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1차원 해석방법을 이용한 화차의 충돌가속도 분석
A study on Analysis of Impact Deceleration Characteristics of Railway Freight Car 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.3, 2020년, pp.32 - 38  

손승완 (한국철도기술연구원 철도안전연구팀) ,  정현승 (한국철도기술연구원 철도안전연구팀) ,  황준혁 (한국철도기술연구원 철도안전연구팀)

초록
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본 연구에서는 1차원 충돌해석 방법을 이용하여 기존 철도차량 화물차량의 충돌 가속도 분석을 통해 기존 차량의 문제점을 확인하고, 충돌 안전성 향상 대안을 제시하고자 한다. 화물 철도차량의 국내 충돌사고 사례 및 유럽 및 북미 규격 분석을 통해 입환충격 상황과 충돌사고 상황 시나리오를 선정하였다. 차량의 질량과 연결기의 하중-변위 특성을 고려하여 화차용 1차원 충돌해석 모델을 개발하였으며, 상용 유한요소 해석솔버인 LS-DYNA를 이용한 1차원 충돌 해석을 수행하였다. 해석 결과 충돌속도 10km/h 이내의 입환충격 상황에서 화차의 가속도 레벨은 EN 12663 규격에서 제시하는 2g 이하로 안정된 수준으로 예측되었지만, 충돌속도 15~30 km/h 사이의 충돌사고 상황에서는 연결기의 완충용량 부족으로 차체의 변형 및 가속도 레벨의 증가가 예측되어 차체 구조 및 적재 화물의 안전에 취약한 구조임을 확인하였다. 충돌안전성 향상 방안으로 화차에 재료의 소성변형을 이용한 비가역적 충돌에너지 흡수장치를 적용하여 동일 시나리오로 충돌해석을 수행하였고, 기존 차량 대비 최대 12% 수준으로 가속도 레벨이 감소된 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study examined the problems of existing vehicles to propose alternatives to improve the crashworthiness of railway freight cars through collision acceleration analysis using a one-dimensional collision analysis method. A collision scenario of railway shunting and crash accidents was selected fr...

주제어

#Crashworthiness   #Railway freight car   #Railway coupler   #Collision energy absorber   #LS-DYNA  

표/그림 (16)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 현재 국내에서 운행중인 화물철도차량의 충돌안전성을 1차원 충돌해석을 통해 충돌가속도 관점에서 분석하고, 충돌사고시 위험성을 낮추기 위한 대안을 제시하고자 한다. 도시철도 및 여객열차에서 사용하는 차량의 무게중심에서 충돌 가속도 평가방법[6]을 1차원 충돌해석을 통해 분석하여 현재 국내 화차의 충돌안전성을 분석하고, 충돌에너지 흡수부재를 적용한 화차의 1차원 충돌해석 결과와 비교하여 충돌 안전성 확보를 위한 대안을 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 현재 국내에서 운행중인 화물철도차량의 충돌안전성을 1차원 충돌해석을 통해 충돌가속도 관점에서 분석하고, 충돌사고시 위험성을 낮추기 위한 대안을 제시하고자 한다. 도시철도 및 여객열차에서 사용하는 차량의 무게중심에서 충돌 가속도 평가방법[6]을 1차원 충돌해석을 통해 분석하여 현재 국내 화차의 충돌안전성을 분석하고, 충돌에너지 흡수부재를 적용한 화차의 1차원 충돌해석 결과와 비교하여 충돌 안전성 확보를 위한 대안을 제시하고자 한다.
  • 본 연구에서는 현재 철도차량 화차의 충돌안전성을 1차원 충돌해석을 통해 분석하고, 에너지 흡수장치를 적용한 화차의 충돌해석결과와 비교하여 충돌안전성을 향상시킬 수 있는 대안을 제시하였다. 본 연구의 주요 결론은 아래와 같다.

