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문제 정의
- 본 연구에서는 초고속 자기부상열차 차체 경량화를 위해 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재를 동시에 적용하는 하이브리드 차체 설계 방안을 제시하여, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 초고속 자기부상 열차의 차체 경량화를 위해 선행 연구 결과들을 토대로, 언더 프레임, 사이드 프레임과 같이 큰 하중을 받는 1차 부재에는 알루미늄 압출재를 적용하고, 비교적 적은 하중을 받는 2차 부재인 루프에는 샌드위치 복합재를 적용하는 하이브리드 차체 설계 방안을 고안하게 되었다. 이때, 차체의 구조 안전성을 만족하면서 제작 및 조립을 용이하게 하기 위해서는 샌드위치 복합재 루프부와 알루미늄 사이드 프레임과의 접합 방식이 중요한 설계인자로 대두되었고, 이를 위해 루프에 금속재 가이드 프레임을 적용하여 사이드 프레임에 용접으로 접합하는 방안을 고안하여 문제점을 해결하고자 하였다. 설계 완료된 초고속 자기부상 열차의 차체는 철도안전법에 의거하여 구조안전성과 충돌 안전도를 평가하였다.
제안 방법
- (2) 굽힘 시험을 통해 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재의 접착을 위해 고안한 방법과 알루미늄 간 용접에 의한 방법을 비교 평가하였다. 시험결과 알루미늄 간 용접에 의한 접합강도와 강성은 각각 5,873N와 588N/mm 이며, 본 논문에서 고안한 방법의 강도와 강성은 5,934N, 659N/mm로 굽힘 강도는 비슷하게 나타났으며, 굽힘 강성의 경우 12% 높게 나타남을 확인하였다.
- 구조 안전성 평가는 철도안전법에 명기된 수직 하중, 수평압축하중 그리고 운행조건하중과 도시 철도차량안전기준 관련 규칙에 명시되어 있는 비틀림 하중, 3점지지, 굽힘 및 비틀림 고유진동수에 대하여 각각 수행하였다.(7,8) 이때, 구조 안전성 평가는 실제차량과 동일한 형상을 갖는 유한요소모델을 이용하여 해석적으로 평가를 수행하였으며, 해석 프로그램은 ANSYS v13.
- 설계 완료된 초고속 자기부상 열차의 차체는 철도안전법에 의거하여 구조안전성과 충돌 안전도를 평가하였다. 또한, 제안된 복합재 루프와 알루미늄 압출재와의 체결방안은 구조 시험을 통해 구조 성능을 검증하였다.
- 또한, 용접에 의한 접합방식을 사용하기도 하는 데, 이를 위해서는 샌드위치 복합재 옆면에 금속재 가이드 프레임을 삽입하여 금속재와 용접에 의해 체결하기도 한다. 본 연구에서는 체결부위의 구조적 특성을 극대화시키기 위해 결합부위에 따라 위의 세 가지 방식을 모두 적용하였다.
- 본 연구에서는 초고속 자기부상 열차의 차체 경량화를 위해 선행 연구 결과들을 토대로, 언더 프레임, 사이드 프레임과 같이 큰 하중을 받는 1차 부재에는 알루미늄 압출재를 적용하고, 비교적 적은 하중을 받는 2차 부재인 루프에는 샌드위치 복합재를 적용하는 하이브리드 차체 설계 방안을 고안하게 되었다. 이때, 차체의 구조 안전성을 만족하면서 제작 및 조립을 용이하게 하기 위해서는 샌드위치 복합재 루프부와 알루미늄 사이드 프레임과의 접합 방식이 중요한 설계인자로 대두되었고, 이를 위해 루프에 금속재 가이드 프레임을 적용하여 사이드 프레임에 용접으로 접합하는 방안을 고안하여 문제점을 해결하고자 하였다.
- 이때, 차체의 구조 안전성을 만족하면서 제작 및 조립을 용이하게 하기 위해서는 샌드위치 복합재 루프부와 알루미늄 사이드 프레임과의 접합 방식이 중요한 설계인자로 대두되었고, 이를 위해 루프에 금속재 가이드 프레임을 적용하여 사이드 프레임에 용접으로 접합하는 방안을 고안하여 문제점을 해결하고자 하였다. 설계 완료된 초고속 자기부상 열차의 차체는 철도안전법에 의거하여 구조안전성과 충돌 안전도를 평가하였다. 또한, 제안된 복합재 루프와 알루미늄 압출재와의 체결방안은 구조 시험을 통해 구조 성능을 검증하였다.
