일반적으로 열차분야에서 분기기 시스템은 안전성과 직접적으로 연관되기 때문에 높은 신뢰성이 요구된다. 특히 자기부상열차의 분기기 시스템은 대차가 궤도를 감싸는 구조적 특징으로, 고가궤도 전체가 움직여야 한다. 이러한 이유로 자기부상열차의 분기기는 강 재질로 설계되었다. 강 거더의 분기기는 콘크리트 거더에 비하여 진동측면뿐만 아니라 거더의 처짐에도 취약하다. 그러므로 자기부상열차가 유연한 분기기 위를 통과 할 때, 부상안정성 예측이 매우 중요하다. 본 논문의 목표는 자기부상열차와 분기기 거더의 연성된 동역학 해석모델을 개발하고, 공진예측 및 차량의 부상안정성 예측에 있다. 이를 위해서 차량의 3차원 다물체 동역학 모델을 개발 하였고, 분기기 거더와 모달중첩법을 이용한 연성모델링을 수행하였다. 개발된 해석모델은 실측 실험과 비교를 통해서 해석모델의 타당성을 검증하였다.
일반적으로 열차분야에서 분기기 시스템은 안전성과 직접적으로 연관되기 때문에 높은 신뢰성이 요구된다. 특히 자기부상열차의 분기기 시스템은 대차가 궤도를 감싸는 구조적 특징으로, 고가궤도 전체가 움직여야 한다. 이러한 이유로 자기부상열차의 분기기는 강 재질로 설계되었다. 강 거더의 분기기는 콘크리트 거더에 비하여 진동측면뿐만 아니라 거더의 처짐에도 취약하다. 그러므로 자기부상열차가 유연한 분기기 위를 통과 할 때, 부상안정성 예측이 매우 중요하다. 본 논문의 목표는 자기부상열차와 분기기 거더의 연성된 동역학 해석모델을 개발하고, 공진예측 및 차량의 부상안정성 예측에 있다. 이를 위해서 차량의 3차원 다물체 동역학 모델을 개발 하였고, 분기기 거더와 모달중첩법을 이용한 연성모델링을 수행하였다. 개발된 해석모델은 실측 실험과 비교를 통해서 해석모델의 타당성을 검증하였다.
Generally, in the train area, switch tracks have required high reliability because this system is directly associated with derailment. Especially, switch tracks of Maglev vehicles must be moved in terms of the whole geometric characteristics, in which the bogies are encased in the switch track. For ...
Generally, in the train area, switch tracks have required high reliability because this system is directly associated with derailment. Especially, switch tracks of Maglev vehicles must be moved in terms of the whole geometric characteristics, in which the bogies are encased in the switch track. For this reason, switch track was constructed with steel lighter than concrete girders. But, the steel switch track was weak because of structural vibration as well as structural deformation. Therefore, it is important to predict the levitation stability when a vehicle passes over flexible switch track. The aims of this paper are to develop a coupled dynamic model to describe the relationship between a Maglev vehicle and switch track and to predict the levitation stability. In order to develop the coupled dynamic model, a three dimensional vehicle model was developed based on multibody dynamics; a switch model was made using the modal superposition method. And, the developed model was verified using comparison measured data.
Generally, in the train area, switch tracks have required high reliability because this system is directly associated with derailment. Especially, switch tracks of Maglev vehicles must be moved in terms of the whole geometric characteristics, in which the bogies are encased in the switch track. For this reason, switch track was constructed with steel lighter than concrete girders. But, the steel switch track was weak because of structural vibration as well as structural deformation. Therefore, it is important to predict the levitation stability when a vehicle passes over flexible switch track. The aims of this paper are to develop a coupled dynamic model to describe the relationship between a Maglev vehicle and switch track and to predict the levitation stability. In order to develop the coupled dynamic model, a three dimensional vehicle model was developed based on multibody dynamics; a switch model was made using the modal superposition method. And, the developed model was verified using comparison measured data.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
6m으로 자기부상열차가 분기기 위에 모두 올려져 있는 상황이 발생 할 수 있다. 따라서 본 논문의 공진 해석에서는 차량이 모두 강재 분기기 위에 올려져 진동이 가장 발생하기 쉬운 상황을 고려하였다.
따라서 본 논문의 목적은 자기부상열차와 분기기 시스템 사이의 진동을 분석하기 위한 동적 상호 작용 통합모델을 개발하는데 있다. 개발된 자기부상열차와 분기기 시스템 상호 모델의 검증을 위하여 실제 차량의 주행의 실측 데이터와 비교를 수행하였다.
