복합재 대차프레임의 볼트 체결부 내구성 향상을 위한 인서트 영향에 관한 연구 Effect of the Insert Shape on the Improvement of Durability of Bolted Joints Applied to Composite Bogie Frames원문보기
본 논문에서는 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성 향상 방안에 대한 연구를 다루고 있다. 이를 위해, 인서트와 나사산 유무에 따른 3가지 경우를 고려하여 볼트 체결부에 대한 시험 및 해석을 통해 인서트 형태 및 유무에 미치는 영향을 평가하였다. 제안된 볼트 체결부의 구조 성능은 ASTM D5961에 의거한 시험을 통해 비교 평가하였다. 시험결과, 나사산이 없는 인서트를 갖는 볼트 체결부가 가장 적합한 것으로 확인되었다. 또한, 볼트 체결부를 고려한 복합재 대차프레임에 대한 구조 안전성 평가를 JIS E 4207에 의거하여 유한요소해석을 통해 평가하였다. 복합재 구조물은 Tsai-Wu 파손기준식에 의해 파손평가를 적용하였고, 볼트 체결부와 같은 금속재 구조물은 Von-Mises 파손기준식에 의해 평가하였다. 이때, 볼트 체결부의 경우에는 상세한 구조해석 결과 검토를 위해 서브모델링 기법을 적용하였다. 구조해석결과, 나사산이 없는 인서트가 적용된 볼트 체결부의 경우에는 볼트 체결부 주위의 복합재 구조물에 발생하는 Tsai-Wu 파손지수가 다른 경우에 비해 약 50% 감소하는 경향을 보였는데, 이는 나사선이 없는 인서트 형상이 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서는 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성 향상 방안에 대한 연구를 다루고 있다. 이를 위해, 인서트와 나사산 유무에 따른 3가지 경우를 고려하여 볼트 체결부에 대한 시험 및 해석을 통해 인서트 형태 및 유무에 미치는 영향을 평가하였다. 제안된 볼트 체결부의 구조 성능은 ASTM D5961에 의거한 시험을 통해 비교 평가하였다. 시험결과, 나사산이 없는 인서트를 갖는 볼트 체결부가 가장 적합한 것으로 확인되었다. 또한, 볼트 체결부를 고려한 복합재 대차프레임에 대한 구조 안전성 평가를 JIS E 4207에 의거하여 유한요소해석을 통해 평가하였다. 복합재 구조물은 Tsai-Wu 파손기준식에 의해 파손평가를 적용하였고, 볼트 체결부와 같은 금속재 구조물은 Von-Mises 파손기준식에 의해 평가하였다. 이때, 볼트 체결부의 경우에는 상세한 구조해석 결과 검토를 위해 서브모델링 기법을 적용하였다. 구조해석결과, 나사산이 없는 인서트가 적용된 볼트 체결부의 경우에는 볼트 체결부 주위의 복합재 구조물에 발생하는 Tsai-Wu 파손지수가 다른 경우에 비해 약 50% 감소하는 경향을 보였는데, 이는 나사선이 없는 인서트 형상이 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
This paper describes the study on a method for improving the structural durability of bolted joints applied to a composite bogie frame. In this study, three bolted joints with and without inserts and screw threads were selected for determining the effect of the inserts, using experiment and analysis...
This paper describes the study on a method for improving the structural durability of bolted joints applied to a composite bogie frame. In this study, three bolted joints with and without inserts and screw threads were selected for determining the effect of the inserts, using experiment and analysis. The structural performances of the proposed bolted joints were compared and evaluated using the test method prescribed by the ASTM D5961 standard. The results revealed that the bolted joint having an insert shape without the screw thread offered improved durability for application to a composite bogie frame. Furthermore, the structural integrity of the frame comprising the bolted joints was evaluated using finite element analysis according to the JIS E 4207 standard. The Tasi-Wu and Von-Mises failure criteria were used for determining the failure of the composite structure and bolted joints, respectively. A sub-modeling technique was introduced for investigating the performance of the bolted joints in greater detail. The analysis results demonstrated that the Tasi-Wu failure index of the composite structure near the bolted joints was reduced by approximately one-half after applying an insert without the screw thread. This implies that the structural durability of the bolted joints of a composite bogie frame could be improved by using a metal insert without the screw thread.
