[논문]해외 충돌안전규정에 따른 유류탱크화차의 비선형충돌해석 연구

손승완; 정현승; 안승호; 김진성

doi:10.5762/kais.2020.21.11.843

해외 충돌안전규정에 따른 유류탱크화차의 비선형충돌해석 연구
A study on nonlinear crash analysis of railway tankcar according to the overseas crashworthiness regulations 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.21 no.11, 2020년, pp.843 - 850

손승완 (한국철도기술연구원 시설안전팀) , 정현승 (한국철도기술연구원 중대사고대응기술연구팀) , 안승호 (한국철도기술연구원 중대사고대응기술연구팀) , 김진성 (한국철도기술연구원 중대사고대응기술연구팀)

초록
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본 연구의 목적은 국내 위험물 운송용 탱크화차의 충돌안전설계 가이드라인 제안을 위해 해외 충돌안전 기준에 따른 국내 위험물 운송화차에 대하여 비선형 충돌해석을 하여 위험성을 평가하고, 구조적 취약부를 분석하는데 있다. 유럽의 EN 12663-2에서 규정하는 화차의 완충시험 및 북미 49CFR179에서 규정하는 탱크 펑크시험기준을 분석하였으며, 상용 유한요소 해석 솔버인 LS-DYNA를 이용하여 각각 기준에 따른 비선형 유한요소모델을 모델링하였다. EN 규격의 완충시험 해석결과 충돌속도 6 km/h 이하에서는 소성변형이 발생하지 않을 것으로 예측하였지만, 8 km/h 이상의 충돌속도에서 중앙연결기를 통한 하중 전달으로 차체의 센터실 후방 및 탱크 중앙 지지부에서 소성변형을 확인하였다. 북미 법규의 탱크 펑크시험 해석결과 국내 탱크화차는 두부 충돌모드에서 충돌차량의 운동에너지를 4 % 이상 흡수시 두부의 코너부에서 탱크 외벽의 파괴가 발생하였으며, 측면 충돌모드에서 운동에너지 30 % 이상 흡수시에 충격체가 접촉하는 탱크 외벽의 파괴가 발생하여 내부 적재물의 누출을 예상하였다. 국내 유류 운송용 탱크화차의 해외 충돌안전 기준의 만족을 위해서는 차체 구조보강 설계 및 탱크 방호설계 수준을 향상시킬 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this study is to evaluate the structural risk and weakness of a railway tank car through nonlinear collision analysis according to overseas collision safety standards. The goal is to propose a crash safety design guideline for railway tank cars for transporting dangerous goods in Korea. We analyzed the buffer impact test procedure of railway freight cars prescribed in EN 12663-2 and the tank puncture test criteria prescribed in 49CFR179. A nonlinear finite element model according to each standard was modeled using LS-DYNA, a commercial finite element analysis solver. As a result of the buffing impact test simulation, it was predicted that plastic deformation would not occur at a collision speed of 6 km/h or less. However, plastic deformation was detected at the rear of the center sill and at the tank center supporting the structure at a collision speed of 8 km/h or more. As a result of a head-on test simulation of tank puncture, the outer tank shell was destroyed at the corner of the tank head when 4% of the kinetic energy of the impacter was absorbed. The tank shell was destroyed in the area of contact with the impacter in the test mode analysis of tank shell puncture when the kinetic energy of the moving vehicle was reduced by 30%. Therefore, the simulation results of the puncture test show that fracture at the tank shell and leakage of the internal material is expected. Consequently, protection and structural design reinforcement are required on railway tank cars in Korea.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Buffing impact test scenario(EN12663-1)
그림 Fig. 2. Tank puncture test scenario(49CFR179) (a) Head on puncture test (b) Shell puncture test
그림 Fig. 3. Railway tank car FE model
그림 Fig. 4. Strain-Stress curve for railway tankcar model[8-11]
그림 Fig. 5. Coupler characteristics for freight car[13]
표 Table 1. Railway tank car FE model detail
그림 Fig. 6. Result of tank car structural analysis (compressive loadcase/Von Mises stress)
그림 Fig. 7. Buffing test simulation FE model
그림 Fig. 8. Buffing test simulation result(Plastic strain) (a) v=6 kph, (b) v=8 kph, (c) v=10 kph, (d) v=12 kph
그림 Fig. 9. Coupler (a)displacement and (b)force result
표 Table 2. Mass of Buffing test model
그림 Fig. 10. Head on puncture test simulation FE model
그림 Fig. 11. Indenter FE model(12x12 inch.)[7]
그림 Fig. 12. Head on puncture test simulation result (a) t=0ms, (b) t=30ms, (c) t=60ms, (d) t=90ms
표 Table 3. Mass of Head on puncture model
표 Table 4. Mass of Shell puncture model(Half model)
그림 Fig. 13. Tank head deformed shape(Plastic strain)
그림 Fig. 14. Indenter (a)velocity and (b)contact force
그림 Fig. 15. Shell puncture test simulation FE model
그림 Fig. 16. Shell puncture test simulation result (a) t=0ms, (b) t=50ms, (c) t=100ms, (d) t=150ms
그림 Fig. 17. Tank shell deformed shape(Plastic strain)
그림 Fig. 18. Indenter (a)velocity and (b)contact force

