[논문]복합소재 대차프레임용 4매 주자직 유리섬유/에폭시 복합소재의 진동특성평가

김일겸; 김정석; 서승일; 이우근

doi:10.7782/jksr.2013.16.1.001

복합소재 대차프레임용 4매 주자직 유리섬유/에폭시 복합소재의 진동특성평가
Dynamic Property Evaluation of Four-Harness Satin Woven Glass/epoxy Composites for a Composite Bogie Frame 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.16 no.1 = no.74, 2013년, pp.1 - 6

김일겸 (New Transportation Systems Research Center, Korea Railroad Research Institute) , 김정석 (New Transportation Systems Research Center, Korea Railroad Research Institute) , 서승일 (Emerging Transportation Technology Research Division Korea Railroad Research Institute) , 이우근 (Railway System Engineering, University of Science and Technology)

초록
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본 연구에서는 복합소재 전동차용 대차프레임에 적용되는 4매 주자직 유리섬유/에폭시 복합소재에 대한 고유진동 특성과 주파수에 따른 감쇠특성을 평가하였다. 이를 위해 오토클레이브 성형을 통해 길이와 두께가 다른 유리섬유/에폭시 빔 시편을 제작하였다. 시험결과 감쇠비의 최대값은 최소 고유진동수에서 발생하였다. 또한, 주파수가 증가함에 따라감쇠비는 지수 함수적으로 임계치까지 감소하였다. 이후에는 주파수에 따라 증가하는 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the natural frequency and damping ratio of a four-harness satin woven glass/epoxy composite material are evaluated by means of modal tests and a finite element analysis. To achieve this goal, glass/epoxy beam specimens with different lengths and thicknesses were manufactured via autoclave curing. In the test, the maximum damping ratio was found to occur at the lowest test frequency. As the test frequency increased, the damping ratio decreased exponentially to a critical value. After that value, the damping ratio increased gradually to the maximum test frequency.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서 복합소재 대차프레임에 적용되는 직조된 유리섬유 복합소재의 고유진동특성 및 주파수에 따른 감쇠특성을 구하는 것이 목적이다. 이를 위해 폭 30mm 및 길이 300mm의 빔 시편을 제작하였다.
본 연구에서는 길이 300mm시편에서 추출된 감쇠비의 신뢰성을 검증하기 위하여 유한요소해석에 감쇠비를 입력하여 주파수 응답 함수를 구하였다. Fig.
본 연구에서는 복합소재 전동차용 대차프레임에 적용되는 4매 주자직 유리섬유/에폭시 복합소재에 대한 고유진동 특성과 주파수에 따른 감쇠특성을 평가하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
일반적으로 복합소재는 금속재에 비해 비강성 및 감쇠특성이 우수한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 이러한 복합소재의 특성을 활용하여 복합소재 대차프레임을 판스프링(leaf spring)으로 활용하고자 한다. 이를 위해서는 복합소재 대차프레임에 적용되는 소재인 유리섬유/에폭시 복합소재에대한 강성 및 감쇠특성에 대한규명이 필수적이다.
이를 위해서는 복합소재 대차프레임에 적용되는 소재인 유리섬유/에폭시 복합소재에대한 강성 및 감쇠특성에 대한규명이 필수적이다. 이를 위해 본 연구에서는 유리섬유/에폭시 복합소재에 대한 고유진동 특성과 주파수에 따른 감쇠특성을 시험적으로 평가하였다. 이를 위해 시편의 크기를 조절하여 다양한 주파수 범위에서 감쇠비를 측정하였다.

