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문제 정의
- 본 논문에서는 300 km/h급의 2층 고속열차 차체 구조물의 경량화 설계 방안을 제시하기 위해 경량소재의 적용과 위상최적화를 통한 샌드위치 복합재 적용 부위 선정 등을 제시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 300 km/h급의 2층 고속열차 차체 구조물의 경량화를 위해 경량 재료의 사용과 최적화 설계 기법을 동시에 적용하여 최적의 경량 차체 설계(안)을 제시하는 데 목적을 두고 있다. 이를 위해 경량 재료의 경우, 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재를 선정하여 알루미늄 압출재는 주하중을 받는 1차 부재에 적용하고, 샌드위치 복합재는 주하중을 받지 않는 2차 부재에 적용하여 추가 경량화를 얻도록 선정하였다.
- 철도안전법에서는 2005년 이후로 제작되는 철도차량에 대해 철도안전법에 의거하여 구조안전성이 확보되도록 정하고 있다. 이에 본 연구에서는 ANSYS V13.0을 사용하여 최종 연구개발 방향으로 정해진 2층 고속열차의 하이브리드 차체 구조물에 대한 구조 안전성 평가를 수행하였다.
- 이는 국부적인 응력집중만 관리하면 차체 단면 치수의 변화는 최소화하면서 차체의 구조 안전성을 확보할 수 있다는 의미이다. 이에 본 연구에서는 Fig. 6에서 보듯이 차체 단면의 치수 변화를 최소화하기 위해 응력집중이 과도하게 발생하는 도어포스트 부의 두께를 증가시켜 보강설계를 추진하였다. Fig.
가설 설정
- 앞절에서 수행된 2층 고속열차의 차체 설계(안)은 모두 알루미늄 압출재로 제작된다는 가정 하에 단면 두께를 선정하였다. 그러나 추가 경량화를 위해서는 비강성 및 비강도가 높은 샌드위치 복합재의 적용 가능성을 검토할 필요가 있다[13].
제안 방법
- 따라서 유한요소 해석 전 최적의 유한요소 크기 도출이 필요로 한다. 2층 고속열차의 하이브리드 차체에 대한 상세 구조해석에 앞서 구조해석 결과의 신뢰성 확보와 경제적인 구조해석을 위해 유한요소수에 따른 수렴성을 검토하였다. 이때 유한요소수가 증가 할수록 차체의 구조해석 결과는 일정 값으로 수렴 하였으며, 수렴된 값의 5% 이내의 오차 값을 갖는 유한요소크기를 선정하였다.
- 구조 안전성 평가는 철도안전법에 명기된 수직하중, 압축하중, 인장하중, 캔트레일 및 윈도우 가드레일 하중 그리고 고유진동수에 대해 평가를 수행하였다. 이때 구조안전성 평가는 제시된 설계(안)과 동일한 형상을 갖는 유한요소모델을 이용하였으며, 요소크기는 4.
- 3에서 보듯이 차체 단면을 5개의 주요 부위 즉, 루프, 1층/2층 언더프레임, 솔바 그리고 사이드프레임으로 나누어 부위별 두께 변화에 따른 민감도 해석을 수행하였다. 민감도 해석에서는 부위별 두께를 증가시켜 차체의 처짐 강성과 von-Mises 응력에 가장 많은 영향을 주는 부위를 찾아 그 부위에 대해 보강설계를 수행하는 방법으로 진행되었다.
- 에서 제시하는 하중 시나리오에 따라 차체의 구조안전성을 검증한 후 보강설계(reinforcement design) 여부를 결정하게 된다. 본 연구는 차체의 기본설계단계이므로 제작성과 5개의 주요 부위들을 설계변수로 하여 민감도 해석을 수행한 후 최종 단면 두께를 선정하는 보강설계 전략을 택하였다. 단면의 두께 선정이 완료되면, 추가 경량화 방안으로 위상최적화 기법을 통해 복합재 적용 가능 부위를 선정하게 되고, 선정된 부위에 복합재를 적용하여 경량화 효과와 구조 안전성을 재검증하게 된다.