본 논문에서는 해석적인 방법으로 진동규명을 하기 위하여 자기부상열차와 분기기 구조물의 동적 연성해석 모델링을 개발하였다. 자기부상열차는 다물체동역학 기법을 이용하여 보다 현실에 근접한 해석모델을 개발하였고, 분기기 구조물은 모드해석을 통해 얻은 고유진동수와 모드질량을 이용한 모달중첩법을 사용하였다.
09mm으로 차이가 미비한 것을 알 수 있다. 여기서 단경간 거더의 고유진동수가 고주파에 해당하여 공진이 발생하기 어렵고, 그 크기 또한 미비하기 때문에 장경간 거더에 초점을 두어 해석하고자 한다.
제안 방법
자기부상열차의 차량 및 대차 시스템은 Virtual Lab. Motion 프로그램을 이용하여 3차원 다물체 동역학 기반으로 모델링하였다. 모델링 된 자기부상열차는 Fig.
개발된 모델을 이용한 공진해석을 위하여 Fig. 13과 같이 차량을 분기기 시스템 위에 정지부상 (stand still) 시켜놓고, 장경간 거더의 중심부에 시간에 따라서 주파수가 상승하는 주기를 갖는 강제진동 (forced vibration)을 입력하였다. 이때 입력한 힘의 크기는 분기기의 처짐 변동에 영향을 주기 때문에, 최대 크기를 부상력의 10%으로 고려하였다.
개발된 자기부사열차 다물체 동역학 모델에 전자석 및 부상 제어기 모델을 통합시키기 위하여, 전자석 운동방정식(6), (7)을 user subroutine을 통해 구현하였다. 먼저 식(6), (7)에서 부상공극(z), 부상공극 속도(#) 그리고 전류의 미분치(#)의 계산이 필요하다.
개발된 자기부상열차와 분기기 시스템의 연성해석모델을 검증하기 위하여 한국기계연구원에 설치된 분기기 시스템을 바탕으로 차량 주행 시험을 수행하였다. 시험은 자기부상열차가 일정 속도로 주행 중 분기기 단/장경간 거더의 처짐을 측정하였다.
자기부상열차는 다물체동역학 기법을 이용하여 보다 현실에 근접한 해석모델을 개발하였고, 분기기 구조물은 모드해석을 통해 얻은 고유진동수와 모드질량을 이용한 모달중첩법을 사용하였다. 두 사이의 모델은 움직이는 열차의 부상 제어된 전자석 힘이 분기기 구조물의 모달중첩법 입력이 되고, 구조물 처짐(출력)이 자기부상열차의 외란으로 입력되는 연성해석 모델을 개발하였다. 개발된 통합모델을 검증하기 위하여 실제 자기부상열차가 분기기 통과시 분기기 구조물의 중심부 처짐을 측정하여 해석과 비교하여 유사함을 보였다.
이러한 현상은 가이드웨이의 길이가 정해져 있을 때, 차량의 주행속도가 상승하게 될 경우 고주파의 외란으로 바뀌게 되고, 이러한 영향은 거더와 차량의 공진주파수 범위를 벗어나기 때문에 공진이 발생되기 어렵기 때문이다. 따라서 본 논문의 공진해석은 Fig. 13과 같이 정지상태에 초점을 두어 공진을 분석하였다. 또한 차량의 총 길이는 약 25m이고, 분기기 거더의 총 길이는 25.
개발된 자기부상열차와 분기기 시스템 상호 모델의 검증을 위하여 실제 차량의 주행의 실측 데이터와 비교를 수행하였다. 또한 개발된 모델을 이용하여 공진이 발생할 때 자기부상열차의 안정성 등을 해석적 기법으로 분석 하였다.
63Hz에서 검출되었다. 본 논문에서는 구조물의 굽힘 모드 중에서도 진동밴드가 가장 낮은 1차 모드만 적용하였다.
분기기의 고유진동수를 분석하기 위하여 Fig. 7과 같이 ANSYS를 이용하여 모드 해석을 수행하였다. 해석결과 1차 굽힘 모드가 단경간 거더는 (a)와 (b)처럼 약 300Hz의 고주파영역에서 검출되었고, 장경간 거더는 (c)와 같이 약 13.
