충돌 시 차량 간 타고 오름을 해석하고 예측하는데 사용될 수 있을 것이다.
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