- 부위별 민감도를 확인하기 위해 각 부위의 두께를 1 mm씩 증가한 경우 수직하중과 압축하중 하에서의 von-Mises 응력과 처짐 결과를 비교하여 보았다. Fig.
- 이를 위해 경량 재료의 경우, 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재를 선정하여 알루미늄 압출재는 주하중을 받는 1차 부재에 적용하고, 샌드위치 복합재는 주하중을 받지 않는 2차 부재에 적용하여 추가 경량화를 얻도록 선정하였다. 샌드위치 복합재가 적용되는 부위는 위상 최적화(topology optimization)를 통해 얻은 재료 밀도 결과를 토대로 결정하도록 하였다. 이때, 차체의 부위별 알루미늄 압출재 스킨과 리브 두께는 제작 가능한 사양을 기반으로 민감도해석과 시행착오를 통해 기본 치수를 선정하였다.
- 위상최적화 해석에 적용된 하중조건은 철도안전법에서 규정하는 하중조건을 고려하여 차체부분에 직접적인 영향을 미치는 수직, 캔트레일 그리고 윈도우가드레일 하중을 고려하였다. 이때, 각각의 하중과 3가지 하중을 동시에 고려한 조합하중을 적용하여 재료의 밀도 분포를 확인하였다.
- 2층 고속열차의 하이브리드 차체에 대한 상세 구조해석에 앞서 구조해석 결과의 신뢰성 확보와 경제적인 구조해석을 위해 유한요소수에 따른 수렴성을 검토하였다. 이때 유한요소수가 증가 할수록 차체의 구조해석 결과는 일정 값으로 수렴 하였으며, 수렴된 값의 5% 이내의 오차 값을 갖는 유한요소크기를 선정하였다. Fig.
- 위상최적화 해석은 하중 및 경계조건에 대한 최적의 재료배치를 찾는 것으로 주로 초기 기본설계 단계에서 많이 사용된다. 이때 최적화 해석은 상용유한요소 프로그램인 ANSYS V13.0의 APDL을 사용하였으며, 계산 시간 및 효율성을 위해 차체 외각 면을 쉘 요소(4-node structural Shell)로 모델링 하였고, 정적하중에 대해 차체의 강성을 최대화하는 것을 목표로 하였다. 식 (1)과 (2)는 위상최적화 문제 정의를 나타내며, 식 (1)의 f1은 정적하중에 의한 차체구조물의 정적강성으로 최대화하는 것을 목표로 삼았다.
- 위상최적화 해석에 적용된 하중조건은 철도안전법에서 규정하는 하중조건을 고려하여 차체부분에 직접적인 영향을 미치는 수직, 캔트레일 그리고 윈도우가드레일 하중을 고려하였다. 이때, 각각의 하중과 3가지 하중을 동시에 고려한 조합하중을 적용하여 재료의 밀도 분포를 확인하였다. 해석결과, 재료의 밀도가 지붕부와 2층 언더프레임 순으로 적게 나타나 샌드위치 복합재 적용 가능성이 확인 되었다.
- 이때, 샌드위치 복합재의 심재(core)인 알루미늄 허니컴은 3차원 8절점 솔리드 요소(8-node structural solid)를 사용하였으며, 샌드위치 복합재의 스킨부(facesheet)와 알루미늄 압출재는 4절점 쉘요소(4-node structural shell)를 사용하여 모사하였다. 해석에 사용된 요소의 수는 432,278개, 절점의 수는 328,204개이며, 각 하중별 구속조건은 실제 차량의 시험과 동일하게 부여하였다.
- 샌드위치 복합재가 적용되는 부위는 위상 최적화(topology optimization)를 통해 얻은 재료 밀도 결과를 토대로 결정하도록 하였다. 이때, 차체의 부위별 알루미늄 압출재 스킨과 리브 두께는 제작 가능한 사양을 기반으로 민감도해석과 시행착오를 통해 기본 치수를 선정하였다. 이를 통해 도출된 2층 고속열차의 경량 차체 설계(안)은 철도안전법에 의거하여 구조안전성을 검증하였다.
