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문제 정의
- 본 연구에서는 철도차량의 굽힘모드 시험방법의 JIS E7105규격의 한계를 확인하고, 이를 보완할 수 있는 충격시험을 제시하고자 한다. 이를 위해 축소 평판 시편을 제작하여, JIS E7105에 의한 정적 변위시험과 충격시험을 실시하고 전산 해석 결과와 비교하였다.
제안 방법
- (b)와 같이 차량 내부 중앙에 외부로 연결된 ‘ㄷ’형 구조물과 철도차량 바닥면 사이에 유압가력장치를 사용하여 10ton의 하중을 부여하여 철도차량 중앙위치에서 정적변위를 유발하고 일시에 하중을 제거하여 차체를 가진시킨 후, Fig. 8과 같이 굽힘모드의 형상을 반영할 수 있는 차체 상면 4개 위치에서 가속도 신호를 측정하여 고유진동수와 모드형상을 산출하였다.
- 동일한 철도차량에 대하여 충격시험을 하였다. 다수 위치에서 충격을 가하고 다수의 위치에서 가속도 응답을 측정하였다. 충분한 충격력을 얻고 구조물의 잔류 변형을 남기지 않기 위해 고무망치를 사용하였다.
- 동일한 철도차량에 대하여 충격시험을 하였다. 다수 위치에서 충격을 가하고 다수의 위치에서 가속도 응답을 측정하였다.
- 이를 위해 축소 평판 시편을 제작하여, JIS E7105에 의한 정적 변위시험과 충격시험을 실시하고 전산 해석 결과와 비교하였다. 또한 실제 철도차량에 대한 기존의 정적 변위시험과 더불어 충격시험을 실시하고 전산해석과 시험 결과를 비교하여 철도차량 충격시험의 타당성을 검증하였다.
- 축소평판 시편에 대한 굽힘모드 시험은 JIS E7105규격에 의거 차량 중앙에 무게추를 달아 변위를 발생시키고, 일시에 지지줄을 끊어 무게추를 제거하여 시편를 자유진동 시키고, 시편 여러 위치에서 가속도를 동시에 측정하여 고유진동수와 모드형상을 산출하였다. 또한 충격햄머를 이용한 충격가진에 의한 모드시험을 실시하였다. Fig.
- 크기는 일반 철도차량의 길이 대비 폭의 비로 ST41C 강재를 사용하여 Table 1과 같이 시편을 제작하였다. 시편은 철도차량이 전후 대차로 지지되어 있는 경우를 고려하여 길이와 폭을 1/50으로 축소하고 대차지지위치에 단순지지 하였다. 시헌 전 시편 고유진동수 및 모드형상을 예측하기 위해 전산해석 프로그램 SAMCEF[8]를 이용하여 모드해석 하였다.
- 4는 실제 시험하는 사진이다. 진동측정 및 충격가진은 시편을 6등분하여 7개 위치에서 조합하여 측정, 혹은 가진하고 FRF(Frequency Response Function)로 부터 진동모드를 산출하였다. 정적가진 시험 시, 하중은 평판의 변형량이 탄성영역에 있도록 0.
- 철도차량 설계검증을 위하여 실시하고 있는 굽힘모드시험을 기존의 시험방법과 충격시험을 시편시험과 실제 철도차량에 대해 수행하고 각각을 전산해석 결과와 비교 함으로써 다음 같은 결론을 얻을 수 있다.
- 철도차량 제작공장에서 차체 굽힘모드 시험을 하기 전에 SAMCEF를 이용하여 차체에 대한 모드해석을 하였다. 대상 차체는 Fig.
- 축소평판 시편에 대한 굽힘모드 시험은 JIS E7105규격에 의거 차량 중앙에 무게추를 달아 변위를 발생시키고, 일시에 지지줄을 끊어 무게추를 제거하여 시편를 자유진동 시키고, 시편 여러 위치에서 가속도를 동시에 측정하여 고유진동수와 모드형상을 산출하였다. 또한 충격햄머를 이용한 충격가진에 의한 모드시험을 실시하였다.
- 다수 위치에서 충격을 가하고 다수의 위치에서 가속도 응답을 측정하였다. 충분한 충격력을 얻고 구조물의 잔류 변형을 남기지 않기 위해 고무망치를 사용하였다. 고무망치의 충격 특성은 최대 300Hz, 2000N으로 알루미늄 차체를 충분히 가진 할 수 있었다.
