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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 Frames 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.7, 2014년, pp.765 - 770  

김준환 (한밭대학교 기계설계공학과) ,  신광복 (한밭대학교 기계공학과) ,  김정석 (한국철도기술연구원)

초록
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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.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

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...

주제어

AI 본문요약
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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.
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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)
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참고문헌 (11)

  1. Jang, H. J., Shin, K. B., Ko, H. Y. and Ko, T. H., "A Study on the Standardized Finite Element Models for Carbody Structures of Railway Vehicle Made of Sandwich Composites," Journal of The Korean Society for Railway, Vol. 13, No. 4, pp. 382-388. 

  2. Leo, R. and Guenther, C., 1983, "New Technologies for Bogies Prototype of the First Fiber Composite Material(FVW) Bogies," ZEV-Glas. Ann., Vol. 110, No. 6/7, pp. 193-202. 

  3. Maurin, L., Boussoir, J., Rougeault, S., Bugaud, M., Ferdinand, P., Landrot, A.G., Grunevald, Y. H. and Chauvin, T., "FBG-based Smart Composite Bogies for Railway Application," 2002, Optical Fiber Sensor Conference Technical Digest conference, Vol. 1, pp. 91-94. 

  4. Kim, J. S. and Yoon, H. J., 2011, "Structural Behaviors of a CFRP Composite Bogie Frame for Urban Subway Trains under Critical Load Conditions," ICM11, Vol. 10, pp. 2375-2380. 

  5. 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. 

  6. Kim, S. Y., Kim, Y. S., Kwon, H. W., Choi, J. H., Koo, J. M. and Seok, C. S., 2010, "Prediction of Fatigue Life for Hole-notched Weave CFRP Plate," Journal of The Korean Society for Composite Materials, Vol. 23, No. 3, pp. 1-6. 

  7. 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. 

  8. ASTM International, 2005, Standard Test Method for Bearing Response of Polymer Matrix Composite Laminates, ASTM D5961/D5961M. 

  9. 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. 

  10. Japanese Industrial Standard(JIS), 2004, Truck Frames for Railway Rolling Stock General Rules for Design, JIS E 4207 

  11. Tsai, S. W. and Wu, E. M., 1971, "A General Theory of Strength for Anisotropic Materials," Journal of Composite materials, Vol. 5, No. 1, pp. 58-80. 

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