- 본 연구에서는 300 km/h급의 2층 고속열차 차체 구조물의 경량화를 위해 경량 재료의 사용과 최적화 설계 기법을 동시에 적용하여 최적의 경량 차체 설계(안)을 제시하는 데 목적을 두고 있다. 이를 위해 경량 재료의 경우, 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재를 선정하여 알루미늄 압출재는 주하중을 받는 1차 부재에 적용하고, 샌드위치 복합재는 주하중을 받지 않는 2차 부재에 적용하여 추가 경량화를 얻도록 선정하였다. 샌드위치 복합재가 적용되는 부위는 위상 최적화(topology optimization)를 통해 얻은 재료 밀도 결과를 토대로 결정하도록 하였다.
- 이때, 차체의 부위별 알루미늄 압출재 스킨과 리브 두께는 제작 가능한 사양을 기반으로 민감도해석과 시행착오를 통해 기본 치수를 선정하였다. 이를 통해 도출된 2층 고속열차의 경량 차체 설계(안)은 철도안전법에 의거하여 구조안전성을 검증하였다.
- 그러나 민감도 해석결과가 반영된 보강설계에서도 압축하중 시 구조 안전성을 보장하지 못하는 것으로 파악되었다. 이에 가장 경제적인 보강설계가 이루어진 Case 3(사이드 프레임과 솔바의 두께 증가)에 대한 구조해석 결과를 분석하여 취약부위에 대한 재보강설계를 추진하였다. Fig.
- 이때, 국내에서 상용 운행되고 있는 고속열차인 KTX의 경우 스테인리스 차체로 제작되어 2층 고속열차의 알루미늄 압출재 프로파일 단면 두께 선정을 위한 자료 활용이 불가능하다. 이에 본 연구에서는 KTX-산천, G7 및 해무 고속열차 차체의 단면 두께 자료를 활용하여 2층 고속열차의 차체 단면 프로파일에 대한 초기 두께를 결정하게 되었다.
- 따라서 기존 자료를 기반으로 선정된 2층 고속열차 차체의 단면 두께는 구조 안전성을 보장받기 위해서 보강설계가 이루어져야 한다. 이에, 본 연구에서는 Fig. 3에서 보듯이 차체 단면을 5개의 주요 부위 즉, 루프, 1층/2층 언더프레임, 솔바 그리고 사이드프레임으로 나누어 부위별 두께 변화에 따른 민감도 해석을 수행하였다. 민감도 해석에서는 부위별 두께를 증가시켜 차체의 처짐 강성과 von-Mises 응력에 가장 많은 영향을 주는 부위를 찾아 그 부위에 대해 보강설계를 수행하는 방법으로 진행되었다.
- 1은 2층 고속열차의 차량한계와 이를 토대로 제시된 차체의 단면 설계(안)을 보여준다. 차량의 기본 단면 설계에서는 모든 차체의 재질이 압출성, 내식성, 용접성이 뛰어난 A6005합금으로 이루어진 알루미늄 압출재로 제작된다는 가정으로 선수행 되었으며, 이후 위상최적화를 통해 재료 밀도가 상대적으로 낮은 부위에 샌드위치 복합재를 적용하여 추가 경량화를 얻는 설계 전략을 선택하였다. Fig.
- 4의 민감도 해석 결과를 토대로 초기설계 모델의 보강설계를 다음의 세 가지 보강 전략을 수립하여 가장 경제적인 설계(안)을 선택하였다. 첫 번째는 모든 부위별 두께를 증가시키는 경우(Case 1), 두 번째는 1층과 2층 언더프레임을 제외한 부위들의 두께를 증가시키는 경우(Case 2) 그리고 마지막으로 사이드 프레임과 솔바의 두께를 증가시키는 경우(Case 3)를 선정하여 차체의 처짐과 von-Mises 응력 변화를 확인하였다. Table 2는 보강설계(안)으로 제시된 Case 1, Case 2 그리고 Case 3에 대한 차체의 무게, 솔바의 처짐 그리고 최대 von-Mises 응력값의 변화 결과를 보여준다.