- 11은 자기부상열차 차체 구조물에 대한 유한 요소 모델링 형상을 나타낸다. 이때, 샌드위치 복합재 스킨부와 알루미늄 압출재는 4-Node Structural Shell(SHEL181)을 사용하였으며, 샌드위치 복합재의 심재인 알루미늄 허니컴에는 3D 8-Node Structural Solid(SOLID185) 요소를 사용하여 모델링을 수행하였다.(9,10) 각 하중별 구속조건은 실제 차량의 시험과 동일하게 부여하였다.
- 7(b))을 기준값으로 하여 이보다 우수한 특성을 가지는 것을 목표로 하였다. 이때, 체결성능은 굽힘 강성과 최대 굽힘 하중을 비교 평가하였다. 굽힘 시험은 Fig.
- 제시된 샌드위치 복합재 루프와 금속재 가이드 프레임간의 체결력은 시험을 통해 평가하였다. 시험은 Fig.
- 참고문헌(6)의 알루미늄 압출재간의 용접부 시험결과와 본 연구에서 제시한 샌드위치 복합재 루프 하이브리드 체결부와의 하중-변위 선도와 강도 및 강성을 비교하여 Fig. 10과 Table 1에 각각 나타냈다. 결과적으로, 참고문헌(6)의 알루미늄 압출재 용접부와 본 연구에서 제시한 접합부의 최대하중은 비슷하게 나타났으며, 굽힘 강성의 경우 12% 높게 나타남을 확인하였다.
대상 데이터
- 2는 본 연구에서 제안된 초고속 자기부상 열차의 하이브리드 차체 단면을 보여준다. 경량화 및 구조 안전성 확보를 위해 큰 하중을 받는 언더 프레임과 사이드 프레임은 알루미늄 압출재를 적용하고, 비교적 적은 하중을 받는 루프에는 샌드위치 복합재를 적용하였다. 이때, 루프부의 모든 부분이 샌드위치 복합재로 이루어지지 않고 제작성과 구조 안전성을 고려하여 테두리 부분은 알루미늄 압출재 가이드 프레임이 위치하도록 고안되었다.
- 이때, 루프부의 모든 부분이 샌드위치 복합재로 이루어지지 않고 제작성과 구조 안전성을 고려하여 테두리 부분은 알루미늄 압출재 가이드 프레임이 위치하도록 고안되었다. 루프 제작에 사용된 샌드위치 복합재는 T700 카본/에폭시 적층 복합재 면재와 알루미늄 허니컴 코어로 구성되었으며, 오토클레이브 성형공법에 의해 제작된다. 이렇게 제시된 하이브리드 설계 방안은 기존의 알루미늄 압출재만으로 제작된 차체에 비해 약 17%의 무게 절감효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 루프부에 적용된 카본의 스킨부의 두께는 3.2mm이며, 심재부인 알루미늄 허니컴은 3/8”-5052-0.0025”로 두께 43.6mm를 제작되어 루프부의 전체 두께는 50mm로 설계하였다.
- 모든 하중 조건에서 구조안전성과 충돌안전도 평가를 만족한 초고속 자기부상 열차의 하이브리드 차체는 Fig. 16와 같이 제작되었다.
- 2012년부터 상용화를 위해 연구 개발 중인 초고속 자기부상열차는 최고주행속도 550km/h을 목표로 하고 있으며, 1단계로 시험 차량의 설계와 제작이 추진되고 있다. 초고속 자기부상열차의 시험 차량은 전체길이 13,000mm, 차량폭 3,500mm 그리고 차체 중량 3,000kg의 설계 목표를 갖는다. 이때 연구 개발되는 초고속 자기부상열차는 도시간 운행하는 열차로써 철도안전법에 의거하여 설계가 수행되었다.
데이터처리
- (7,8) 이때, 구조 안전성 평가는 실제차량과 동일한 형상을 갖는 유한요소모델을 이용하여 해석적으로 평가를 수행하였으며, 해석 프로그램은 ANSYS v13.0을 사용하였다. Fig.
- 5mm/min을 적용하였다. 시편은 3개 사용하여 평균값을 취하였다. Fig.
이론/모형
- 초고속 자기부상열차의 시험 차량은 전체길이 13,000mm, 차량폭 3,500mm 그리고 차체 중량 3,000kg의 설계 목표를 갖는다. 이때 연구 개발되는 초고속 자기부상열차는 도시간 운행하는 열차로써 철도안전법에 의거하여 설계가 수행되었다. Fig.
