본 연구에서는 현재 운행 중인 도시철도차량의 전동차 출입문에 규칙적 다공질 금속, 즉, 트러스 요소로 이루어진 피라미드 트러스 코어를 적용 가능한가에 대해 구조 강성 측면에서 검토하였다. 전동차 출입문은 내외피 사이 심재부에 허니콤과 보강재로 구성된 샌드위치 구조이며, 충분한 굽힘 강성과 내구성 등이 요구된다. 현재, 전동차 출입문의 기계적 성능은 한국철도표준규격(KRS)과 도시철도용품 품질규격에서 명시되고 있는데, 3점굽힘시험을 수행하여 중앙부의 처짐량을 측정하여 구조강성의 만족 여부를 판정하고 있다. 기존의 허니컴 코어를 채용한 출입문에 비해 피라미드 트러스 코어로 대체한 출입문의 구조강성 비교를 위하여 기존의 허니콤 코어와 동일한 무게의 두 종류의 피라미드 트러스 코어를 설계, 고려하였다. 이후 한국철도표준규격에 명시한 시험조건에 따라 유한요소해석을 실시하였다. 피라미드 트러스 코어를 적용한 전동차 출입문의 3점굽힘해석 결과 피라미드 트러스 심재 출입문은 기존의 허니콤 심재에 비해 약 2.5%의 처짐량이 더 발생하였지만, 규격에서 요구한 강성 조건을 충분히 만족시켰다. 따라서, 다기능성에 유리한 규칙적 다공질 금속인 피라미드 트러스 심재는 기존의 허니콤 기반의 출입문을 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
본 연구에서는 현재 운행 중인 도시철도차량의 전동차 출입문에 규칙적 다공질 금속, 즉, 트러스 요소로 이루어진 피라미드 트러스 코어를 적용 가능한가에 대해 구조 강성 측면에서 검토하였다. 전동차 출입문은 내외피 사이 심재부에 허니콤과 보강재로 구성된 샌드위치 구조이며, 충분한 굽힘 강성과 내구성 등이 요구된다. 현재, 전동차 출입문의 기계적 성능은 한국철도표준규격(KRS)과 도시철도용품 품질규격에서 명시되고 있는데, 3점굽힘시험을 수행하여 중앙부의 처짐량을 측정하여 구조강성의 만족 여부를 판정하고 있다. 기존의 허니컴 코어를 채용한 출입문에 비해 피라미드 트러스 코어로 대체한 출입문의 구조강성 비교를 위하여 기존의 허니콤 코어와 동일한 무게의 두 종류의 피라미드 트러스 코어를 설계, 고려하였다. 이후 한국철도표준규격에 명시한 시험조건에 따라 유한요소해석을 실시하였다. 피라미드 트러스 코어를 적용한 전동차 출입문의 3점굽힘해석 결과 피라미드 트러스 심재 출입문은 기존의 허니콤 심재에 비해 약 2.5%의 처짐량이 더 발생하였지만, 규격에서 요구한 강성 조건을 충분히 만족시켰다. 따라서, 다기능성에 유리한 규칙적 다공질 금속인 피라미드 트러스 심재는 기존의 허니콤 기반의 출입문을 대체할 수 있을 것으로 판단된다.
A preliminary study was carried out to investigate the feasibility of replacing honeycomb cores with pyramidal truss cores in the doors of urban transit railway vehicles. The doors in current operation are sandwich structures comprising a honeycomb core and reinforcements between two facesheets. The...
A preliminary study was carried out to investigate the feasibility of replacing honeycomb cores with pyramidal truss cores in the doors of urban transit railway vehicles. The doors in current operation are sandwich structures comprising a honeycomb core and reinforcements between two facesheets. The structural requirements of doors for urban transit vehicle are specified in the KRS and KRT and standards, according to which the deflections from three-point bending tests must be limited. To this end, two types of pyramidal truss cores with equivalent mass to a honeycomb core were designed. The structural stiffness of doors with pyramidal truss cores and honeycomb cores were numerically calculated via finite element analysis. The three-point bending models were constructed and simulated, and then the calculated deflections were compared with the requirements specified in the regulations. The results show that doors with pyramidal truss cores satisfied the stiffness requirements, although their deflections were 2.5% larger than that of the honeycomb cores. Therefore, the pyramidal truss cores could replace the aluminum honeycomb cores, and their multi-functional capability could be exploited.