- 이때, TGV Duplex는 다양한 서비스 공간을 갖는 반면 국내에서 개발 중인 2층 고속열차의 경우 일반석으로만 구성되어 있어 TGV Duplex 보다 높은 수송용량 보인다. 최고속도는 300 km/h로 선정하여 기존의 KTX와 KTX-산천의 핵심부품을 공동 활용하는 방안으로 계획되었다.
대상 데이터
- 따라서 차량 전체 크기는 높이 4,500mm, 폭 3,100 mm 그리고 길이 25,000 mm로 선정하게 되었으며, 또한 수송용량은 KTX-산천대비 2배 높은 720명으로, 프랑스 TGV Duplex의 545명 보다 많게 선정하였다.
- 구조 안전성 평가는 철도안전법에 명기된 수직하중, 압축하중, 인장하중, 캔트레일 및 윈도우 가드레일 하중 그리고 고유진동수에 대해 평가를 수행하였다. 이때 구조안전성 평가는 제시된 설계(안)과 동일한 형상을 갖는 유한요소모델을 이용하였으며, 요소크기는 4.1의 결과를 바탕으로 선정하였다. Fig.
- 이때, 2층 언더프레임과 지붕부에 적용되는 샌드위치 복합재의 구성재료와 치수는 선행연구[14]을 토대로 선정하였다. 선행연구[14]에서의 샌드위치 복합재는 550 km/h의 속도에서도 구조적 안전성이 입증되어 적용에 무리가 없으리라 판단된다.
- 이때, 샌드위치 복합재의 면재는 T700 급의 직조된 카본/에폭시 복합재를 적용하였으며 심재는 3/8'' 알루미늄 허니컴 코어를 사용하였다.
- 앞에서 언급하였듯이, 기존의 KTX는 스테인리스 차체로 제작되었기 때문에 현재 연구개발 중인 2층 고속열차의 알루미늄 압출재 차체 설계를 위한 기술자료로의 활용이 불가능하다. 이에, 알루미늄 압출재 차체로 개발된 KTX-산천, G7 및 해무 고속열차의 단면 두께 자료를 활용하여 2층 고속열차 차체의 초기 단면 두께를 선정하게 되었다. Table 1은 2층 고속열차의 알루미늄 압출재 차체의 초기 단면 두께와 이를 바탕으로 설계된 차체에 대해 철도안전법에서 요구하는 하중 시나리오 중 가장 극한 조건인 수직하중 및 압축하중 하에서의 구조 안전성 평가 결과를 보여주고 있다.
- 이때, 샌드위치 복합재의 심재(core)인 알루미늄 허니컴은 3차원 8절점 솔리드 요소(8-node structural solid)를 사용하였으며, 샌드위치 복합재의 스킨부(facesheet)와 알루미늄 압출재는 4절점 쉘요소(4-node structural shell)를 사용하여 모사하였다. 해석에 사용된 요소의 수는 432,278개, 절점의 수는 328,204개이며, 각 하중별 구속조건은 실제 차량의 시험과 동일하게 부여하였다. 각 하중조건에서 구조해석결과, von-Mises 응력은 모재부에서 항복강도 215 MPa과 용접부에서 항복강도 110 MPa이하가 됨을 확인할 수 있었으며, 강성의 경우 볼스터 간 거리의 1/1,000인 19 mm를 넘지 않았다.
성능/효과
- (1) 2층 고속열차 차체 구조물의 알루미늄 압출재 단면 두께는 사이드프레임, 솔바, 1층과 2층 언더프레임 그리고 루프부의 5개 주요 단면 부위를 설계 변수로 한 민감도 해석을 기반으로 결정되었다. 민감도 해석 결과, 사이드 프레임과 솔바의 두께를 보강하는 방안이 가장 경제적인 설계(안)으로 제시되었다.
- (3) 루프부와 2층 언더프레임에 샌드위치 복합재를 적용한 하이브리드 2층 고속열차 차체 경량화 설계 모델은 알루미늄 압출재로만 제작되는 차체에 비해 최대 14%(1.55 ton)의 경량화 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 철도안전법에서 요구하는 구조안전성과 승차감을 확보할 수 있어 2층 고속열차의 차체 경량화를 위한 최적의 제작 기법으로 추천되어진다.
