본 연구에서는 알루미늄 압출재로 구성된 한국형 표준전동차모델(K-EMU)의 차체를 대상으로 치수 최적설계와 구조체 소재 변경을 통한 경량화방안에 대해 연구하였다. 우선 K-EMU 차체의 하부구조, 측벽구조, 단부구조의 부재별 두께를 현재의 압출가능 두께를 적용하여 치수 최적화 기법으로 약 14.8% 경량화 하였다. 그리고 치수최적설계 된 K-EMU 차체에 유지보수성이 좋은 고장력강(SMA570)재질의 프레임타입 하부구조를 적용하여 초기 K-EMU 차체대비 약 3.8% 경량화 된 하이브리드 차체를 도출하였다. 마지막으로 샌드위치 복합재를 하부구조와 지붕구조에 적용하여 초기 K-EMU 차체대비 약 30% 경량화 된 초경량 하이브리드 차체를 도출하였다. 도출된 차체 모델들은 모두 전동차 구조체 하중시험법을 만족하였다.
본 연구에서는 알루미늄 압출재로 구성된 한국형 표준전동차모델(K-EMU)의 차체를 대상으로 치수 최적설계와 구조체 소재 변경을 통한 경량화방안에 대해 연구하였다. 우선 K-EMU 차체의 하부구조, 측벽구조, 단부구조의 부재별 두께를 현재의 압출가능 두께를 적용하여 치수 최적화 기법으로 약 14.8% 경량화 하였다. 그리고 치수최적설계 된 K-EMU 차체에 유지보수성이 좋은 고장력강(SMA570)재질의 프레임타입 하부구조를 적용하여 초기 K-EMU 차체대비 약 3.8% 경량화 된 하이브리드 차체를 도출하였다. 마지막으로 샌드위치 복합재를 하부구조와 지붕구조에 적용하여 초기 K-EMU 차체대비 약 30% 경량화 된 초경량 하이브리드 차체를 도출하였다. 도출된 차체 모델들은 모두 전동차 구조체 하중시험법을 만족하였다.
This study proposes a weight reduction design for urban transit, specifically, a Korean EMU carbody made of aluminum extrusion profiles, according to size optimization and useful material changes. First, the thickness of the under-frame, side-panels, and end-panels were optimized by the size optimiz...
This study proposes a weight reduction design for urban transit, specifically, a Korean EMU carbody made of aluminum extrusion profiles, according to size optimization and useful material changes. First, the thickness of the under-frame, side-panels, and end-panels were optimized by the size optimization process, and then, the weight of the Korean EMU carbody could be reduced to approximately 14.8%. Second, the under-frame of the optimized carbody was substituted with a frame-type structure made of SMA 570, and then, the weight of the hybrid-type carbody was 3.8% lighter than that of the initial K-EMU. Finally, the under-frame and the roof-panel were substituted with a composite material sandwich to obtain an ultralight hybrid-type carbody. The weight of the ultralight hybrid-type carbody was 30% lighter than that of the initial K-EMU. All the resulting carbody models satisfied the design regulations of the domestic Performance Test Standard for Electrical Multiple Unit.
This study proposes a weight reduction design for urban transit, specifically, a Korean EMU carbody made of aluminum extrusion profiles, according to size optimization and useful material changes. First, the thickness of the under-frame, side-panels, and end-panels were optimized by the size optimization process, and then, the weight of the Korean EMU carbody could be reduced to approximately 14.8%. Second, the under-frame of the optimized carbody was substituted with a frame-type structure made of SMA 570, and then, the weight of the hybrid-type carbody was 3.8% lighter than that of the initial K-EMU. Finally, the under-frame and the roof-panel were substituted with a composite material sandwich to obtain an ultralight hybrid-type carbody. The weight of the ultralight hybrid-type carbody was 30% lighter than that of the initial K-EMU. All the resulting carbody models satisfied the design regulations of the domestic Performance Test Standard for Electrical Multiple Unit.