This paper describes the study on a method for improving the structural durability of bolted joints applied to a composite bogie frame. In this study, three bolted joints with and without inserts and screw threads were selected for determining the effect of the inserts, using experiment and analysis. The structural performances of the proposed bolted joints were compared and evaluated using the test method prescribed by the ASTM D5961 standard. The results revealed that the bolted joint having an insert shape without the screw thread offered improved durability for application to a composite bogie frame. Furthermore, the structural integrity of the frame comprising the bolted joints was evaluated using finite element analysis according to the JIS E 4207 standard. The Tasi-Wu and Von-Mises failure criteria were used for determining the failure of the composite structure and bolted joints, respectively. A sub-modeling technique was introduced for investigating the performance of the bolted joints in greater detail. The analysis results demonstrated that the Tasi-Wu failure index of the composite structure near the bolted joints was reduced by approximately one-half after applying an insert without the screw thread. This implies that the structural durability of the bolted joints of a composite bogie frame could be improved by using a metal insert without the screw thread.
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문제 정의
따라서, 본 연구에서는 한국철도기술연구원에서 개발된 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성 향상을 위해 시험 및 해석적 방법을 사용하여 인서트 형태 및 적용 유무에 따른 영향을 평가하였다. 이때, 체결부의 단위 모듈 시험편을 제작하여 시험을 수행 하여 인서트의 적용 유무 및 인서트의 나사산 적용 유무에 따른 구조적 특성을 상호 비교하였다.
제안 방법
(1) 복합재 대차프레임의 볼트 체결부 단위 모듈 시험편에 대한 체결부 시험을 통해 인서트 유무와 인서트의 나사산 유무에 따른 구조적 특성을 비교하였다. 이때, 체결부 주변의 복합재 파손 형상 및 볼트의 파손을 고려할 때 나사산이 미적용된 인서트 형상이 구조적으로 가장 우수함을 확인하였다.
(2) 시험을 통해 도출된 인서트 형상을 복합재 대차프레임 모델에 적용하여 대차 프레임과 볼트 체결부의 구조 안전성을 해석적 방법으로 평가하였다. 이때, 대차 프레임은 JIS 규정에 따라 해석을 수행하여 구조적으로 안전함을 확인하였다.
복합재 대차프레임 볼트 체결부에 대한 서브모델링의 경우 전체 모델에서 생략된 볼트, 홀, 인서트 그리고 금속 플레이트를 실제와 동일하게 고려하였고, 상세한 결과를 위해 요소밀도를 조밀하게 적용하였다. 또한, 전체 복합재 대차 모델과 서브모델의 경계면으로부터 변위결과를 보간(cut-boundary interpolation)하여 수행하였다. 이때, 볼트 체결부 구조시험과 동일하게 볼트 체결력을 부여하였으며, 인서트 적용 유무에 따른 결과를 얻기 위해 인서트가 미적용된 경우와 단위 모듈 모델 해석을 통해 선정된 인서트가 적용된 경우에 대해 결과를 비교하였다.
복합재 대차프레임 볼트 체결부에 대한 서브모델링의 경우 전체 모델에서 생략된 볼트, 홀, 인서트 그리고 금속 플레이트를 실제와 동일하게 고려하였고, 상세한 결과를 위해 요소밀도를 조밀하게 적용하였다. 또한, 전체 복합재 대차 모델과 서브모델의 경계면으로부터 변위결과를 보간(cut-boundary interpolation)하여 수행하였다.
복합재 대차프레임 전체 모델에 대한 유한요소해석은 볼트 체결부를 생략한 간략화 모델을 사용하여 구조 안전성을 평가하였다. 이때, 하중조건은 JIS E 4207(10)에 의거하여 수직, 전후, 비틀림 하중을 모두 적용한 극한조건에 대해 수행하였다.
