도상자갈 비산에 의한 경량 대차프레임 적용 유리/에폭시 적층 복합재의 충격손상 및 충격 후 잔류압축강도 평가 Evaluation of Impact Damage and Residual Compression Strength after Impact of Glass/Epoxy Laminate Composites for Lightweight Bogie Frame induced by Ballast-Flying Phenomena원문보기
허본 논문에서는 도상자갈 비산에 의한 GFRP 복합재 대차프레임의 구조안전성을 평가하기 위해 대차프레임의 스킨부를 구성하는 유리섬유/에폭시 적층 복합재의 충격시험과 충격 후 잔류압축시험을 수행하였다. 충격시험은 충격시험장비를 사용하여 5J, 10J, 그리고 20J의 충격에너지에 대해 수행하였고, 선로상의 도상자갈 비산을 모사하기 위해 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체를 설계하여 충격시험을 수행하였다. 충격손상을 갖는 적층 복합재의 잔류압축강도를 평가하기 위해 충격 후 압축시험을 수행하여 충격에 의한 재료의 물성저하 여부를 판단하였다. 본 연구를 통하여 충격에너지가 증가함에 따라 적층 복합재의 충격손상영역과 압축강도저하가 증가하는 것을 확인하였으며, 원뿔형 형상의 도상자갈이 다른 형상에 비해 재료의 손상을 가중시키는 것을 확인하였다.
허본 논문에서는 도상자갈 비산에 의한 GFRP 복합재 대차프레임의 구조안전성을 평가하기 위해 대차프레임의 스킨부를 구성하는 유리섬유/에폭시 적층 복합재의 충격시험과 충격 후 잔류압축시험을 수행하였다. 충격시험은 충격시험장비를 사용하여 5J, 10J, 그리고 20J의 충격에너지에 대해 수행하였고, 선로상의 도상자갈 비산을 모사하기 위해 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체를 설계하여 충격시험을 수행하였다. 충격손상을 갖는 적층 복합재의 잔류압축강도를 평가하기 위해 충격 후 압축시험을 수행하여 충격에 의한 재료의 물성저하 여부를 판단하였다. 본 연구를 통하여 충격에너지가 증가함에 따라 적층 복합재의 충격손상영역과 압축강도저하가 증가하는 것을 확인하였으며, 원뿔형 형상의 도상자갈이 다른 형상에 비해 재료의 손상을 가중시키는 것을 확인하였다.
In order to evaluate the effect of structural degradation of a GFRP composite bogie frame due to ballast-flying phenomena, the impact test and residual compression test after impact was conducted for glass fiber/epoxy 4-harness satin woven laminate composites applied to skin part of a bogie frame. T...
In order to evaluate the effect of structural degradation of a GFRP composite bogie frame due to ballast-flying phenomena, the impact test and residual compression test after impact was conducted for glass fiber/epoxy 4-harness satin woven laminate composites applied to skin part of a bogie frame. The impact test was performed using a instrumented impact testing system with energy levels of 5J, 10J, and 20J, and the impactor was designed to have various ballast shapes such as sphere, cube, and cone to consider the ballasted track environments. The residual compression strength was tested to evaluate the degradation of mechanical properties of impact-damaged laminate composites. The results showed that the damage area and the degradation of residual compressive strength after impact for laminate composites was increased with increase of impact energy for all ballast shapes, and was particularly most influenced by ballast shape of cone.
In order to evaluate the effect of structural degradation of a GFRP composite bogie frame due to ballast-flying phenomena, the impact test and residual compression test after impact was conducted for glass fiber/epoxy 4-harness satin woven laminate composites applied to skin part of a bogie frame. The impact test was performed using a instrumented impact testing system with energy levels of 5J, 10J, and 20J, and the impactor was designed to have various ballast shapes such as sphere, cube, and cone to consider the ballasted track environments. The residual compression strength was tested to evaluate the degradation of mechanical properties of impact-damaged laminate composites. The results showed that the damage area and the degradation of residual compressive strength after impact for laminate composites was increased with increase of impact energy for all ballast shapes, and was particularly most influenced by ballast shape of cone.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 도상자갈 비산에 의한 복합재 적용 대차프레임 스킨부의 충격손상이 구조적 안전성에 미치는 영향을 평가하고, 설계의 타당성을 입증하고자 한다. 실제 선로상에서 발생하는 도상자갈의 다양한 형상을 모사하기 위해 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체 형상을 선정하였으며, 이를 바탕으로 제작된 충격체에 의한 시편단위 충격시험을 통해 적층 복합재의 충격특성을 평가하였다[7].