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 해외 화차 충돌안전 기준을 기반으로 국내 유류운송용 탱크화차의 비선형충돌해석을 수행하였으며, 설계 보강 가이드라인 제안을 위한 충돌 및 탈선사고시 취약부를 분석하였다. 해외 충돌안전 규정의 만족을 위해서는 국내 탱크화차의 충돌안전설계수준의 상향화가 요구되며, 충돌해석으로부터 도출된 본 연구의 주요 결론은 아래와 같다.
본 연구의 목적은 국내 위험물 운송용 탱크화차의 충돌안전 설계 가이드라인 제안을 위해 충돌해석을 통해 위험성을 평가하고, 현재 탱크화차의 취약부분을 분석하는데 있다. 유럽의 EN 12663-2[6]에서 규정한 화차의 완충시험(Buffing impact test)와 북미 49CFR Part179[7]에서 규정하고 있는 탱크 펑크시험(Tank puncture test) 기준을 기반으로 국내 유류 운송용 탱크 화차 모델을 이용하여 비선형충돌해석을 수행하였으며, 충돌 및 탈선사고시 탱크화차의 취약부를 해석결과를 통해 도출하였다.
유한요소 모델의 검증하기 위해 화차의 압축강도 만족 여부 확인을 위한 정적 구조해석을 수행하였다. 유한요소 모델의 실험적 검증이 가장 정확하지만, 철도차량과 같이 거대 구조물의 실험은 시간 및 경제적 노력이 과대하게 필요하여 본 연구에서는 화차의 압축하중인 2,000 kN에 대해 유한요소 모델 만족여부에 대한 검증을 수행하였다.

가설 설정

[7] 백업차량은 차량 중량을 적용하여 3D 솔리드 요소(Solid element)로 간소화하여 모델링하였으며 각 차량 및 충격체의 중량은 Table 3과 같다. 피충돌차량과 백업차량의 서로 다른 제동상태를 구현하기 위해 Fig. 10과 같이 바닥 강체벽을 서로 다르게 모델링하였으며, 피충돌차량의 마찰계수는 0, 백업차량의 마찰계수는 제동상황을 가정하여 0.35로 설정하였다.[3] 피충돌차량과 백업차량은 Fig.

