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문제 정의
- 이 논문에서는 철도차량의 공진회피 설계를 위하여 유한요소 해석을 이용하여 철도차량의 고유진동수를 평가하였다. 해석결과의 신뢰성을 검토하기 위하여 기존의 KS R 9228에서 규정한 1 ton의 시험용 부하하중을 매달았다가 순간적으로 제거하는 가진방법과 모달테스팅 방법을 상호 비교, 분석하였다.
제안 방법
- 비틀림 고유진동수 측정을 위해 Fig. 5(a)와 같이 상부, 하부 플레이트 사이에 끝이 뾰족한 롤러를 사용하여 차량을 점지지하고 측정하였다. 또한 굽힘 고유진동수를 측정하기 위해서는 Fig.
- 이때, 차량의 지지는 굽힘 고유진동수와 달리 비틀림 빔의 중심위치에 나이프에지 또는 지름이 작은 롤러로 지지되게 한다. Fig. 6은 가속도계의 부착위치를 나타내며, 굽힘과 비틀림이 검토될 수 있도록 기준 가속도계와 응답 가속도계의 위치를 변화시키면서 pseudo FRF 분석을 수행하였다.
- 따라서 이 논문에서는 생산중인 철도차량을 한국표준협회에서 지정한 철도 차량 차체의 하중 시험방법(KS R 9228)으로 1 ton 시험용 부하하중 낙하와 가속도계 2개로 pseudo FRF(frequency response function)로 철도차량의 고유진동수를 평가하였다. 시험결과를 검증하기 위하여 차량의 고유진동수 해석을 수행하였으며 KS R 9228에서 제안한 경계조건을 설정하고 1차 굽힘 고유진동수와 1차 비틀림 고유진동수를 평가하였다.
- 5와 같이 지지를 하고, 시험용 부하하중은 차체 중앙부의 밑면에 설치한다. 이 1 ton의 시험용 부하하중을 순간적으로 제거함으로써 차체에 충격가진을 구현하게 되며 가속도계 2개를 이용하여 기준신호와 응답신호를 측정하여 pseudo FRF 전달함수를 사용하여 고유진동수를 계산한다(3,4).KS R 9228의 굽힘 고유진동수 측정방법에 따라 철도차량에 자유진동을 발생시키기 위해서, 차량의 하부 중앙부에 Fig.
- 시험결과를 검증하기 위하여 차량의 고유진동수 해석을 수행하였으며 KS R 9228에서 제안한 경계조건을 설정하고 1차 굽힘 고유진동수와 1차 비틀림 고유진동수를 평가하였다. 이 논문에서는 기존 시험법의 측정방법과 달리 모달테스팅 기법을 활용하여 임팩트 해머로 철도차량을 가진하고 고유진동수를 평가하였다. 기존 시험방법 및 고유진동수 해석과 모달테스팅 결과를 비교, 분석하였다.
- 임팩트해머를 이용한 모달테스팅은 임팩트해머를 이용하여 충격신호를 주고, 가속도계를 통하여 진동응답을 측정하여 FRF분석을 통해 고유진동수를 평가하였다(5). Table 3은 측정에 사용된 장비리스트와 용도를 나타낸다.
- 7의 (a)와 (b)처럼 1 ton의 시험용 부하하중을 용접으로 달았다가 다시 용접으로 순간적으로 제거함으로써 철도차량 차체에 충격가진을 구현하였다. 충격가진에 의해 진동하는 철도차량을 가속도계 2개를 이용하여 기준신호와 응답신호를 측정하여 Pulse FFT analyzer에서 pseudo FRF 전달함수를 사용하여 고유진동수를 측정 평가하였다.
- 2는 지지대의 지지형태를 나타내며 유한요소 해석에서 경계조건을 나타내고 있다. 해석은 솔리드 고차요소를 사용하였으며 지지대의 지지형태에 따라서 굽힘 고유진동수와 비틀림 고유진동수 해석을 수행하였다(2). Fig.
대상 데이터
- 시험에 사용된 철도차량은 완성차제이며 철도차량의 제원을 Table 2에 나타내었다. Fig.
데이터처리
- 3차원 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 고유진동수 해석을 수행하였다. Fig.
- 이 논문에서는 기존 시험법의 측정방법과 달리 모달테스팅 기법을 활용하여 임팩트 해머로 철도차량을 가진하고 고유진동수를 평가하였다. 기존 시험방법 및 고유진동수 해석과 모달테스팅 결과를 비교, 분석하였다.