- 각 부위별 민감도 해석 결과, 수직하중과 압축하중 하에서의 von-Mises 응력과 처짐 모두 솔바(solebar)의 두께 변화에 가장 민감함을 확인하였다. Fig.
- 해석에 사용된 요소의 수는 432,278개, 절점의 수는 328,204개이며, 각 하중별 구속조건은 실제 차량의 시험과 동일하게 부여하였다. 각 하중조건에서 구조해석결과, von-Mises 응력은 모재부에서 항복강도 215 MPa과 용접부에서 항복강도 110 MPa이하가 됨을 확인할 수 있었으며, 강성의 경우 볼스터 간 거리의 1/1,000인 19 mm를 넘지 않았다. 또한 고유진동수의 경우 10 Hz보다 높게 나타나 강도와 강성 그리고 고유진동수 모두 철도안전법 기준에 만족함을 확인하였다.
- 결과에서 보듯이 모든 하중조건들에 대해 구조안전성을 만족시키고, 승차감을 위한 1차 고유진동수 조건(10 Hz 이상) 역시 만족시킴을 확인할 수 있다. 단, 제시된 최종 차체 단면 설계(안)은 모든 부위를 알루미늄 압출재에 의해 제작한다는 가정으로 설계된 것으로 추가 경량화를 위해서는 위상최적화해석을 통한 복합재의 적용 가능성 검토가 필요하다.
- 결과에서 보듯이 압축하중 시 최대 von-Mises 응력은 도어 포스트부와 창문부에서 국부적인 집중응력으로 발생하는 것으로 확인할 수 있다. 이는 국부적인 응력집중만 관리하면 차체 단면 치수의 변화는 최소화하면서 차체의 구조 안전성을 확보할 수 있다는 의미이다.
- 7은 도어 포스트부의 보강설계에 대한 차체의 압축하중 시 von-Mises 응력 분포 결과를 보여주고 있다. 결과에서 보듯이, 도어 포스트부에 발생하는 응력 집중이 235 MPa에서 200 MPa로 감소함을 확인할 수 있다.
- 이때 파손평가는 강도의 경우 von-Mises 응력이 재료의 항복강도 이하여야 하며, 강성의 경우 볼스터 간 거리의 1/1,000인 19 mm이하를 파손기준으로 하였다[12]. 결과에서 보듯이, 압축하중 조건에서 최대 von-Mises 응력이 재료의 소성응력을 넘어 구조 안전성이 확보되지 않았음을 확인할 수 있다. 이는 단층으로 이루어진 G7이나 해무 고속열차와 달리 2층 고속열차의 경우 무게 중심의 위치가 다르고 단면적이 넓어 이로 인해 단면의 관성모멘트가 작기 때문으로 판단된다.
- 각 하중조건에서 구조해석결과, von-Mises 응력은 모재부에서 항복강도 215 MPa과 용접부에서 항복강도 110 MPa이하가 됨을 확인할 수 있었으며, 강성의 경우 볼스터 간 거리의 1/1,000인 19 mm를 넘지 않았다. 또한 고유진동수의 경우 10 Hz보다 높게 나타나 강도와 강성 그리고 고유진동수 모두 철도안전법 기준에 만족함을 확인하였다. Table 5와 Fig.
- (1) 2층 고속열차 차체 구조물의 알루미늄 압출재 단면 두께는 사이드프레임, 솔바, 1층과 2층 언더프레임 그리고 루프부의 5개 주요 단면 부위를 설계 변수로 한 민감도 해석을 기반으로 결정되었다. 민감도 해석 결과, 사이드 프레임과 솔바의 두께를 보강하는 방안이 가장 경제적인 설계(안)으로 제시되었다. 민감도 해석으로 제시된 2층 고속열차의 알루미늄 압출재 차체 구조는 초기 제안 모델에 비해 무게는 약 1.