실제 선로상에서 발생하는 도상자갈의 다양한 형상을 모사하기 위해 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체 형상을 선정하였으며, 이를 바탕으로 제작된 충격체에 의한 시편단위 충격시험을 통해 적층 복합재의 충격특성을 평가하였다[7]. 또한, 충격 후 압축시험을 통해 충격손상을 갖는 적층 복합재의 잔류압축강도를 평가하여 대차프레임의 구조적 안전성을 평가하기 위한 기준 데이터로 활용하고자 한다[8-10].
본 연구에서는 경량 대차프레임의 스킨부를 구성하는 적층 복합재에 대한 충격 특성 및 충격손상을 갖는 적층 복합재의 잔류압축강도를 평가하였다. 다양한 형상을 갖는 도 상자갈에 의한 충격특성을 모사하기 위해 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체에 대한 충격시험 및 충격 후 압축시험을 수행한 결과는 다음과 같다.
제안 방법
다양한 도상자갈 형상에 의한 충격특성을 모사하기 위해 국내 선로상의 대표적인 도상자갈 형상을 기준으로 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체를 제작하여 시험을 수행하였다[13]. 구형 충격체는 ASTM 규정에 의거하여 반지름 8mm의 반구형으로 제작하였으며, 육면체와 원뿔형 충격체는 별도의 시험 규정이 없는 관계로 표준 도상자갈의 형상을 기준으로 제작하였다. Fig.
다양한 도상자갈 형상에 의한 충격특성을 모사하기 위해 국내 선로상의 대표적인 도상자갈 형상을 기준으로 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체를 제작하여 시험을 수행하였다[13]. 구형 충격체는 ASTM 규정에 의거하여 반지름 8mm의 반구형으로 제작하였으며, 육면체와 원뿔형 충격체는 별도의 시험 규정이 없는 관계로 표준 도상자갈의 형상을 기준으로 제작하였다.
8에 나타난 시험편에 대해 위사방향으로 압축을 가했으며, 압축시험 종류별로 5개의 시험편에 대해 압축시험을 수행하였다. 또한, ASTM에서 유효한 결과로 인정할 수 있는 파손모드가 발생한 시험편에 대해서 잔류압축강도를 평가하였다. 충격손상을 갖는 적층 복합재의 잔류압축강도를 평가하기 위해 충격손상을 갖지 않는 시험편에 대한 압축시험을 수행하여 기준 압축물성을 얻 었다.
충격 시험 후, 충격에 의한 손상영역은 3차원 측정기(3D scanner)를 사용하여 측정하였고, 충격면의 영구손상 깊이 역시 측정하였다. 또한, 낙하충격 시험기에서 수집된 데이터를 기반으로 충격체 형상별로 발생되는 충격력을 비교하였다.
이에, 한국철도기술연구원에서는 철도안전법의 다양한 하중시험 및 피로수명을 만족하면서, 기존 금속재 대차프레임에 비해 60%가량의 경량화 효과를 갖는 철도차량용 복합재 대차프레임을 개발하고 있다. 또한, 설계단계에서 철도안전법에서 요구하는 운영하중 조건들에 대한 구조해석을 통해 구조안전성을 평가하였다[5].
이때, 시험편은 ASTM D 7136 규정에 따라 토글 클램프(toggle calmp)를 사용하여 고정하였으며, 시험편 중앙부를 기준으로 75mm×125mm의 직사각형 중공을 갖는 지지대를 적용하였다[12]. 또한, 충격시험은 시험편의 중앙부에 1회 충격이 발생하도록 시험을 수행하였으며, 충격시험 진행 중 시험편에 대한 재충격(rebound)이 발생하지 않도록 하였다.
복합재에 대한 압축시험은 Fig. 8에 나타난 시험편에 대해 위사방향으로 압축을 가했으며, 압축시험 종류별로 5개의 시험편에 대해 압축시험을 수행하였다. 또한, ASTM에서 유효한 결과로 인정할 수 있는 파손모드가 발생한 시험편에 대해서 잔류압축강도를 평가하였다.
25mm/min으로 압축시험을 수행하였다. 시험 진행간 좌굴 발생여부를 확인하기 위해 전면부 2개소와 배면부 1개소에 스트레인 게이지(strain gage)를 부착하였다[15]. Fig.