본 연구에서는 제작의 효율성을 고려하여 Fig. 2와 같이 볼트 홀에 끼워 맞춤이 가능한 인서트 형상을 선정하였으며, 인서트가 미적용된 시편(Case 1), 인서트에 나사산이 미적용된 시편(Case 2) 그리고 인서트와 나사산이 모두 적용된 시편(Case 3)에 대해 시험평가를 수행하였다. 또한, 복합재 대차프레임의 외피(outer skin) 두께를 고려하여 인서트의 머리 두께를 5mm로 선정하였으며, 고장력 M18의 볼트머리(27mm)가 인서트위에 위치할 수 있도록 인서트 머리 지름 30mm로 선정하였다.
이때, 대차 프레임은 JIS 규정에 따라 해석을 수행하여 구조적으로 안전함을 확인하였다. 볼트 체결부에 대한 구조안전성 평가는 전체 모델로 평가할 경우 상세응력결과를 얻기 어려워 서브모델링 기법을 이용하여, 인서트 유무에 따른 해석 결과를 비교하였다. 그 결과, 인서트가 적용된 모델의 볼트 홀 주변의 복합재에서 약 50% 정도 Tsai-Wu 파손지수가 감소하였다.
볼트 체결부의 단위 모듈 시험을 통해 선정된 나사산이 미적용된 인서트를 실제 대차프레임 모델에 적용하여 구조 해석을 수행하였다. 이때, 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 구조 내구성 평가는 먼저 운영 하중 하에서 전체 대차프레임에 대한 구조해석을 수행한 후 볼트 체결부에 대한 상세한 구조 거동을 관찰하기 위해 서브모델링 기법을 적용하여 다시 구조해석을 수행하는 순서로 진행하였다.
볼트 체결부의 단위 모듈 시험을 통해 선정된 나사산이 미적용된 인서트를 실제 대차프레임 모델에 적용하여 구조 해석을 수행하였다. 이때, 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 구조 내구성 평가는 먼저 운영 하중 하에서 전체 대차프레임에 대한 구조해석을 수행한 후 볼트 체결부에 대한 상세한 구조 거동을 관찰하기 위해 서브모델링 기법을 적용하여 다시 구조해석을 수행하는 순서로 진행하였다. 서브모델링 기법은 Saint Venant의 이론을 기반으로 하고 있으며, 전체모델에서 관심부분만 따로 상세히 모델링하고 이미 해석한 전체 모델의 해석 결과를 경계조건으로 대입함으로써 상세한 결과를 얻는 유한요소기법이다.
또한, 전체 복합재 대차 모델과 서브모델의 경계면으로부터 변위결과를 보간(cut-boundary interpolation)하여 수행하였다. 이때, 볼트 체결부 구조시험과 동일하게 볼트 체결력을 부여하였으며, 인서트 적용 유무에 따른 결과를 얻기 위해 인서트가 미적용된 경우와 단위 모듈 모델 해석을 통해 선정된 인서트가 적용된 경우에 대해 결과를 비교하였다. Fig.
따라서, 본 연구에서는 한국철도기술연구원에서 개발된 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성 향상을 위해 시험 및 해석적 방법을 사용하여 인서트 형태 및 적용 유무에 따른 영향을 평가하였다. 이때, 체결부의 단위 모듈 시험편을 제작하여 시험을 수행 하여 인서트의 적용 유무 및 인서트의 나사산 적용 유무에 따른 구조적 특성을 상호 비교하였다.
복합재 대차프레임 전체 모델에 대한 유한요소해석은 볼트 체결부를 생략한 간략화 모델을 사용하여 구조 안전성을 평가하였다. 이때, 하중조건은 JIS E 4207(10)에 의거하여 수직, 전후, 비틀림 하중을 모두 적용한 극한조건에 대해 수행하였다. Fig.