- 민감도 해석 결과, 사이드 프레임과 솔바의 두께를 보강하는 방안이 가장 경제적인 설계(안)으로 제시되었다. 민감도 해석으로 제시된 2층 고속열차의 알루미늄 압출재 차체 구조는 초기 제안 모델에 비해 무게는 약 1.63% 증가하였으나, 구조 안전성이 현저히 향상되어 제시된 차체 설계 전략이 효과적임을 확인하였다.
- 본 연구를 통해 제시된 2층 고속열차 하이브리드 차체 설계(안)은 철도안전법에서 요구하는 구조안전성을 만족시키면서 알루미늄 압출재만을 적용한 차체 구조물에 비해 14%의 경량화 효과를 얻을 수 있어 2층 고속열차의 차량 경량화를 위한 최적의 제작 기법으로 제시될 수 있다.
- (2) 2층 고속열차의 알루미늄 압출재 차체 설계(안)은 철도안전법에서 요구하는 구조 안전성은 확보하였으나, 축중 관리 및 적재 중량 증가를 위해서는 추가적인 차체 경량화가 필요하다. 이에 본 연구에서는 샌드위치 복합재의 적용을 제안하였고, 위상최적화 해석을 통한 하중을 상대적으로 적게 받는 루프부와 2층 언더프레임에 적용할 수 있음을 확인하였다.
- 제시된 최종 차체 단면 설계(안)은 초기 설계(안)에 비해 0.17톤(+1.63%) 무게 증가는 있으나 2nd carbody model에 비해 현저히 감소한 것을 확인할 수 있다. Table 4는 최종 차체 단면 설계(안)에 대한 구조안전성 평가 결과를 나타내고 있다.
- 초기 알루미늄 압출재만을 적용한 2층 고속열차의 차체 무게는 11,230 kg이었으나, 위상최적화를 통해 2층 언더프레임과 지붕부에 샌드위치 복합재를 적용한 설계(안)에서는 차체의 무게가 9,680kg으로 감소되는 것으로 나타나 약 14%의 경량화 효과가 있음을 확인하였다. 이에, 2층 고속열차의 차체 구조물은 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재가 동시에 적용되는 하이브리드 차체 방식이 경량화 측면서 매우 유리함을 알 수 있다.
- 이때, 각각의 하중과 3가지 하중을 동시에 고려한 조합하중을 적용하여 재료의 밀도 분포를 확인하였다. 해석결과, 재료의 밀도가 지붕부와 2층 언더프레임 순으로 적게 나타나 샌드위치 복합재 적용 가능성이 확인 되었다. 지붕부와 2층 언더프레임은 비교적 하중을 적게 받는 2차 부재로서 모두 복합재 적용이 가능한 부위이다.
후속연구
- 결과에서 보듯이 모든 하중조건들에 대해 구조안전성을 만족시키고, 승차감을 위한 1차 고유진동수 조건(10 Hz 이상) 역시 만족시킴을 확인할 수 있다. 단, 제시된 최종 차체 단면 설계(안)은 모든 부위를 알루미늄 압출재에 의해 제작한다는 가정으로 설계된 것으로 추가 경량화를 위해서는 위상최적화해석을 통한 복합재의 적용 가능성 검토가 필요하다.
- 55 ton)의 경량화 효과가 있음을 확인하였다. 또한, 철도안전법에서 요구하는 구조안전성과 승차감을 확보할 수 있어 2층 고속열차의 차체 경량화를 위한 최적의 제작 기법으로 추천되어진다.
- 특히, 기존의 고속선로를 그대로 사용하려면 허용 축중 이하로 차량의 무게를 유지해야 한다. 이때, 차량을 구성하는 모든 부품들의 경량화가 중요하지만 무엇보다 차량에서 많은 비중을 차지하는 차체 구조물의 경량화가 가장 중요한 설계인자가 될 것이다. 차체 구조물의 경량화 방안은 알루미늄 압출재 또는 복합재료와 같이 비중이 낮은 경량 재료를 사용하는 방법과 형상최적화, 치수최적화 등의 최적화 설계 기법을 사용하는 방법으로 나눌 수 있다.
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