가설 설정

  • 화물차량의 충돌안전성을 개선하기 위해 연결기와 연결기 완충장치는 기존 사용하는 장치 그대로 사용하고, 충돌에너지 흡수부재를 추가한 형태를 가정하여 Fig. 10과 같이 연결기 요소특성을 변경하였다.
  • 충돌에너지 흡수부재는 EN12663에서 제시한 크래쉬 버퍼의 기준에 따라 국내 화차에 맞게 하중을 설계하였다. 흡수부재는 150 mm 압축시 최대 255 kJ의 충돌에너지를 부재의 소성변형을 통해 흡수하며, 비가역적 작동을 전재로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
화물의 철로운송의 문제점은 무엇인가? 화물의 철로운송은 효율성 및 신뢰성이 높고, 도로운송에 비해 안전하다는 장점이 있어 도로운송 대비 비중이 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 하지만 단 한번의 사고가 발생하더라도 광범위한 수준의 피해가 예상되기 때문에 운송의 신뢰성을 확보하기 위해서는 운행 안전성이 담보되어야 한다. 특히 위험물의 철로 운송시 충돌사고는 탈선사고로 확장되면서 위험물보관용기에 직접적인 충격을 가할 수 있기 때문에 다른 사고에 비해 위험성이 높다고 할 수 있다. 최근 철도차량 충돌사고 시 피해를 최소화 하기 위한 연구는 도시철도 및 여객열차를 중심[1]으로 이뤄져왔고, 상대적으로 화물차량에 대한 안전사고 저감 연구 결과는 부족하다.
화물의 철로운송의 장점은 무엇인가? 화물의 철로운송은 효율성 및 신뢰성이 높고, 도로운송에 비해 안전하다는 장점이 있어 도로운송 대비 비중이 꾸준히 증가할 것으로 예상된다. 하지만 단 한번의 사고가 발생하더라도 광범위한 수준의 피해가 예상되기 때문에 운송의 신뢰성을 확보하기 위해서는 운행 안전성이 담보되어야 한다.
철도차량의 1차원 충돌 시뮬레이션 모델이 사용되는 이유는 무엇인가? 철도차량의 1차원 충돌 시뮬레이션 모델은 3차원 시뮬레이션이나 실차 충돌시험을 대신하여 설계단계에서 필요한 에너지 흡수 부품과 구조의 충돌안전설계를 수정 및 보완하기 위하여 주로 사용된다.[7] 본 연구에서 구현하고자 하는 1차원 충돌 시뮬레이션 모델은 차량 질량과 연결기의 비선형 완충특성을 사용하여 모델링하였으며, 이론적 배경은 다음과 같다.
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참고문헌 (15)

  1. H. S. Jung, S. W. Son, T. S. Kwon, J. S. Kim "Study on Computational Simulation of Metro Collision Accident and Improvement of Passive Safety", Transaction of the Korean Society of Mechanical Engineers - A, Vol.39, No.9, pp.885-892, Sep. 2015. DOI: http://dx.doi.org/10.3795/KSME-A.2015.39.9.885 

  2. US DOT, FAST Act requirements for Flammable Liquids and Rail Tank Cars, 2016. 

  3. R. A. Mayville, R. G. Stringfellow, K. N. Johnson, S. Landrum., Crashworthiness Design Modifications for Locomotive and Cab Car Anticlimbing Systems, Technical Report, D. Little Inc., U.S. Department of Transportation, US, 2003 

  4. C. H. Lim, B. C. Goo, "A Study on Improvement of Structural Strenth Evaluation Methods for Tank Car used for Carrying Hazard Materials", Fire Science and Engineering , Vol.22, No.3, pp.239-245, Sep. 2008 

  5. S. K. Lee, Dangerous Article Transportation Safety Criteria and System Setup, Technical Report, Seoul Nat'l University of Technology, pp.350-632, 2008. 

  6. European Committee for Standardization, BS EN15227 : 2008 Railway applications - Crashworthiness requirements for railway vehicle bodies, 2010 

  7. M. Y. Park, Y. I. Park, J. S. Koo "Equivalent Modeling Technique for 1-D collision Dynamics Using 3-D Finite Element Analysis of Rollingstock", Journal of the Korean Society for Railwy, Vol.13, No.2, pp.139-146, Apr. 2010. 

  8. I. Simon, Hanbook of Railway Vehicle Dynamics, pp.239-277, CRC Press, New York, 2006. DOI: https://doi.org/10.1201/9781420004892 

  9. LSTC, LS-DYNA Theory manual, Livermore Software Technology Corporation, Michigan, 2015. 

  10. Ministry of Land, Infrastructure, Transportation, Railway Accident Casebook 2016, Ministry of Land, Infrastructure, Seoul, 2016. 

  11. European Committee for Standardization, BS EN12663-2:2010 Railway applications - Structural requirements of railway vehicle bodies Part 2 : Freight wagon, 2010. 

  12. US Code of Federal Regulation, 49CFR179-Specifications for Tank Cars, 2011. 

  13. Avitation and Railway Accident Investigation Board, ARAIB/R 2014-6 Joongang line Top-ri $\rightarrow$ Bibong Railway freight car crash accident report, 2014. 

  14. H. S. Jung, T. S. Kwon, J. S. Koo, "A Study on Rolling Stock Shunting Impact Analysis using LS-DYNA", Proceedings of the Korean Soc. Railway spring conference , pp.25-30, 2006. 

  15. DMSR Website, Couplers for Passenger cars, Freight cars[Internet], Available From: http://www.dmsr.co.kr/ (accessed Nov. 20, 2018) 

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