충격시험은 충격에너지(5J, 10J, 그리고 20J)와 충격체 형상(구형, 육면체형, 그리고 원뿔형) 변화를 모두 고려하여 평가하였다. 시험에 적용된 충격에너지는 수차례의 시험을 통해 시험편에 충격손상이 발생한 5J을 기준으로 하였으며, 5J 과 20J 충격에너지의 중간영역에 대한 평가를 위해 10J의 평가를 수행하였다. 이때, 최대 충격에너지 20J은 철도차량의 평균 운행속도 80km/h와 실제 도상자갈의 질량(약 80g)이 충돌할 때 발생되는 충격에너지를 고려하여 선정되었다.
따라서, 본 연구에서는 도상자갈 비산에 의한 복합재 적용 대차프레임 스킨부의 충격손상이 구조적 안전성에 미치는 영향을 평가하고, 설계의 타당성을 입증하고자 한다. 실제 선로상에서 발생하는 도상자갈의 다양한 형상을 모사하기 위해 구형, 육면체형, 그리고 원뿔형의 충격체 형상을 선정하였으며, 이를 바탕으로 제작된 충격체에 의한 시편단위 충격시험을 통해 적층 복합재의 충격특성을 평가하였다[7]. 또한, 충격 후 압축시험을 통해 충격손상을 갖는 적층 복합재의 잔류압축강도를 평가하여 대차프레임의 구조적 안전성을 평가하기 위한 기준 데이터로 활용하고자 한다[8-10].
이때, 시험편은 ASTM D 7136 규정에 따라 토글 클램프(toggle calmp)를 사용하여 고정하였으며, 시험편 중앙부를 기준으로 75mm×125mm의 직사각형 중공을 갖는 지지대를 적용하였다[12].
복합재 적용 대차프레임은 사이드 빔(side beam)과 크로스 빔(cross beam)으로 구분된다. 이때, 하중을 직접적으로 지지하는 사이드 빔의 충분한 강성과 강도를 확보하기 위해서 적층 복합재 리브(rib)와 보강재를 삽입하였으며, PVC 폼 코어로 사이드 빔과 크로스 빔의 내부를 채워 굽힘강성을 향상시켰다. Fig.
이때, 최대 충격에너지 20J은 철도차량의 평균 운행속도 80km/h와 실제 도상자갈의 질량(약 80g)이 충돌할 때 발생되는 충격에너지를 고려하여 선정되었다. 충격 시험 후, 충격에 의한 손상영역은 3차원 측정기(3D scanner)를 사용하여 측정하였고, 충격면의 영구손상 깊이 역시 측정하였다. 또한, 낙하충격 시험기에서 수집된 데이터를 기반으로 충격체 형상별로 발생되는 충격력을 비교하였다.
또한, ASTM에서 유효한 결과로 인정할 수 있는 파손모드가 발생한 시험편에 대해서 잔류압축강도를 평가하였다. 충격손상을 갖는 적층 복합재의 잔류압축강도를 평가하기 위해 충격손상을 갖지 않는 시험편에 대한 압축시험을 수행하여 기준 압축물성을 얻 었다. 시험을 통해 도출된 압축강성(compressive stiffness)은 25.
충격시험은 충격에너지(5J, 10J, 그리고 20J)와 충격체 형상(구형, 육면체형, 그리고 원뿔형) 변화를 모두 고려하여 평가하였다. 시험에 적용된 충격에너지는 수차례의 시험을 통해 시험편에 충격손상이 발생한 5J을 기준으로 하였으며, 5J 과 20J 충격에너지의 중간영역에 대한 평가를 위해 10J의 평가를 수행하였다.
이론/모형
본 연구에서 시험편에 대한 충격 후 압축시험(CAI test)은 ASTM D 7137 규정에 의거하여 시험을 수행하였으며, 만능 재료 시험기를 사용하였다. 압축시험 속도(cross head speed) 는 1.
6은 충격에너지 변화와 충격체 형상에 따른 적층 복합재의 충격손상모드를 나타내고 있다. 이때, 시험편에 대한 손상모드는 ASTM D 7136의 충격 손상영역 평가방법을 적용하여 평가하였다.
성능/효과
(1) 도상자갈 비산에 의해 철도차량 대차프레임에 발생되는 충격 손상영역은 차량 주행방향에 수직한 면을 갖는 중앙부 프레임에서 높게 발생되는 것으로 확인하였다.