개발된 자기부상열차와 분기기 시스템의 연성해석모델을 검증하기 위하여 한국기계연구원에 설치된 분기기 시스템을 바탕으로 차량 주행 시험을 수행하였다. 시험은 자기부상열차가 일정 속도로 주행 중 분기기 단/장경간 거더의 처짐을 측정하였다. Fig.
위와 같이 분기기의 장경간 거더가 공진이 발생하여 진동이 발생하였을 때, 자기부상차량의 부상공극을 분석하였다. Fig.
12는 분기기 장경간 거더의 중심부 최대 처짐을 각각 실제실험과 해석을 통해 비교한 그래프이다. 이 실험은 차량의 속도에 대한 비교를 위해서 차량속도를 10km/h 에서 60km/h까지 증가 시키며 분기기 주행을 수행하였다. 실험 및 해석결과 정략적으로 차이가 거의 없는 것을 확인하였고, 속도에 대한 장경간 거더의 처짐 영향이 매우 미비한 것을 알 수 있다.
본 논문에서는 해석적인 방법으로 진동규명을 하기 위하여 자기부상열차와 분기기 구조물의 동적 연성해석 모델링을 개발하였다. 자기부상열차는 다물체동역학 기법을 이용하여 보다 현실에 근접한 해석모델을 개발하였고, 분기기 구조물은 모드해석을 통해 얻은 고유진동수와 모드질량을 이용한 모달중첩법을 사용하였다. 두 사이의 모델은 움직이는 열차의 부상 제어된 전자석 힘이 분기기 구조물의 모달중첩법 입력이 되고, 구조물 처짐(출력)이 자기부상열차의 외란으로 입력되는 연성해석 모델을 개발하였다.
해석 결과는 분기기의 장경간 거더의 처짐을 주파수 분석을 통해 공진발생을 확인하고, 이때의 자기부상열차의 부상공극을 분석하여 차량의 부상 안정성을 평가해 보았다.
대상 데이터
여기서 i와 j body는 서로 연결관계가 있는 물체를 의미한다. 위 모델은 총 200개의 바디로 구성되어 있으며, Table 1의 기구적 구속조건(kinematic constraint)을 고려하여 총 470 자유도를 갖는다.
위에서 설명한 해석방법을 이용하기 위하여 분기기의 고유진동수를 이용한 모달 중첩법을 이용하였다. 해석 모델로 사용된 분기기는 Fig. 6과 같이 한국기계연구원에 설치된 2방향 분기기를 대상으로 하였다. 위 분기기는 총 3개의 구조물로 이루어져 있으며, 구조물의 길이는 각각 단경간 거더 4.
데이터처리
따라서 본 논문의 목적은 자기부상열차와 분기기 시스템 사이의 진동을 분석하기 위한 동적 상호 작용 통합모델을 개발하는데 있다. 개발된 자기부상열차와 분기기 시스템 상호 모델의 검증을 위하여 실제 차량의 주행의 실측 데이터와 비교를 수행하였다. 또한 개발된 모델을 이용하여 공진이 발생할 때 자기부상열차의 안정성 등을 해석적 기법으로 분석 하였다.
이론/모형
위에서 설명한 해석방법을 이용하기 위하여 분기기의 고유진동수를 이용한 모달 중첩법을 이용하였다. 해석 모델로 사용된 분기기는 Fig.
성능/효과
15는 분기기 장경간 거더 위에 해당하는 대차 1에서 대차 4까지의 각각의 부상공극 결과를 나타낸다. 각각의 대차의 부상공극은 분기기 장경간 거더의 중앙부에 해당되는 대차 3과 대차 4에서 진동 폭이 크게 발생하는 것을 확인하였다. 각각의 대차의 부상공극이 Fig.
두 사이의 모델은 움직이는 열차의 부상 제어된 전자석 힘이 분기기 구조물의 모달중첩법 입력이 되고, 구조물 처짐(출력)이 자기부상열차의 외란으로 입력되는 연성해석 모델을 개발하였다. 개발된 통합모델을 검증하기 위하여 실제 자기부상열차가 분기기 통과시 분기기 구조물의 중심부 처짐을 측정하여 해석과 비교하여 유사함을 보였다.
결과적으로 실험과 해석의 정량적인 차이는 단경간 거더는 약 0.16mm, 장경간 거더는 약 0.09mm으로 차이가 미비한 것을 알 수 있다. 여기서 단경간 거더의 고유진동수가 고주파에 해당하여 공진이 발생하기 어렵고, 그 크기 또한 미비하기 때문에 장경간 거더에 초점을 두어 해석하고자 한다.