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문제 정의
현재 철도차량에 적용되는 소재는 기존의 강재, SUS에서 알루미늄 압출재, 고장력강, 복합소재 등으로 점차 경량소재의 사용을 늘여 차량의 무게를 줄이는 방향으로 연구개발이 진행되는 상황이다. 따라서 본 연구에서도 치수최적설계 된 K-EMU 차체에 추가적인 경량화로 초경량 차체를 달성하기 위하여 바이모달 트램, 한국형 틸팅열차(TTX)에 적용되고 있는 샌드위치 복합소재를 적용하고 유한요소해석으로 차체의 구조적 안전성을 평가하였다.
(4) 하지만 K-EMU차체는 1998년 제작당시 압출기술의 한계로 인해 과도하게 설계된 부분이 존재하며 현재의 발달된 압출 기술을 적용하면 추가적인 경량화가 가능할 것으로 판단되었다. 따라서 치수최적설계를 통해 전동차 구조체 하중시험조건을 만족하는 범위 내에서 부재별 두께를 줄이도록 연구하였다.
본 논문은 차체모델의 경량화를 위한 치수최적 설계, 소재 변경 및 구조체 형태 변화를 연구하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
차체경량화 방법은 구조설계합리화,(2) 최신공법적용, 경량소재 적용(3) 등 크게 3가지로 나뉘는데 본 연구에서는 현재 광주지하철 1호선, 대전지하철 1호선 등에 도입되어 운영 중인 한국형 표준 전동차 Korean standard Electric Multiple Unit(K-EMU) 차체를 대상으로 경량소재 적용 및 구조 설계 최적화에 대해 연구하였다.
제안 방법
(2) K-EMU 차체에 SMA570소재의 프레임 타입 하부구조를 적용하고, 치수최적설계를 통해 초기 K-EMU차체보다 3.8%경량화 되고 유지보수에 유리한 하이브리드 차체를 설계하고 국내 법규 만족 여부를 해석적으로 검증하였다.
(3) K-EMU 차체의 하부구조와 지붕구조에 CFRP 샌드위치 복합재를 적용하여 약 30% 경량화 된 쵸경량 하이브리드 차체를 도출하고 국내 법규 만족 여부를 해석적으로 검증하였다.
K-EMU 차체에 대해 다음 설계조건으로 수직하중시험조건과 수평압축하중시험을 적용하여 Altair사의 Optistruct로 최적화를 수행하였다.(8)
Table 15는 초기 K-EMU 차체모델부터 프레임 타입 하이브리드차체, 그리고 CFRP 샌드위치 복합재를 적용한 초경량 하이브리드 차체모델의 경량화비율을 정량적으로 비교하였다.
면재(skin)의 CF1263carbon/epoxy는 적층 쉘요소를 이용하였으며 심재(core)의 알루미늄 허니콤은 실제의 육각기둥형태의 하니콤을 모사하기에는 모델링과 해석시간이 많이 소요되므로 등가 솔리드 요소로 모델링하였다.(11)
알루미늄 압출재로 구성된 K-EMU 차체의 유한요소해석을 위해 Altair사 Hypermesh의 일반 쉘요소인 pshell을 이용하여 Table 1, Fig. 2와 같이 모델링을 하였다.(5) 적용재료는 Table 2의 AL6005A 이며 Table 3의 전동차 구조체 하중시험조건(6)을 적용한 유한요소해석을 수행하였다.
또한 압출재 형태 하부구조의 경우 제작성 및 경량화효과는 좋지만 압출재 특성상 사고발생시 손상범위, 손상수준을 추정하기 힘들고 해당 압출재 조달이 어렵기 때문에 유지보수 측면에서 단점을 가지고 있다. 이를 보완하기 위해 치수최적화 된 K-EMU의 하부구조에 프레임-판재구조를 적용한 하이브리드 형태의 차체모델을 구성하여 초기 K-EMU와 경량화효과를 비교분석하였다. 추가적으로 한국형 틸팅열차, 바이모달 트램 등에 적용하는 샌드위치복합재를 치수최적화 된 K-EMU에 적용하여 초경량 차체를 도출하고 경량화효과를 비교분석하였다.
일반적인 최적설계 방법으로는 위상최적설계를 통해 제품의 형상을 결정한 후 상세치수를 결정하기 위해 치수최적설계를 적용하는데, 본 연구 대상인 K-EMU의 경우, 제작성과 보수성을 고려한 위상설계가 이미 이루어져 있어 위상최적설계는 생략하고 치수최적설계를 수행하였다.