(2) 자갈비산에 의한 적층 복합재의 충격특성은 구형과 육면체 형상을 갖는 충격체보다 원뿔 형상과 같은 뾰족한 형상에서 대차프레임 스킨부의 표면손상이 가중될 것으로 판단된다. 현재 국내 선로의 경우 뾰족한 형상을 갖는 도상자갈 분포비율이 16% 가량으로 실제로 발생되는 충격손상 발생비율은 높지 않을 것으로 사료된다.
(3) 충격손상을 갖는 적층 복합재의 충격 후 압축강도는 충격에너지가 증가할수록 감소하지만 재료의 압축강성에는큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다. 원뿔형 충격체에 의한 충격손상을 갖는 시험편에서 최대 20%의 압축강도가감소하였으나 복합재 대차프레임의 설계 안전율을 충분히 만족하는 범위로써 구조적으로 안전할 것으로 판단된다.
충격손상을 갖는 복합재의 압축강도는 충격에너지가 증가 함에 따라 감소하였다. 5J과 10J의 충격에너지에서는 10%이내의 감소율을 보였으나, 20J의 충격에너지에서 원뿔형상에 의한 충격손상을 갖는 시험편은 20%가량의 압축강도가 감소하는 것을 확인하였다. 그러나 복합재 적용 대차프레임의 정적 설계 안전율은 5로 설계되어 있으며, 본 연구에서는 도상자갈 형상에 의한 충격 특성 평가를 위해 금속재 충격체가 적용되었으나 실제 도상자갈은 복합재에 비해 낮은 압축강도를 갖음으로써 충격 발생시 자갈의 파쇄가 발생할 것으로 판단된다[16].
5는 충격에너지와 충격체 형상 변화에 따른 하중이력선도를 나타내고 있으며, 시험 종류별로 5개의 시험편에 대한 충격시험 결과의 평균을 나타내고 있다. 구형과 육면체 형상의 충격체는 모든 충격에너지에서 유사한 거동을 보이는 반면, 원뿔형 충격체에서는 충격에너지가 증가할수록 다른 충격체보다 접촉시간이 길어지고, 접촉하중이 감소하는 경향을 보였다. 이 원인은 동일한 충격에너지에서 시험 편과의 접촉면적이 좁을수록 복합재는 섬유파단, 기지분열등과 같은 파손이 쉽게 발생하며, 이런 손상은 시편에 가해지는 충격에너지를 흡수하기 때문으로 판단된다.
5J과 10J의 충격에너지에서는 10%이내의 감소율을 보였으나, 20J의 충격에너지에서 원뿔형상에 의한 충격손상을 갖는 시험편은 20%가량의 압축강도가 감소하는 것을 확인하였다. 그러나 복합재 적용 대차프레임의 정적 설계 안전율은 5로 설계되어 있으며, 본 연구에서는 도상자갈 형상에 의한 충격 특성 평가를 위해 금속재 충격체가 적용되었으나 실제 도상자갈은 복합재에 비해 낮은 압축강도를 갖음으로써 충격 발생시 자갈의 파쇄가 발생할 것으로 판단된다[16]. 이러한 설계 안전율을 고려할 경우 도 상자갈 비산에 의한 국부적인 손상은 대차프레임의 구조적 안전성에는 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다.
다양한 형상을 갖는 도상자갈 비산에 의한 경량 대차프레임 적용 적층 복합재의 충격특성을 평가한 결과, 도상자갈이 동일한 질량과 속도로 비산될 경우 자갈의 형상이 뾰족할수록 대차프레임 스킨부에 보다 많은 충격손상을 발생시킬 것으로 판단된다. 그러나, 현재 국내 선로상의 도상자갈은 구형 44%, 육면체형 40%, 그리고 원뿔형 16%의 분포를 갖기 때문에 실제 철도차량 운행간 원뿔형상을 갖는 도상자갈에 의한 충격손상 발생 빈도는 낮을 것으로 판단된다.
2에 보여지는 대차는 현재 국내에서 운행중인 대차로서, 일정기간 운행 후 유지보수를 위해 철도차량 정비창에 입고되어 보수가 진행되기 전의 대차이다. 도상자갈에 의해 발생된 손상 위치는 차량의 주행방향에 수직한 면에서 가장 빈번히 발생하고 있으며, 대차프레임 하부에서는 스크래치(scratch)가 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
충격손상을 갖는 적층 복합재의 잔류압축강도를 평가하기 위해 충격손상을 갖지 않는 시험편에 대한 압축시험을 수행하여 기준 압축물성을 얻 었다. 시험을 통해 도출된 압축강성(compressive stiffness)은 25.84GPa, 압축강도(compressive strength)는 278.90MPa의 평균값을 갖는 것을 확인하였다.