따라서 개발된 자기부상열차와 분기기 시스템의 연성해석 모델을 이용하여 차량과 분기기의 장경간 거더 사이의 공진해석을 하는데 합당한 모델이라고 판단하였다.
본 논문의 결과를 통해서 분기기 구조물의 공진발생 시에 설계된 차량의 부상제어기가 공진주파수를 회피하도록 하는 것을 확인하였다. 나아가 본문에서 개발된 연성모델을 이용하여 추후 분기기 최적화 설계 시 활용가능 할 것이다.
이 실험은 차량의 속도에 대한 비교를 위해서 차량속도를 10km/h 에서 60km/h까지 증가 시키며 분기기 주행을 수행하였다. 실험 및 해석결과 정략적으로 차이가 거의 없는 것을 확인하였고, 속도에 대한 장경간 거더의 처짐 영향이 매우 미비한 것을 알 수 있다.
이러한 결과는 분기기 구조물의 공진으로 발생한 처짐 진동 (최대 ±1mm )의 영향을 부상 제어기가 약 ±0.6mm으로 진폭의 크기가 다소 줄어든 것을 보였다.
11은 개발된 연성해석 모델을 이용하여 차량의 속도를 10km/h으로 주행했을 때 분기기의 처짐을 해석하였다. 해석결과 단경간 거더는 약 0.128mm, 0.137mm의 처짐이 발생하였고, 장경간 거더는 약 3.8mm의 처짐이 발생하였다.
후속연구
본 논문의 결과를 통해서 분기기 구조물의 공진발생 시에 설계된 차량의 부상제어기가 공진주파수를 회피하도록 하는 것을 확인하였다. 나아가 본문에서 개발된 연성모델을 이용하여 추후 분기기 최적화 설계 시 활용가능 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
분기기의 설계변수가 신중하게 결정되는 이유는?
분기기 시스템은 열차의 방향을 전환시키기 위하여 사용되는데, 열차 분야에서 분기기 시스템은 탈선과 직접적으로 연관되게 때문에 분기기의 설계변수가 매우 신중하게 결정되고 있다[1]. 이러한 사항은 자기부상열차 분야에서도 동일하게 적용된다.
강재 구조물의 단점은?
이러한 강재 구조물은 일반 콘크리트 거더에 비하여 낮은 질량비로 인해 진동에 취약한 조건이 된다.
자기부상열차의 부상전자석과 가이드 레일 사이 전자력은 어떻게 발생되는가?
3은 자기부상열차의 부상전자석과 가이드 레일 사이의 전체 관계를 보여주고 있다. 전자석에 전류를 흘려주게 되면 자속으로 인한 자속밀도(flux density, B)가 형성되고, 공극과 전류에 의한 전자력 (attraction force)이 발생한다. 이 관계는 식(1)과 같다[4].
참고문헌 (10)
J.M. Lee (2011) A study on running stability for the urban maglev running over the segmented switch system, Ph.D. Thesis, Chungnam National University.
K.J. Kim, H.S. Han, J.M. Lee, S.J. Yang (2010) Running safety of an EMS-type urban maglev vehicle traveling over a segmented switch, Proceedings of 5th Asian Conference on Multibody Dynamics, Kyoto, Japan, pp. 120.
H.S. Han, B.H. Yim, J.K. Lee, Y.C. Hur, et al. (2009) Effects of guideway's vibration characteristics on the dynamics of a maglev vehicle, Vehicle System Dynamics, 47(3), pp. 309-234.
P.K. Sinha (1987) Electromagnetic suspension dynamics & control, Peter Peregrinus Ltd, London, United Kingdom, pp. 53-72.
J.B. Han, K.J. Kim, H.S. Han, S.S. Kim (2012) Lateral vibration reduction of a maglev train using U-shaped electromagnets, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, 36(11), pp. 1447-1453.
J.B. Han, K.J. Kim, H.S. Han, S.S. Kim (2014) Parametric study of curved guideway for urban maglev vehicle, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, 39(3), pp. 329-335.
K.J. Kim, H.S. Han, S.J. Yang (2013) Analysis of dynamic interaction between maglev vehicle and guideway, Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, 47(12), pp. 1559-1565.
D. Zhou, C. Hansen, J. Li, W. Chang (2010) Review of coupled vibration problems in EMS maglev vehicles, International Journal of Acoustics and Vibration, 15(10), pp. 10-23.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.