A preliminary study was carried out to investigate the feasibility of replacing honeycomb cores with pyramidal truss cores in the doors of urban transit railway vehicles. The doors in current operation are sandwich structures comprising a honeycomb core and reinforcements between two facesheets. The structural requirements of doors for urban transit vehicle are specified in the KRS and KRT and standards, according to which the deflections from three-point bending tests must be limited. To this end, two types of pyramidal truss cores with equivalent mass to a honeycomb core were designed. The structural stiffness of doors with pyramidal truss cores and honeycomb cores were numerically calculated via finite element analysis. The three-point bending models were constructed and simulated, and then the calculated deflections were compared with the requirements specified in the regulations. The results show that doors with pyramidal truss cores satisfied the stiffness requirements, although their deflections were 2.5% larger than that of the honeycomb cores. Therefore, the pyramidal truss cores could replace the aluminum honeycomb cores, and their multi-functional capability could be exploited.
본 연구에서는 도시철도차량 출입문에 사용되고 있는 허니콤코어에 대한 규칙적 다공질 금속의 대체가능성을 확인하기 위해 기초연구를 수행하였다. 특히, 현재 적용되고 있는 허니콤 코어와 같은 무게를 가지도록 피라미드 트러스 코어 2종(α=45, 60°)을 설계하여 철도차량 규격에서 명시된 구조성능을 검증하였다.
제안 방법
본 연구에서는 허니콤을 규칙적 다공질 금속 구조(PCM)의 하나인 피라미드 트러스 심재로의 대체가능성에 대해 구조적인 측면에서 검토하고자 한다. 이를 위해 현재 설계되고 있는 허니컴과 동일한 무게의 피라미드트러스 심재를 적용한 철도차량출입문을 대상으로 철도차량규격에서 요구하는 주요 구조성능조건인 강성에 대해 검토하기 위해 3점굽힘해석을 실시하여 해석적으로 비교 평가하였다.
본 연구에서는 도시철도차량 출입문에 사용되고 있는 허니콤코어에 대한 규칙적 다공질 금속의 대체가능성을 확인하기 위해 기초연구를 수행하였다. 특히, 현재 적용되고 있는 허니콤 코어와 같은 무게를 가지도록 피라미드 트러스 코어 2종(α=45, 60°)을 설계하여 철도차량 규격에서 명시된 구조성능을 검증하였다.
대상 데이터
본 연구에서 대상으로 한 도시철도차량의 출입문은 현재 상용운행 중인 전동차 출입문으로서 두께 1.2mm의 알루미늄 재질의 내외판과 22.6mm 심재 두께를 지닌 샌드위치 구조로 되어 있다. 외판과 내판 사이에 적용된 허니콤은 알루미늄 5XXX계열로 이루어진 육각허니콤구조로서 밀도는 59.
위에서 설명한 출입문의 3점굽힘 유한요소해석을 ABAQUS standard[11]을 이용하여 수행하였다. 해석모델을 구축하기 위하여 보강프레임과 내외판은 알루미늄합금에 대한 물성을 적용하여 쉘요소로 모델링하였으며, 피라미드 트러스를 적용한 코어부는 등가강성을 이용한 직교이방성 재료모델을 적용한 솔리드 요소로 모델링하였다.
데이터처리
위에서 설명한 출입문의 3점굽힘 유한요소해석을 ABAQUS standard[11]을 이용하여 수행하였다. 해석모델을 구축하기 위하여 보강프레임과 내외판은 알루미늄합금에 대한 물성을 적용하여 쉘요소로 모델링하였으며, 피라미드 트러스를 적용한 코어부는 등가강성을 이용한 직교이방성 재료모델을 적용한 솔리드 요소로 모델링하였다.
성능/효과
결론적으로 출입문 구조에 개방형 규칙적 다공질 금속의 일종인 피라미드트러스 심재를 적용한다면, 기존의 허니콤을 적용한 출입문 샌드위치 구조보다 전체적인 굽힘강성측면에서 약 2.5%의 처짐량이 더 발생하여 약간의 손실이 있을 수 있으나, 규격에서 요구하는 구조강성을 만족시킴을 알 수 있다.
해석 결과 모든 변형은 항복응력 이내의 탄성변형으로서, 잔류변형이 기대되지 않음을 확인하였다. 따라서, 피라미드 트러스 코어를 채용한 도시철도차량 출입문은 철도차량규격의 잔류변형량조건을 만족하였다.