초기 K-EMU 차체에 비해 무거워진 프레임타입하이브리드 차체를 경량화 하기 위하여 하부구조에서 종방향으로 배열된 stiffner와 바닥판재의 두께를 대상으로 치수최적설계를 수행하였다.
이를 보완하기 위해 치수최적화 된 K-EMU의 하부구조에 프레임-판재구조를 적용한 하이브리드 형태의 차체모델을 구성하여 초기 K-EMU와 경량화효과를 비교분석하였다. 추가적으로 한국형 틸팅열차, 바이모달 트램 등에 적용하는 샌드위치복합재를 치수최적화 된 K-EMU에 적용하여 초경량 차체를 도출하고 경량화효과를 비교분석하였다.
치수최적설계 된 K-EMU 차체의 하부구조에 기존 압출재 형태와는 달리 종방향으로 stiffner가 일정한 간격으로 배치된 Fig. 10과 같은 3호선 신조전동차 하부구조를 개조설계 적용한 후, 동일한 조건으로 수직하중시험조건으로 유한요소해석을 수행하였다.
치수최적설계 된 K-EMU 차체의 하부구조와 지붕구조에 CFRP 샌드위치 복합재를 변경 적용한 하이브리드 차체모델에 대하여 전동차 구조체 하중시험조건으로 유한요소해석을 수행하였다. Table 14와 같이 모든 하중시험조건에서 구해진 해석결과가 허용범위를 만족하며 Fig.
대상 데이터
2와 같이 모델링을 하였다.(5) 적용재료는 Table 2의 AL6005A 이며 Table 3의 전동차 구조체 하중시험조건(6)을 적용한 유한요소해석을 수행하였다.
복합소재로서 탄소섬유와 에폭시로 적층된 면 재(skin)와 알루미늄 허니콤의 심재(core)로 구성된 CFRP 샌드위치 복합재를 Fig. 12, 13, Table 13과같이 치수최적설계 된 K-EMU 차체의 하부구조와 지붕구조에 적용하였다.(10)
알루미늄 압출재로 구성된 K-EMU 차체의 치수 최적설계를 통해 약 14.8%의 경량화가 가능했지만 추가적인 경량화와 유지보수 장점이 있는 하이브리드 형태의 차체모델을 구성하기 위해 지붕 구조, 측벽구조, 단부구조는 AL6005A재질의 치수 최적설계 된 K-EMU 차체를, 하부구조는 Table 9의 SMA570재질의 서울시 3호선 신조전동차 차체의 프레임 타입의 하부구조(9)를 적용하였다. 여기서 하부구조의 전체적인 크기는 K-EMU 차체모델과 일치할 수 있도록 맞추어서 구성하였다.
하부구조의 CF1263carbon/epoxy 면재(skin)의 두께는 5(mm)×5, 지붕구조의 CF1263carbon/epoxy 면 재(skin)의 두께는 5(mm)×3 이며, 알루미늄 하니콤 심재(core)의 상하부분에 bondex606을 적용하여 적층하였다.
이론/모형
치수최적설계 된 K-EMU 차체의 하부구조와 지붕구조에 CFRP 샌드위치 복합재를 변경 적용한 하이브리드 차체모델에 대하여 전동차 구조체 하중시험조건으로 유한요소해석을 수행하였다. Table 14와 같이 모든 하중시험조건에서 구해진 해석결과가 허용범위를 만족하며 Fig. 15와 같이 적층복합재의 경우 Tsai-Wu 파손기준식(12)을 적용 하여 평가하였으며 평가기준 1이하로 안전함을 확인하였다.
성능/효과
(1) 알루미늄 압출재를 적용한 초기K-EMU 차체의 부재별 두께를 치수최적설계를 통해 약 14.8% 경량화가 가능하였다.
(4) 하지만 K-EMU차체는 1998년 제작당시 압출기술의 한계로 인해 과도하게 설계된 부분이 존재하며 현재의 발달된 압출 기술을 적용하면 추가적인 경량화가 가능할 것으로 판단되었다. 따라서 치수최적설계를 통해 전동차 구조체 하중시험조건을 만족하는 범위 내에서 부재별 두께를 줄이도록 연구하였다.