8(b)는 충격 후 압축시험을 통해 본 연구에서 발생한 파손모드를 나타내고 있다. 시험을 통해 발생한 파손모드는 LDM(lateral damage middle)과 DDM(delamination damage middle)이 복합적으로 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 섬유파단이 충격 손상을 받은 중앙부에서 발생하여 시험 결과의 신뢰도가 높은 것을 확인할 수 있다.
(3) 충격손상을 갖는 적층 복합재의 충격 후 압축강도는 충격에너지가 증가할수록 감소하지만 재료의 압축강성에는큰 영향을 미치지 않는 것을 확인하였다. 원뿔형 충격체에 의한 충격손상을 갖는 시험편에서 최대 20%의 압축강도가감소하였으나 복합재 대차프레임의 설계 안전율을 충분히 만족하는 범위로써 구조적으로 안전할 것으로 판단된다.
03mm의 영구손상깊이가 발생하였다. 육면체형 충격체는 외부손상은 상대적으로 적었으나, 시험편에 대해 0.02mm의 영구손상깊이가 발생하였고, 내부에서 기지재료의 미세 크랙이 발생하는 것을 확인하였다.
적층 복합재 시험편에 대한 충격 후 손상모드를 분석한 결과, 5J과 10J의 충격에너지를 갖는 구형과 육면체 형상의 충격체 시험에서는 손상이 발생하지 않은 반면, 원뿔형상을 갖는 충격체에 의한 시험에서는 충격손상이 5J에서부터 발생되는 것을 확인하였다. 또한, 원뿔형 충격체에 의한 충격손상영역은 Fig.
후속연구
(4) 충격을 받는 구조물의 면재를 적층 복합재로 제작할 경우, 국부적인 충격손상영역에 대한 유지보수 및 구조물의 수명연장을 위해 표면에 고무와 같은 완충제의 적용을 통한 표면 손상 방지 연구가 필요할 것으로 판단된다.
이러한 설계 안전율을 고려할 경우 도 상자갈 비산에 의한 국부적인 손상은 대차프레임의 구조적 안전성에는 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다. 또한, 도 상자갈 비산에 의해 충격손상이 발생될 수 있는 영역에 보강재를 적용하여 차후 운행에 따른 유지보수성을 향상시킬 필요가 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
경량 대차프레임은 무엇으로 구성되어있는가?
경량 대차프레임은 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재(glass/epoxy 4-harness satin woven laminate composite) 와 PVC 폼으로 구성되어 있다. 이때, 내부와 외부 면재에 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재는 일방향 복합재에 비해 여러 방향에 대해 하중을 지지할 수 있으며, 충격저항력을 높일 수 있는 장점이 있다.
운송수단의 경량화 및 연비향상에 대한 필요성이 대두 됨에 따라 생겨난 변화는 무엇인가?
최근 국제유가의 상승 및 지구온난화 현상으로 인해 운송수단의 경량화 및 연비향상에 대한 필요성이 대두되고 있다. 이에 사회적 비용과 이산화탄소 배출이 높은 자동차 위주의 도로교통시스템에서 높은 친환경성을 갖는 열차시스템으로 운송수단이 변화되고 있는 추세이다. 철도차량은 높은 수송 능력과 에너지 효율의 이점을 갖는 운송수단으로써 이러한 이점을 극대화시키기 위해 설계단계부터 차량의 경량화가 필수사항으로 요구되고 있다[1].
적층 복합재의 장점은?
이때, 내부와 외부 면재에 적용된 유리섬유/에폭시 4-매 주자직 적층 복합재는 일방향 복합재에 비해 여러 방향에 대해 하중을 지지할 수 있으며, 충격저항력을 높일 수 있는 장점이 있다. 따라서, 적층 복합재는 설계조건에 따라 적층 방향을 변경하여 구조물에서 요구되는 강성 및 강도를 조절할 수 있으며, 일체 성형기법의 적용으로 기존 금속재 대차프레임이 갖는 용접부의 물성 저하를 개선할 수 있는 장점을 갖는다[11]. 복합재 적용 대차프레임은 사이드 빔(side beam)과 크로스 빔(cross beam) 으로 구분된다.
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