- 초고속 자기부상열차의 충돌안전도 평가는 철도안전법에 의거하여 충돌사고 각본-1(정면충돌) 에 대하여 해석을 수행하였다. 충돌사고 각본-1은 충돌해석의 효율성 향상 및 에너지 등가성을 고려하여 강체 벽에 18 km/h의 속도로 충돌하였다.
성능/효과
- (1) 초고속 자기부상 열차의 하이브리드 차체는 기존의 알루미늄 차체에 비해 17%의 경량화 효과가 있었으며, 또한 철도안전법에 만족하는 구조적 특성을 가짐을 확인하였다.
- (3) 용접에 의한 열이 샌드위치 복합재 루프에 영향을 미치지 않도록 설계치수 선정을 위해 열 해석을 수행하였으며, 열 해석 결과와 용접시간을 고려하여 용접부와 복합소재 거리를 120mm 이격시켜 용접열에 복합소재의 변형을 피할 수 있었다.
- 10과 Table 1에 각각 나타냈다. 결과적으로, 참고문헌(6)의 알루미늄 압출재 용접부와 본 연구에서 제시한 접합부의 최대하중은 비슷하게 나타났으며, 굽힘 강성의 경우 12% 높게 나타남을 확인하였다.
- 굽힘시험 결과, 복합재 루프 체결부에서는 최대하중에 도달하게 되면 알루미늄 허니컴과 카본 섬유와의 접합부위가 디본딩에 의해 떨어지는 파손 모드가 발생하는 것을 확인하였다.
- 13은 압축하중 해석결과를 나타낸 것이다. 또한, 고유진동수의 경우 굽힘 고유진동수가 12.52Hz로서, 도시철도 차량안전기준에 관한 규칙에 명시된 굽힘 고유진동수 요구조건인 10Hz 이상을 만족함을 확인하였다.
- 수직하중 해석결과 솔바의 최대 처짐은 0.74mm로 볼스터간 거리의 1/1000인 2.4mm이내의 값으로 일반적인 철도차량 강성기준을 만족함을 확인하였으며, 각 시험하중의 Von-Mises Stress 결과는 재료의 모재부 항복강도인 215MPa 보다 작게 나타남을 확인하였다. 이때, 모든 하중조건에서 용접부의 최대 Von-Mises Stress는 알루미늄 용접부 항복강도인 111MPa보다 낮게 나타남을 확인하였다.
- (2) 굽힘 시험을 통해 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재의 접착을 위해 고안한 방법과 알루미늄 간 용접에 의한 방법을 비교 평가하였다. 시험결과 알루미늄 간 용접에 의한 접합강도와 강성은 각각 5,873N와 588N/mm 이며, 본 논문에서 고안한 방법의 강도와 강성은 5,934N, 659N/mm로 굽힘 강도는 비슷하게 나타났으며, 굽힘 강성의 경우 12% 높게 나타남을 확인하였다.
- 4mm이내의 값으로 일반적인 철도차량 강성기준을 만족함을 확인하였으며, 각 시험하중의 Von-Mises Stress 결과는 재료의 모재부 항복강도인 215MPa 보다 작게 나타남을 확인하였다. 이때, 모든 하중조건에서 용접부의 최대 Von-Mises Stress는 알루미늄 용접부 항복강도인 111MPa보다 낮게 나타남을 확인하였다. Fig.
- 루프 제작에 사용된 샌드위치 복합재는 T700 카본/에폭시 적층 복합재 면재와 알루미늄 허니컴 코어로 구성되었으며, 오토클레이브 성형공법에 의해 제작된다. 이렇게 제시된 하이브리드 설계 방안은 기존의 알루미늄 압출재만으로 제작된 차체에 비해 약 17%의 무게 절감효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
- 해석결과, 용접부에서 120mm 이상 떨어진 곳에서는 용접시간에 상관없이 수지의 유리천이온도(Tg, 125°C)에 미치지 못하는 열전달이 발생하는 것이 확인되어 이를 설계 치수에 반영하였다.
후속연구
- (4) 하이브리드 차체 제작 방법은 경량화뿐만 아니라 우수한 구조적 성능도 확보하게 되어 고속 철도차량 차체 기술 향상에 많은 기여를 할 것으로 판단되며, 샌드위치 복합재 루프부를 모듈화 하여 제작할 경우 유지보수 측면에서도 장점을 가질 수 있을 것이다.
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