대상 데이터
2와 같이 볼트 홀에 끼워 맞춤이 가능한 인서트 형상을 선정하였으며, 인서트가 미적용된 시편(Case 1), 인서트에 나사산이 미적용된 시편(Case 2) 그리고 인서트와 나사산이 모두 적용된 시편(Case 3)에 대해 시험평가를 수행하였다. 또한, 복합재 대차프레임의 외피(outer skin) 두께를 고려하여 인서트의 머리 두께를 5mm로 선정하였으며, 고장력 M18의 볼트머리(27mm)가 인서트위에 위치할 수 있도록 인서트 머리 지름 30mm로 선정하였다. Fig.
이론/모형
이를 통해 상대적으로 높은 효율로 정확한 해석을 수행할 수 있는 장점을 가진 것으로 알려져 있다.(9) 본 연구에서는 ANSYS v.13에서 제공하는 서브모델링 기법을 적용하였다.
대차프레임 볼트 체결부에 단위 모듈 시험을 통해 선정된 인서트 형상을 적용하여 볼트 체결부의 구조 안전성을 평가하였으며, 이때, 볼트 체결부의 상세 해석을 위해 서브모델링 기법(sub-modeling method)을 적용하였다.
을 적용 하여 구조 안전성을 검증하였으며, Tsai-Wu 파손 식은 식 (1)과 같이 표현된다. 또한, 볼트 및 인서트의 경우에는 Von-Mises 응력을 통해 구조안전성을 평가하였다.
복합재 대차프레임 볼트 체결부 시험은 별도의 규정이 존재하지 않아 적층 복합재 체결부 시험 규정인 ASTM D5961/D5961M(8)을 참고하였으며, 인서트 한 개를 갖는 단위 모듈 시험편을 제작하여 시험을 수행하였다. 이때, 시험편은 실제 제작된 복합재 대차의 사이드프레임을 절단하여 제작하였다.
서브모델링기법을 이용한 볼트 체결부의 구조 해석은 복합재의 경우 Tsai-Wu 파손식(11)을 적용 하여 구조 안전성을 검증하였으며, Tsai-Wu 파손 식은 식 (1)과 같이 표현된다. 또한, 볼트 및 인서트의 경우에는 Von-Mises 응력을 통해 구조안전성을 평가하였다.
성능/효과
볼트 체결부에 대한 구조안전성 평가는 전체 모델로 평가할 경우 상세응력결과를 얻기 어려워 서브모델링 기법을 이용하여, 인서트 유무에 따른 해석 결과를 비교하였다. 그 결과, 인서트가 적용된 모델의 볼트 홀 주변의 복합재에서 약 50% 정도 Tsai-Wu 파손지수가 감소하였다. 이는 상대적으로 인서트가 있는 경우, 복합재 체결부 내구성이 향상될 것으로 판단된다.
복합재 대차의 운영 환경 하에서 볼트 체결부의 인서트 유무에 따른 복합재 부분의 응력 해석 결과, 인서트가 적용된 모델에서 약 50% 정도 Tsai-Wu 파손지수가 줄어듦을 확인하였다. 이에, 인서트가 적용된 볼트 체결부의 내구성이 상대적으로 우수할 것으로 판단된다.
복합재 대차프레임의 볼트 체결부 시험결과 인서트가 미적용된 경우(Case 1)와 인서트에 나사산이 미적용된 경우(Case 2) 각각 330kN과 332kN의 비슷한 최대하중이 발생하였으며, 인서트와 나사산이 모두 적용된 경우(Case 3)는 비교적 낮은 285kN의 최대하중이 나타났다. 이때, 최대 변위는 Case 1이 8.
복합재 대차프레임의 볼트체결부 해석 결과 인서트가 미적용된 볼트 체결부의 경우에는 볼트홀 주위에서 최대 0.011의 Tsai-Wu 파손지수가 발생하였으며, 인서트가 적용된 경우에는 볼트홀 주위에서 최대 0.005의 Tsai-Wu 파손지수로 각각 수렴하였다. 이때, 인서트에서의 최대응력은 10.