제안 방법

모달 해석 결과 1kHz까지 총 7개의 고유모드가 존재하였다. 또한 시험 시 가진 및 측정용 센서가 시편에 수직한 방향의 거동만을 측정하게 되므로 굽힘모드(Bending Mode)만 측정되었다. 따라서, 시험과 해석결과의 비교 역시 Table 2와 같이 굽힘모드의 결과만을 비교하였다.
2와 같이 300mm에서 140mm까지 20mm 단위로 변화시켰다. 또한, 복합소재 시편의 두께의 효과를 분석 하기 위해 시편의 두께는 3mm와 6mm인 두 가지 시편을 제작하였다. 시험에 사용된 시편의 적층각은 대차프레임의 적층각과 동일한 [(0/90)3]s로 제작되었다.
3은 진동특성평가를 위한 시험설치로 시편의 설치방향은 Roger[5]의 연구에서 제안한 것과 같이 중력의 영향을 최소화하기 위해 수직방향으로 설치하였다. 시험시 빔 시편은 끝단부 고정지지조건을 구현하기 위해 시험용 지그에 단단히 고정하였고, 외부 진동의 영향을 최소화하기 위해 방진 처리된 석정반 위에서 시험을 수행하였다. 시험시 가진은 임팩트 햄머(086D20, PCB)를 이용하였으며 레이져 속도 센서(OPV511, Polytec)를 이용하여 응답을 측정하였다.
위에서 측정한 시험결과는 유한요소해석 결과와 비교하여 검증하였다. 이를 위해 길이 300mm인 복합소재 빔에 대한 모달 해석(Modal Analysis)을 수행하였다. 유한요소 모델은 2D Shell 요소를 이용하였다.
이를 위해 본 연구에서는 유리섬유/에폭시 복합소재에 대한 고유진동 특성과 주파수에 따른 감쇠특성을 시험적으로 평가하였다. 이를 위해 시편의 크기를 조절하여 다양한 주파수 범위에서 감쇠비를 측정하였다. 이렇게 확보된 감쇠 및 진동 특성은 향후 복합소재 대차프레임을 장착한 차량에 대한 주행동특성 평가시 활용되어 승차감, 탈선계수 등 평가시 사용될 것이다.
시편의 폭과 두께는 각각 30mm와 3mm이다. 이를 이용하여 4.5Hz-100Hz까지의 주파수 대역에서 감쇠비를 측정하였다.
이를 위해 폭 30mm 및 길이 300mm의 빔 시편을 제작하였다. 주파수에 따른 감쇠특성 및 목표 주파수 한계인 1kHz까지의 특성을 얻기 위해 시편의 길이를 Fig. 2와 같이 300mm에서 140mm까지 20mm 단위로 변화시켰다. 또한, 복합소재 시편의 두께의 효과를 분석 하기 위해 시편의 두께는 3mm와 6mm인 두 가지 시편을 제작하였다.

대상 데이터

두 시험결과에서 알 수 있듯이 50Hz이하의 저주파 영역에서 감쇠비는 지수 함수적으로 급격히 증가하는 경향을 보이는데, 이러한 저주파 영역에 대한 정확한 감쇠비를 얻기 위해서는 보다 긴 빔 시편이 필요하였다. 따라서, 본 연구에서는 기존 빔 시편에 비해 2배 이상 긴 길이 650mm인 빔 시편을 제작하였다. 시편의 폭과 두께는 각각 30mm와 3mm이다.
따라서, 본 연구에서는 기존 빔 시편에 비해 2배 이상 긴 길이 650mm인 빔 시편을 제작하였다. 시편의 폭과 두께는 각각 30mm와 3mm이다. 이를 이용하여 4.
시험시 빔 시편은 끝단부 고정지지조건을 구현하기 위해 시험용 지그에 단단히 고정하였고, 외부 진동의 영향을 최소화하기 위해 방진 처리된 석정반 위에서 시험을 수행하였다. 시험시 가진은 임팩트 햄머(086D20, PCB)를 이용하였으며 레이져 속도 센서(OPV511, Polytec)를 이용하여 응답을 측정하였다.
또한, 복합소재 시편의 두께의 효과를 분석 하기 위해 시편의 두께는 3mm와 6mm인 두 가지 시편을 제작하였다. 시험에 사용된 시편의 적층각은 대차프레임의 적층각과 동일한 [(0/90)3]s로 제작되었다.
본 연구에서 복합소재 대차프레임에 적용되는 직조된 유리섬유 복합소재의 고유진동특성 및 주파수에 따른 감쇠특성을 구하는 것이 목적이다. 이를 위해 폭 30mm 및 길이 300mm의 빔 시편을 제작하였다. 주파수에 따른 감쇠특성 및 목표 주파수 한계인 1kHz까지의 특성을 얻기 위해 시편의 길이를 Fig.