- 현장에서 철도차량의 굽힘 1차 고유진동수를 측정하기 위해 JIS E7501 규격에 의거 굽힘시험을 실시하였다. Fig.
대상 데이터
- 철도차량 차체 모드시험 규격 검토를 위해 Fig. 2와 같이 축소평판 시편을 제작하였다. 크기는 일반 철도차량의 길이 대비 폭의 비로 ST41C 강재를 사용하여 Table 1과 같이 시편을 제작하였다.
- 2와 같이 축소평판 시편을 제작하였다. 크기는 일반 철도차량의 길이 대비 폭의 비로 ST41C 강재를 사용하여 Table 1과 같이 시편을 제작하였다. 시편은 철도차량이 전후 대차로 지지되어 있는 경우를 고려하여 길이와 폭을 1/50으로 축소하고 대차지지위치에 단순지지 하였다.
데이터처리
- 시편은 철도차량이 전후 대차로 지지되어 있는 경우를 고려하여 길이와 폭을 1/50으로 축소하고 대차지지위치에 단순지지 하였다. 시헌 전 시편 고유진동수 및 모드형상을 예측하기 위해 전산해석 프로그램 SAMCEF[8]를 이용하여 모드해석 하였다. 해석결과 Fig.
- 본 연구에서는 철도차량의 굽힘모드 시험방법의 JIS E7105규격의 한계를 확인하고, 이를 보완할 수 있는 충격시험을 제시하고자 한다. 이를 위해 축소 평판 시편을 제작하여, JIS E7105에 의한 정적 변위시험과 충격시험을 실시하고 전산 해석 결과와 비교하였다. 또한 실제 철도차량에 대한 기존의 정적 변위시험과 더불어 충격시험을 실시하고 전산해석과 시험 결과를 비교하여 철도차량 충격시험의 타당성을 검증하였다.
이론/모형
- 6(a)의 실제 철도차량으로 차체는 알루미늄 압출재로 제작되었다. 압출재 구조물의 해석모델을 실제와 동일하게 하기에는 구조물이 복잡하고 전산해석시간도 길어지는 단점이 있어, 등가물성치 산출 방법[9]으로 등가강성을 산출하여 차체를 쉘(shell)로 모델링 하였다. Fig.
성능/효과
- 5(a)는 정적변위시험과 충격시험 시 중앙에서 약간 벗어난 위치에서 측정한 가속도 신호를 주파수 분석한 결과로써 1, 2, 3차 고유진동수를 보여주고 있다. 2장에서 설명한 바와 같이 정적변위시험에서는 2차 모드가 발생하지 않을 것으로 예측되었으나, 정중앙에서의 정적처짐과 양단 단순지지조건을 완벽하게 맞출 수 없어 2차 모드가 나타나기는 하였으나 충격시험에 비해 명확도는 떨어졌다. 시험방법에 따른 모드형상은 Fig.
- 4의 중앙에 매달았다. 각각의 고유진동수는 1차 90Hz, 2차 311Hz, 3차 520Hz로 SAMCEF에 의한 전산해석, JIS E7105에 의한 정적변위시험, 충격시험 모두 잘 일치함을 알 수 있었다. Fig.
- 충분한 충격력을 얻고 구조물의 잔류 변형을 남기지 않기 위해 고무망치를 사용하였다. 고무망치의 충격 특성은 최대 300Hz, 2000N으로 알루미늄 차체를 충분히 가진 할 수 있었다. Fig.
- 8에 표시한 가속도계의 측정위치이다. 전산해석과 비교하면 1차, 2차 등 저차에서는 모드형상이 충격시험 결과와 정적변위시험 결과가 잘 일치하나 고차로 갈수록 많은 차이를 보여 주고 있다. 정적 변위시험의 목적이 모드형상까지 구하는 것이 아니었던 만큼 당연한 결과이나, 고차의 고유진동수와 모드형상이 중요 해지는 고속전철 차량 설계에서는 전산해석과 더불어 전산 해석 결과를 검증하기 위해서는 충격시험이 보다 유용함을 알 수 있다.
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