(2) 시험을 통해 도출된 인서트 형상을 복합재 대차프레임 모델에 적용하여 대차 프레임과 볼트 체결부의 구조 안전성을 해석적 방법으로 평가하였다. 이때, 대차 프레임은 JIS 규정에 따라 해석을 수행하여 구조적으로 안전함을 확인하였다. 볼트 체결부에 대한 구조안전성 평가는 전체 모델로 평가할 경우 상세응력결과를 얻기 어려워 서브모델링 기법을 이용하여, 인서트 유무에 따른 해석 결과를 비교하였다.
005의 Tsai-Wu 파손지수로 각각 수렴하였다. 이때, 인서트에서의 최대응력은 10.8MPa(항복강도기준 345MPa)로 구조적으로 안전함을 확인하였다.
(1) 복합재 대차프레임의 볼트 체결부 단위 모듈 시험편에 대한 체결부 시험을 통해 인서트 유무와 인서트의 나사산 유무에 따른 구조적 특성을 비교하였다. 이때, 체결부 주변의 복합재 파손 형상 및 볼트의 파손을 고려할 때 나사산이 미적용된 인서트 형상이 구조적으로 가장 우수함을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철도 분야에서 철도차량 경량화에 대한 요구가 증대하는 이유는 무엇인가
최근 고유가 및 환경문제가 전 세계적으로 대두됨에 따라 에너지 절감 및 친환경 기술개발에 대한 연구가 활발히 진행 중에 있다. 친환경 운송수단인 철도 분야에서도 추가적인 에너지 절감 및 CO2 배출을 줄이기 위해 철도차량 경량화 요구가 증대하고 있다. 이에, 국가연구개발사업을 중심으로 복합재료를 적용한 철도차량 경량화 연구가 증대되고 있는 추세이다.
대차프레임은 무엇과 체결되는가
대차프레임은 철도차량의 차체를 지지하는 핵심 구조물로써 현수장치, 제동장치 및 동력장치 등의 다양한 부품들과의 체결된다.(5) 이때, 복합재 대차프레임과 부수품은 볼트 체결로 이루어지며, 이러한 볼트 체결은 국부적으로 복합재료의 강도를 저하시키고 체결부 주위에 높은 응력 집중현상을 발생시키게 된다.
철도차량의 대차프레임과 부수품은 무엇으로 체결되는가
대차프레임은 철도차량의 차체를 지지하는 핵심 구조물로써 현수장치, 제동장치 및 동력장치 등의 다양한 부품들과의 체결된다.(5) 이때, 복합재 대차프레임과 부수품은 볼트 체결로 이루어지며, 이러한 볼트 체결은 국부적으로 복합재료의 강도를 저하시키고 체결부 주위에 높은 응력 집중현상을 발생시키게 된다. (6,7)
참고문헌 (11)
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Lee, S. R., Lee, H. J., Han, S. W., Kim, J. Y., Cha, J. H., Kang, J. Y. and Park, C. K., 2000, "Fatigue Design and Fatigue Strength Evaluation of Bogie Frame," Spring Conference of The Korean Society for Railway, pp. 234-341.
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Choi, J. M., Chun, H. J. and Byun, J. H., 2005, "Effect of Various Parameters on Stress Distribution Around Hole in Mechanically Fastened Composite Laminates," Journal of The Korean Society for Composite Materials, Vol. 18, No. 6, pp. 9-18.
ASTM International, 2005, Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matrix Composite Laminates, ASTM D5961/D5961M.
Kim, J. H., Shin, K. B., Ko, H. Y. and Kim, J. S., 2010, "A Study on Optimum Design Analysis of Bolt Locations for Metal Joint Parts of Railway Composite Bogie Frames using Sub-modeling Method," Journal of The Korean Society for Composite Materials, Vol. 23, No. 6, pp. 19-25.
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