제안 방법

35로 설정하였다.[3] 피충돌차량과 백업차량은 Fig.5와 같은 특성을 갖는 연결기 완충기모델을 적용하였으며, 충격체의 충돌속도는 29 km/h로 설정하였다[7].
15 및 Table 4와 같이 대칭(Symmetric) 조건을 갖는 하프모델을 모델링하였다. 두부 충돌해석 모델과 동일하게 내부는 80%를 SPH 요소를 사용하여 채운 상태로 모델링하였으며, 동일 충격체 모델을 사용하였다. 탱크화차 모델의 충격부 반대편은 강 체벽으로 모델링하여 탱크가 강체벽에 접촉(Contact)할수 있도록 모델링하였다.
두부 펑크시험을 위해 Fig. 10과 같이 충격체, 피충돌차량 및 백업차량을 모델링하였다. 충격체는 Fig.
2와 같이 두부 펑크시험(Head on puncture test)와 측면 펑크시험(Shell puncture test) 로 나뉘며, 충격체가 탱크에 직접 충돌한 후 탱크의 누설 여부를 판단한다. 북미에서 운행하는 철도차량 탱크화차는 운반 물질에 따라서 압력용기용, 비압력용기용, 극초저온용 탱크화차로 나뉘지만, 본 연구에서는 국내에서 운영하고 있는 유류 운반용 탱크화차와 조건과 유사한 비 압력용기형 탱크화차(DOT-117P) 기준으로 규격을 분석하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
4와 같이 탱크화차 모델에 적용하였으다. 비선형 재료 모델은 LS-DYNA의 *MAT_ PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY 키워드를 사용하여 모델링하였으며[12], 재료의 소성변형량 한계를 넘어선 후 파괴되도록 설정하였다. 탱크화차에 장착되는 중앙연결기용 완충장치의 특성은 Fig.
1과 같이 충돌차량은 80 ton의 중량으로 속도 최대적재량을 적재한 피충돌차량에 충돌한다. 예비시험으로 충돌속도를 점진적으로 12 km/h까지 증가시키면서 완충기의 최대하중이 1,500 kN을 초과하는지 확인한다. 이때 완충기의 최대하중량은 완충 특성에 따라 한계치를 다르게 적용할 수 있다.
5와 같이 화차용 완충기 특성을 모델에 적용하였다[13]. 완충기 모델은 *MAT_GENERAL_NONLI -NEAR_1DOF_DISCRETE_BEAM 키워드를 사용하여 비선형 특성을 반영하였다[12].
이때 완충기의 최대하중량은 완충 특성에 따라 한계치를 다르게 적용할 수 있다. 완충기의 최대하중을 초과하지 않는 충돌속도를 선정하여 40번의 동일한 본실험을 수행한다. 충돌시험동안 눈에띄는 차체의 변형이 발생하지 않아야 하며, 고정부품의 탈락으로 인한 가속도의 급격한 변화가 발생하지 않아야 한다.
본 연구의 목적은 국내 위험물 운송용 탱크화차의 충돌안전 설계 가이드라인 제안을 위해 충돌해석을 통해 위험성을 평가하고, 현재 탱크화차의 취약부분을 분석하는데 있다. 유럽의 EN 12663-2[6]에서 규정한 화차의 완충시험(Buffing impact test)와 북미 49CFR Part179[7]에서 규정하고 있는 탱크 펑크시험(Tank puncture test) 기준을 기반으로 국내 유류 운송용 탱크 화차 모델을 이용하여 비선형충돌해석을 수행하였으며, 충돌 및 탈선사고시 탱크화차의 취약부를 해석결과를 통해 도출하였다.
유한요소 모델의 검증하기 위해 화차의 압축강도 만족 여부 확인을 위한 정적 구조해석을 수행하였다. 유한요소 모델의 실험적 검증이 가장 정확하지만, 철도차량과 같이 거대 구조물의 실험은 시간 및 경제적 노력이 과대하게 필요하여 본 연구에서는 화차의 압축하중인 2,000 kN에 대해 유한요소 모델 만족여부에 대한 검증을 수행하였다.
3과 같다. 차체 및 탱크의 요소크기는 25 mm로 2D 쉘요소(Shell element)로 모델링 하였으며, 모델의 정확도를 높이기 위해 TRIA3 요소를 최소화하고, QUAD4 요소를 사용하였다. 중앙연결기는 1D 빔요소(Beam element)를 사용하여 모델링하였으며, 본 모델에 사용된 총 질점 및 요소의 개수는 Table 1과 같다.
측면 펑크해석을 위해 Fig. 15 및 Table 4와 같이 대칭(Symmetric) 조건을 갖는 하프모델을 모델링하였다. 두부 충돌해석 모델과 동일하게 내부는 80%를 SPH 요소를 사용하여 채운 상태로 모델링하였으며, 동일 충격체 모델을 사용하였다.
두부 충돌해석 모델과 동일하게 내부는 80%를 SPH 요소를 사용하여 채운 상태로 모델링하였으며, 동일 충격체 모델을 사용하였다. 탱크화차 모델의 충격부 반대편은 강 체벽으로 모델링하여 탱크가 강체벽에 접촉(Contact)할수 있도록 모델링하였다.
비선형 재료 모델은 LS-DYNA의 *MAT_ PIECEWISE_LINEAR_ PLASTICITY 키워드를 사용하여 모델링하였으며[12], 재료의 소성변형량 한계를 넘어선 후 파괴되도록 설정하였다. 탱크화차에 장착되는 중앙연결기용 완충장치의 특성은 Fig. 5와 같이 화차용 완충기 특성을 모델에 적용하였다[13]. 완충기 모델은 *MAT_GENERAL_NONLI -NEAR_1DOF_DISCRETE_BEAM 키워드를 사용하여 비선형 특성을 반영하였다[12].
11과 같이 49CFR179에서 제시한 12 x 12인치 사각형 형상의 충격체로 요소크기는 10 mm의 2D Shell 요소를 사용하여 강체모델로 모델링하였다. 피충돌차량은 탱크화차 모델 내부에 물이 적재된 상태를 모사하기 위해서 SPH(Smooth Particle Hydraulic) 요소를 사용하여 80%를 채운 상태로 모델링하였다.[7] 백업차량은 차량 중량을 적용하여 3D 솔리드 요소(Solid element)로 간소화하여 모델링하였으며 각 차량 및 충격체의 중량은 Table 3과 같다.