(2) 규격에서 요구하는 잔류처짐량 조건을 확인하였다. 해석 결과 모든 변형은 항복응력 이내의 탄성변형으로서, 잔류변형이 기대되지 않음을 확인하였다. 따라서, 피라미드 트러스 코어를 채용한 도시철도차량 출입문은 철도차량규격의 잔류변형량조건을 만족하였다.
후속연구
(3) 피라미드 트러스 심재를 사용하여 구조 특성의 큰 희생없이 개방형 단위셀의 특성을 이용하여 향후 다기능성(Multifuncionality)을 활용한 출입문으로의 적용성에 대한 다변화가 가능할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
도시철도차량 출입문은 어떻게 설계, 제작되는가?
도시철도차량 출입문은 스테인리스강 혹은 알루미늄 합금으로 이루어진 얇은 내외피 사이에 일정 간격을 유지시킴으로써 굽힘강성을 증대시킨 샌드위치 구조로 설계·제작된다. 특히, 내외피 사이의 심재부는 주로 전단하중을 지지하는 역할을 하기 때문에 많은 부피를 차지하면서 가벼운 재료를 선택하는 것이 유리하다.
규칙적 다공질 금속의 장점은?
규칙적 다공질 금속(PCM)은 금속재의 트러스나 판등을 규칙적으로 내부에 배열함으로써, 경량화와 구조특성을 향상시킨 구조재료이다. 어떠한 방법으로 내부의 재료를 배치시키는 가에 따라 다양한 형상구조로 제작할 수 있고, 특히, 하중지지기능을 수행함과 동시에 기공을 활용하여 열전달이나 에너지흡수 등 다기능성에 대한 활용이 가능하여 다양한 학계 및 산업분야에서 많은 관심을 받아왔다[1-5]. 이러한 특성들을 활용하여 외국의 국방 분야에서는 수중폭발, 방탄구조체에 대한 적용한 개념이 시험되었으며, 열전달 구조, 배관구조 개념으로서도 그 적용성도 확대되고 있다.
내외피 사이의 심재부 재료는 어떤 것을 선택하는 것이 유리한가?
도시철도차량 출입문은 스테인리스강 혹은 알루미늄 합금으로 이루어진 얇은 내외피 사이에 일정 간격을 유지시킴으로써 굽힘강성을 증대시킨 샌드위치 구조로 설계·제작된다. 특히, 내외피 사이의 심재부는 주로 전단하중을 지지하는 역할을 하기 때문에 많은 부피를 차지하면서 가벼운 재료를 선택하는 것이 유리하다. 따라서, 현재 도시철도차량의 출입문의 심재에는 경량 다공질 구조의 하나인 알루미늄 허니콤을 적용하여 샌드위치 구조의 장점을 취하도록 하고 있다.
참고문헌 (11)
A. G. Evans, J. W. Hutchinson, M. F. Ashby, "Cellular Metals," 2010.
Wadley, H.N.G., "Multifunctional periodic cellular metals," Philosophical Transactions of the Royal Society A, Vol. 364, pp. 31-68, 2006. DOI: https://doi.org/10.1098/rsta.2005.1697
L. J. Gibson, M. F. Ashby, Cellular Solids: Structure and Properties, Pergamon Press, Oxford, 1997. DOI: https://doi.org/10.1017/CBO9781139878326
A. G. Evans, J.W. Hutchinson, N.A. Fleck, M.F.Ashby, H. N. G. Wadley, "The topological design of multifunctional cellular metals," Progress in Materials Science, vol. 46, pp. 309-327, 2001. DOI: https://doi.org/10.1016/S0079-6425(00)00016-5
J. Y. Lim, H. Bart-Smith, "Dynamic buckling response of long plates for the prediction of local plate buckling of corrugated core sandwich columns," Journal of Applied Mechanics (ASME Transactions), vol. 82, pp. 111008:1-12, 2015. DOI: https://doi.org/10.1115/1.4031279
J. Y. Lee, K. B. Shin, J. C. Jeong, "Experimental and numerical simulation studies of low-velocity impact responses on sandwich panels for a BIMODAL Tram," Advanced Composite Materials, vol. 18, pp. 1-20. DOI: https://doi.org/10.1163/156855108X385311
H. G. Allen, Analysis and design of structural sandwich panels, Pergamon Press, Oxford, 1969.
Z. Xue, J. W. Hutchinson, "Constitutive Model for Quasi-static Deformation of Metallic Sandwich Cores," International Journal for Numerical Methods in Engineering, Vol. 61, pp. 2205-2238, 2004. DOI: https://doi.org/10.1002/nme.1142
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