- 따라서 이 논문에서는 생산중인 철도차량을 한국표준협회에서 지정한 철도 차량 차체의 하중 시험방법(KS R 9228)으로 1 ton 시험용 부하하중 낙하와 가속도계 2개로 pseudo FRF(frequency response function)로 철도차량의 고유진동수를 평가하였다. 시험결과를 검증하기 위하여 차량의 고유진동수 해석을 수행하였으며 KS R 9228에서 제안한 경계조건을 설정하고 1차 굽힘 고유진동수와 1차 비틀림 고유진동수를 평가하였다. 이 논문에서는 기존 시험법의 측정방법과 달리 모달테스팅 기법을 활용하여 임팩트 해머로 철도차량을 가진하고 고유진동수를 평가하였다.
- 이 논문에서는 철도차량의 공진회피 설계를 위하여 유한요소 해석을 이용하여 철도차량의 고유진동수를 평가하였다. 해석결과의 신뢰성을 검토하기 위하여 기존의 KS R 9228에서 규정한 1 ton의 시험용 부하하중을 매달았다가 순간적으로 제거하는 가진방법과 모달테스팅 방법을 상호 비교, 분석하였다. 철도차량의 1차 고유진동수가 10 Hz이상이 되도록 설계해야 하는데, 이 연구에 사용된 철도차량은 저주기 운동에 대한 공진회피 설계가 잘 되었음을 평가할 수 있었다.
이론/모형
- 이 연구에서 고유진동수 측정 시험은 KS R 9228(JIS E 7105)의 시험방법에 의거하여 측정을 실시하였다. KS R 9228은 고유진동수의 측정시험을 비틀림 고유진동수 측정 시험과 굽힘 고유진동수측정 시험으로 구분하였다.
- 철도차량의 고유진동수 측정방법은 KS R 9228에서 지정한 시험용 부하하중을 이용하여 pseudoFRF로 고유진동수를 측정하는 방법과 임팩트 해머를 이용한 모달테스팅의 두 가지 방법으로 철도차량의 고유진동수를 측정하였다.
성능/효과
- 8 Hz로 평가되었다. 10 Hz 위로 10.8 Hz와 11.8 Hz 및 13.6 Hz의 피크가 발생하였으나 가진력 충격신호와 진동응답의 위상관계를 파악한 결과, 10.8 Hz의 피크는 고유진동수가 아닌 것으로 판단되었으며 11.8 Hz가 비틀림 고유진동수로 나타났다. 비록 Fig.
- 철도차량의 1차 고유진동수가 10 Hz이상이 되도록 설계해야 하는데, 이 연구에 사용된 철도차량은 저주기 운동에 대한 공진회피 설계가 잘 되었음을 평가할 수 있었다. 또한 기존의 시험방법인 KSR 9228에 의한 결과의 신뢰성을 검증하기 위하여 모달테스팅 기법을 추가 검토하였으며 두 시험 결과가 잘 일치함을 확인하였다.
- 2 Hz로 평가되었다. 모달테스팅을 통해서 FRF의 진폭과 위상의 커브를 통해서 비틀림과 굽힘의 고유진동수를 정확하게 파악할 수 있었다.
- 해석결과의 신뢰성을 검토하기 위하여 기존의 KS R 9228에서 규정한 1 ton의 시험용 부하하중을 매달았다가 순간적으로 제거하는 가진방법과 모달테스팅 방법을 상호 비교, 분석하였다. 철도차량의 1차 고유진동수가 10 Hz이상이 되도록 설계해야 하는데, 이 연구에 사용된 철도차량은 저주기 운동에 대한 공진회피 설계가 잘 되었음을 평가할 수 있었다. 또한 기존의 시험방법인 KSR 9228에 의한 결과의 신뢰성을 검증하기 위하여 모달테스팅 기법을 추가 검토하였으며 두 시험 결과가 잘 일치함을 확인하였다.
- 5(b)의 굽힘 고유진동수 측정지지와 충격망치로 모달테스팅을 통해서 측정된 굽힘 고유진동수 결과를 나타낸다. 충격망치의 기준신호와 가속도계의 응답신호를 측정하여 계산된 FRF에서 1차 굽힘 고유진동수가 13.2 Hz로 평가되었다. 모달테스팅을 통해서 FRF의 진폭과 위상의 커브를 통해서 비틀림과 굽힘의 고유진동수를 정확하게 파악할 수 있었다.
- 5(a)의 비틀림 고유진동수 측정지지와 충격망치로 모달테스팅을 통해서 측정된 비틀림 고유진동수 결과를 나타낸다. 충격망치의 기준신호와 가속도계의 응답신호를 측정하여 계산된 FRF에서 1차 비틀림 고유진동수가 11.8 Hz로 평가되었다. 10 Hz 위로 10.
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