대상 데이터

7과 같이 탱크화차 모델을 이용하여 충돌차량과 피충돌 차량을 모델링하였다. EN12663-2 규격에 따라서 충돌차량은 80 ton으로 모델링하였으며[7], 피충돌차량은 유류 탱크화차의 최대 하중인 50 ton으로 모델링하였다. 충돌차량은 6, 8, 10, 12 km/h의 충돌속도로 피충돌차량에 충돌하고, 중앙연결기를 통해 피충돌차량에 하중을 전달하게된다.
완충시험 해석을 위해 Fig. 7과 같이 탱크화차 모델을 이용하여 충돌차량과 피충돌 차량을 모델링하였다. EN12663-2 규격에 따라서 충돌차량은 80 ton으로 모델링하였으며[7], 피충돌차량은 유류 탱크화차의 최대 하중인 50 ton으로 모델링하였다.
탱크화차의 충돌해석을 위하여 국내에서 운영 중인 유류 운반용 탱크화차를 대상으로 유한요소모델링을 수행 하였다. 차체 유한요소 모델은 총 37 파트로 구성하여 Fig. 3과 같다. 차체 및 탱크의 요소크기는 25 mm로 2D 쉘요소(Shell element)로 모델링 하였으며, 모델의 정확도를 높이기 위해 TRIA3 요소를 최소화하고, QUAD4 요소를 사용하였다.
10과 같이 충격체, 피충돌차량 및 백업차량을 모델링하였다. 충격체는 Fig. 11과 같이 49CFR179에서 제시한 12 x 12인치 사각형 형상의 충격체로 요소크기는 10 mm의 2D Shell 요소를 사용하여 강체모델로 모델링하였다. 피충돌차량은 탱크화차 모델 내부에 물이 적재된 상태를 모사하기 위해서 SPH(Smooth Particle Hydraulic) 요소를 사용하여 80%를 채운 상태로 모델링하였다.
탱크화차의 차체 구조부는 SS400, SM490, SM490A 와 같은 구조용 강재가 사용되며, 탱크부는 고강도 망간 합금강인 SMA41(ASTM A441) 재료가 사용된다. 기존 문헌을 참고하여 해당 재료의 응력-변형율 선도[8-11]를 Fig.
탱크화차의 충돌해석을 위하여 국내에서 운영 중인 유류 운반용 탱크화차를 대상으로 유한요소모델링을 수행 하였다. 차체 유한요소 모델은 총 37 파트로 구성하여 Fig.

성능/효과

둘째, 북미 49CFR179 법규에서 규정한 탱크 펑크시험 규격에 따른 충돌해석결과 두부 및 측면 충돌해석 모두 탱크 외벽의 파손으로 인한 적재물 누출이 예상되었다. 두부 충돌해석에서는 탱크 손상시 충격체의 운동에너지가 4 % 감소한 상태였으며, 측면 충돌해석에서는 30% 감소한 상태로 충분한 양의 충돌에너지를 흡수하지 못한 것으로 예측되었다.
둘째, 북미 49CFR179 법규에서 규정한 탱크 펑크시험 규격에 따른 충돌해석결과 두부 및 측면 충돌해석 모두 탱크 외벽의 파손으로 인한 적재물 누출이 예상되었다. 두부 충돌해석에서는 탱크 손상시 충격체의 운동에너지가 4 % 감소한 상태였으며, 측면 충돌해석에서는 30% 감소한 상태로 충분한 양의 충돌에너지를 흡수하지 못한 것으로 예측되었다.
9와 같다. 연결기의 하중 및 변위량이 6 km/h 이상의 충돌속도에서 모두 완충기의 한계량을 초과하는 것을 확인할 수 있었으며, 차체 압축하중 보다 높은 하중이 차체에 전달되었음을 확인할 수 있었다. 다만, 피충돌 차량이 비제동 조건에서 시험이 진행되므로 전달된 하중은 피충돌차량의 운동으로 분산되어 작용하였으므로 차체의 변형에 미치는 양이 줄어든 것으로 판단된다.
첫째, 유럽 EN 12663-2 규격의 화차 완충시험규격에 따른 충돌해석결과 중앙연결기를 통한 하중 전달로 차체의 소성변형이 발생할 것으로 예측되었다. 충돌속도 6 km/h 상황에서는 차체의 소성변형이 예측되지 않았지만, 8 km/h 상황에서부터 센터실 후방에 소성변형이 발생하였으며, 10 km/h부터는 탱크 중앙 지지부에도 소성 변형이 예측되었다.
해석결과 Fig. 16 및 17과 같이 75 ms부터 탱크 측면 쉘의 파괴가 시작되었으며, 100 ms 이후에는 중앙부가 충격체 단면모양으로 완전히 파괴되어 충격체가 탱크 내부로 침범하였다. Fig.
해석결과 충돌속도 12 km/h까지 탱크의 변형은 발생 하지 않을 것으로 예측되지만, 언더프레임 차체의 손상이 예상되었다. Fig.

참고문헌 (13)

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LSTC, LS-DYNA Theory manual, Livermore Software Technology Corporation, Michigan, 2015.
DMSR Website, Couplers for Passenger cars, Freight cars[Internet], Available From: http://www.dmsr.co.kr/ (accessed Oct. 15, 2020)

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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