데이터처리

위에서 측정한 시험결과는 유한요소해석 결과와 비교하여 검증하였다. 이를 위해 길이 300mm인 복합소재 빔에 대한 모달 해석(Modal Analysis)을 수행하였다.

이론/모형

감쇠비의 실험적 추출 방법은 모달 해석을 이용한 방법, 시간영역(Time-Domain)상에서의 시스템 매개 변수 규명 등여러 가지 방법이 존재한다. 본 연구에서는 모달 시험을 통해 주파수 응답 함수를 시험적으로 확보하였으므로 주파수 응답 함수에서 Q-Factor를 이용한 방법을 이용하였다. 이 방법은 다자유도계 시스템을 여러 개의 1자유도 시스템의 조합으로 간주하고 각각의 모드는 충분히 멀리 떨어져 있다는 가정하에 수행하게 된다.

성능/효과

Fig. 7(a)의 두께가 3mm인 시편의 경우 0-200Hz 주파수 영역에서는 주파수가 증가할수록 감쇠비는 지수 함수적으로 감소하는 경향을 보이다가 약 200Hz를 기점으로 다시 완만하게 증가하는 경향을 보였다. 반면 Fig.
반면 Fig. 7(b)의 두께가 6mm 인 시편의 경우 3mm시편과 유사한 거동을 보이나 감소 기울기가 더욱 급하고 약 150Hz를 기점으로 다시 증가시 증가율은 3mm 시편에 비해 완만한 경향을 보였다. 각각의 경우 최소 감쇠비는 두께 3mm 시편의 경우 1.
1. 모달시험을 통해 얻어진 유리섬유/복합소재 빔의 고유치는 300mm빔의 경우 20.8Hz였고, 해석을 통한 검증을 통해 신뢰성을 확인할 수 있었다.
2. 주파수에 따른 감쇠비 측정결과 감쇠비의 최대값은 최소 고유치에서 발생하였다.
3. 감쇠비의 주파수에 따른 특성은 초기 저주파 영역에서는 주파수가 증가함에 따라 감쇠비는 지수함수적으로 임계치까지 감소하였다. 그러나, 이후에는 주파수에 따라 증가하였다.
4. 장시편을 통한 저주파 영역에 대한 상세 고찰을 통해 약 4.5Hz대역까지의 상세한 감쇠비를 얻을 수 있었다. 이렇게 얻어진 주파수별 정량적인 감쇠특성은 향후 복합소재 대차프레임의 동적거동 평가에 활용될 것이다.
여기서 f는 독립변수로 주파수를 의미하며, A, B, C, D는 Curve-Fitting을 위한 계수이다. Curve-Fitting의 결과는 RMSE(Root Mean Squared Error)가 0.0004763, 0.0005195로 좋은 결과를 얻은 것을 확인하였다.
Coherence 함수는 모달 시험의 결과 중 입출력단의 노이즈의 기여도를 표시하는 지표로 1에 가까울수록 시험에 노이즈 개입이 적음을 의미한다. 대부분의 고유진동수에서 기여도가 1에 가까우므로 실험 결과의 신뢰성이 높은 것을 알 수 있었다. 또한 시편의 길이가 짧아질 수록 고유진동수가 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다.
두 시험결과에서 알 수 있듯이 50Hz이하의 저주파 영역에서 감쇠비는 지수 함수적으로 급격히 증가하는 경향을 보이는데, 이러한 저주파 영역에 대한 정확한 감쇠비를 얻기 위해서는 보다 긴 빔 시편이 필요하였다. 따라서, 본 연구에서는 기존 빔 시편에 비해 2배 이상 긴 길이 650mm인 빔 시편을 제작하였다.
Berthelot[6,7]등은 복합소재의 감쇠비를 예측할 수 있는 유한요소 모델을 개발하고 시험을 통해 이를 검증하였다. 또한, 적층각에 따른 효과를 평가하여 0도 층으로만 구성된 적층판이 가장 낮은 감쇠비을 갖고 60도 층으로 구성된 적층판이 가장 높은 감쇠비을 가짐을 확인하였다.
40×10^-3였다. 본 시험에서 얻어진 결과가 약간 높은 감쇠비를 보였다. 그 이유는 Roger의 경우 일방향 (unidirectional) 복합소재이나 본 시험에 적용된 시편은 4매 주자직의 직조된 시편으로 직조된 섬유간의 마찰에 의해 감쇠비가 높은 것으로 판단된다.
이 시험에서 얻어진 0° 및 90° 방향 적층 빔의 평균적인 최소 감소비는 1.29×10-3 이고 최대 감쇠비는 약 3.50×10-3였다.
최대 감쇠비는 4.5Hz에서 15.0×10-3였고, 주파수가 증가함에 따라 급격히 감소하다가 30Hz부터 거의 일정한 경향을 보였다.