2Hz로 허용 기준치를 만족한다. 또한 수평압축하중시험조건에서는 센터실에서 최대등가응력이 약 8.0kgf/mm2로서 모재의 항복강도 조건을 만족하며, 3점지지 하중시험조건 및 비틀림 하중시험조건 모두 출입문 상부 모서리에 발생한 최대등가응력이 모재의 항복강도 및 피로강도 조건을 만족한다. 즉, 규정의 하중조건에 대한 초기 K-EMU 차량 해석결과는 Table 4와 같이 허용기준에 비해 여유가 있다.
유한요소해석결과, Fig. 3~5와 같이 수직하중시험조건에서 하부구조와 측벽구조의 연결부인 solebar 최대처짐량이 약 7.1mm, 출입문 상부 모서리에서 최대등가응력이 약 14.1kgf/mm2 , 승차감 척도인 고유진동수는 약 13.2Hz로 허용 기준치를 만족한다. 또한 수평압축하중시험조건에서는 센터실에서 최대등가응력이 약 8.
유한요소해석결과는 Table 10과 같이 solebar의 최대처짐량이 약 12.1mm, 출입문 상부 모서리에서 최대등가응력이 약 18.8kgf/mm 2 , 승차감 척도인 고유진동수는 약 12.9Hz로 허용 기준치를 만족하였다. 하지만 하부구조에 사용된 SMA570이 AL6005에 비해 상대적으로 밀도가 높으며 분포비율 역시 많기 때문에 초기 K-EMU 차체에 비해 약 15% 정도 무게가 증가했다.
치수최적화 결과를 Table 7, 8에 정리하였으며 최종적으로 선택한 부재별 두께는 두개의 하중조건을 모두 만족하여야 하므로 큰 값을 선택하였다. 이렇게 최수최적설계 된 모델을 이용하여 나머지 비틀림 하중시험조건과 3점지지 하중시험조건에 대해서도 유한요소해석을 수행하였으며 모두 허용조건이내를 만족하였으며 초기모델 대비 약 14.8%의 경량화가 가능하였다.
이처럼 프레임타입 하이브리드 차체를 치수최적설계를 통해 알루미늄 압출재 차량 정도의 무게로 구현 할 수 있었으며, 경량화 효과는 크지 않지만 유지보수 측면에서 유리한 프레임 타입의 하부구조설계로서 큰 의미가 있는 결과이다.
최종적으로 구해진 CFRP 샌드위치 복합재를 적용한 초경량 하이브리드 차체모델은 초기 K-EMU 차체에 비해 약 30% 경량화가 가능하였다.
후속연구
본 연구에서 도출된 초경량 하이브리드 차체는 향후 이종 재료간 접합부 이음매 설계 방법 연구를 통하여 국내 철도차량 차체 경량화 설계에 기여할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동차, 항공, 철도 등의 교통수단에 있어서 녹색성장을 위해 중요한 연구는?
자동차, 항공, 철도 등의 교통수단에 있어서 녹색성장을 위하여 수송에너지 절감을 위한 연구가 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 철도분야에서는 철도차량의 경량화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 국내에서도 철도차량을 구성하는 차체, 대차, 동력장치, 제어장치 및 내·외장품 등의 개별적인 경량화연구를 바탕으로 전체 차량의 경량화 연구도 진행되고 있다.
차체경량화 방법의 3가지는?
차체경량화 방법은 구조설계합리화, (2) 최신공법적용, 경량소재 적용 (3) 등 크게 3가지로 나뉘는데본 연구에서는 현재 광주지하철 1호선, 대전지하철 1호선 등에 도입되어 운영 중인 한국형 표준 전동차 Korean standard Electric Multiple Unit (K-EMU) 차체를 대상으로 경량소재 적용 및 구조 설계 최적화에 대해 연구하였다.
철도분야의 수송에너지 절감을 위한 연구는 무엇이 진행되고 있는가?
자동차, 항공, 철도 등의 교통수단에 있어서 녹색성장을 위하여 수송에너지 절감을 위한 연구가 매우 중요한 문제로 부각되고 있다. 철도분야에서는 철도차량의 경량화에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며 국내에서도 철도차량을 구성하는 차체, 대차, 동력장치, 제어장치 및 내·외장품 등의 개별적인 경량화연구를 바탕으로 전체 차량의 경량화 연구도 진행되고 있다. (1)
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