후속연구

5Hz대역까지의 상세한 감쇠비를 얻을 수 있었다. 이렇게 얻어진 주파수별 정량적인 감쇠특성은 향후 복합소재 대차프레임의 동적거동 평가에 활용될 것이다.
이를 위해 시편의 크기를 조절하여 다양한 주파수 범위에서 감쇠비를 측정하였다. 이렇게 확보된 감쇠 및 진동 특성은 향후 복합소재 대차프레임을 장착한 차량에 대한 주행동특성 평가시 활용되어 승차감, 탈선계수 등 평가시 사용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전동차용 금속재 대차프레임의 특징은?	기존 전동차용 금속재 대차프레임은 일반적으로 SM490A 소재로 내부가 빈 박스형태의 용접구조로 제작되며 H형상을 갖는다. 복합소재 대차프레임의 경우에도 Fig.
	복합소재 대차프레임의 역할은 무엇인가?	현재 한국철도연구원에서는 유리섬유/에폭시 복합소재를 이용하여 도시철도용 경량 복합소재 대차프레임을 개발 중이다. 특히, 복합소재 대차프레임의 경우 경량화 뿐만 아니라 프레임 자체가 현가장치 역할을 감당하게 된다. 따라서, 복합소재 대차프레임에 적용되는 소재에 대한 진동 및 감쇠 특성의 규명은 필수적이다.
	철도차량의 고속화 및 대용량화에 있어서 대차가 중요한 이유는?	이와 같은 철도차량의 고속화 및 대용량화를 실현하기 위해서 차량 경량화는 필수적인 요구조건이다. 대차의 경우 전체 차량무게의 약 35~40%를 차지하는 고중량 부품이다.

참고문헌 (7)

J.S. Kim, H.J. Yoon (2011) Structural behaviors of a GFRP composite bogie frame for urban subway trains under critical load conditions, ICM11, Italy, June, pp. 5-9.
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J.S. Kim, W.G. Lee (2012) Manufacturing and structural behavior evaluation of composite side beams using autoclave curing and resin transfer moulding method, International Journal of Precision Engineering Manufacturing, 13, pp. 723-730.

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J.S. Kim, K.B. Shin, H.J. Yoon and W.G. Lee (2012) Durability evaluation of a composite bogie frame with bow-shaped side beams, Journal of Mechanical Science Technology, 26, pp. 531-536.

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Roger M. Crane. (1989) Damping loss factor determination of glass and graphite epoxy laminated composites using vertically oriented cantilever beams, David Taylor Research Center.
J.M. Berthelot, M. Assarar, Y. Sefrani, A.E. Mahi (2007) Damping analysis of composite materials and structures, Composite Structures, 85, pp. 189-204.
A.E. Mahi, M. Assarar, Y. Sefrani, J.M. Berthelot (2008) Damping analysis of orthotropic composite materials and laminates, Composites: Part B, 85, pp. 1069-1076.

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동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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