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제안 방법
- 5) 상용 비선형 유한요소 프로그램을 이용한 특성 예측과 시제품에 대한 시험을 통하여 설계 요 구 조건을 만족시켜 주는 공기스프링의 주요 설계 변수를 결정하였다.
- 고무 물성 변화의 영향을 알아보기 위하여 두 가지 다른 고무 재료의 물성을 이용하여 수직지지하중 해석을 수행하였다. Table 1에서 보는 바와 같이 고무의 경도가 10° 정도 차이가 나도 수직지지하중에는 거의 변화가 없음을 알 수 있다.
- 공기스프링의 특성 시험은 50톤 용량의 구조물용 피로시험기에서 실시하였으며, 보조 공기통을 설치하고 시험하였다. 수평강성시험에서는, 상대 운동면의 마찰력을 최소화하여 측정값의 정확도 를 높이기 위하여 직선운동볼베어링을 이용하였다.
- 1에서와 같은 형상을 지닌 전동차에 흔히 사용되는 벨로우즈형 공기스프링을 연구 대상으로 하였으며, 주요 특성은 수직지지하중, 수직 및 수평방향 강성 등이다 여러가지 해석 및 시험 등을 통하여 설계 변수의 영향을 규명하고 최종적으로 요구되는 특성을 맞추어 내게 된다. 공기스프링의 특성에 영향을 주는 주요 변수는 아래와 같으며 본 연구에서 이들의 영향을 유한요소 해석곽 실제 시험을 통하여 검토하였다.
- 공기스프링의 시험 방법은 KSR 4001(1985) 및 일본 JRS 17304-1에 규정되어 있다. 기본적인 시험 항목에는 압력시험, 기밀시험, 신축시험, 팽창시험, 고무재료시험, 박리시험, 파괴시험, 및 피 로시험 등이 있으며, 본 논문에서는 특성에 관계되는 시험인 공기압력 변화에 따른 수직지지하중 과 수직 및 수평 방향의 정 . 동직 강성 측정시험을 실시하였다.
- 본 논문에서는 비선형 유한요소해석 프로그램인 MARC[4]와 ABAQUS[5]를 이용하여 고무벨로우 즈의 형상과 코드각도 변화에 따른 수직지지하중, 수직 및 수평방향 정 . 동적 강성특성을 예측하였으며, 실제 시제품 제작과 시험을 통하여 여러가지 설계 변수 변화에 따른 특성을 비교 . 평가 하여, 최종적으로 설계 요구조건에 맞는 공기스프링의 주요 설계 변수를 결정하였다.
- 기본적인 시험 항목에는 압력시험, 기밀시험, 신축시험, 팽창시험, 고무재료시험, 박리시험, 파괴시험, 및 피 로시험 등이 있으며, 본 논문에서는 특성에 관계되는 시험인 공기압력 변화에 따른 수직지지하중 과 수직 및 수평 방향의 정 . 동직 강성 측정시험을 실시하였다.
- 3의 값을 사용하였다. 벨로우즈의 보강코드 각도는 중심축을 기준으로 10°에서 30°까지 변화시켰으며, 상판과 하판에 장착되는 bead wire 부위는 일반적인 철강재료로 모델링하였다.
- 본 논문에서는 Fig. 1에서와 같은 형상을 지닌 전동차에 흔히 사용되는 벨로우즈형 공기스프링을 연구 대상으로 하였으며, 주요 특성은 수직지지하중, 수직 및 수평방향 강성 등이다 여러가지 해석 및 시험 등을 통하여 설계 변수의 영향을 규명하고 최종적으로 요구되는 특성을 맞추어 내게 된다. 공기스프링의 특성에 영향을 주는 주요 변수는 아래와 같으며 본 연구에서 이들의 영향을 유한요소 해석곽 실제 시험을 통하여 검토하였다.
- 본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 수행하여 수직지지하중, 수직 및 수평방향 강성 등 공기 스프링의 특성을 예측하였으며, 실제 시제품 제작과 시험을 통하여 여러가지 설계 변수 변화에 따른 특성을 비교 . 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 공기스프링의 특성 시험은 50톤 용량의 구조물용 피로시험기에서 실시하였으며, 보조 공기통을 설치하고 시험하였다. 수평강성시험에서는, 상대 운동면의 마찰력을 최소화하여 측정값의 정확도 를 높이기 위하여 직선운동볼베어링을 이용하였다. Fig.
- 보강코드는 축대칭 rebar 요소(axisymmetric rebar element}로 모델링하였으며 요소 수는 570개, 절점수는 530개이다. 수평방향 변형 해석은 2차원 축대칭 요소의 사용이 불가능하여 3차원 셸 요소를 이용하여 모델링하였다. Fig.
- 17과 18은 상판과 고무벨로우즈 제작을 위한 금형의 모습을 보여준다. 시제품은 벨로우즈의 단면길이와 코드의 직경과 각도를 각각 다르게 제작하였다. Table 4에 각 시제품의 특징과 3 kg/cm2 하에서의 수직지지하중 측정값을 보여준다.
- 앞의 해석 결과로부터 고무 재료의 물성 변화 및 코드의 탄성계수, 직경 및 각도 변 화만으로는 공기스프링의 수직지지하중 값을 크게 변화시킬 수 없음을 알았으며, 요구되는 수직지지하중 값을 만족시키기에는 374 mm 7502 kg 한계가 있음이 드러났다. 좀 더 큰 수직지지하중의 변화를 위해서 공기스프링 벨로 우즈의 기하학적 형상, 즉 단면길이를 변화 시키는 방안을 고려하여 해석을 수행하였다. 단, 형상 변화의 제한조건으로서는 고무 벌로우즈의 초기 금형을 활용할 수 있는 방법을 택하였다.
- 동적 강성특성을 예측하였으며, 실제 시제품 제작과 시험을 통하여 여러가지 설계 변수 변화에 따른 특성을 비교 . 평가 하여, 최종적으로 설계 요구조건에 맞는 공기스프링의 주요 설계 변수를 결정하였다.
대상 데이터
- 동적 강성이 각각 13. 7 kg/mm, 19.3 kg/mm로서 설계 요구조건을 만족시켜 주었다. Fig.
- 공기스프링의 특성에 큰 영향을 끼치는 고무벨로우즈는 나일론수지재질의 코드를 4층 접합시켰으며, 각 층 사이에 얇은 고무판을 삽입하여 성형하였다. 내층과 외층은 NR과 CR이 흔합된 고무 재질을 사용하였다. 고무벨로우즈는 처음에 원통형 형상으 로부터 부풀어짐에 따라 원형 단면에 가까운 성형 후의 모습이 되며 초기 코드각도에 비해 성형 후의 각도는 상당히 커지게 된다.
- 고무 엘로우즈는 해석시간 단축 및 해석의 용이를 위하여 수직방향 변 형-해석 시에는 2차원 축대칭 요소로 모델링하였으며, 요소 형태는 full-Herrmann formulation quad 82(node 4)을 사용하였다. 보강코드는 축대칭 rebar 요소(axisymmetric rebar element}로 모델링하였으며 요소 수는 570개, 절점수는 530개이다. 수평방향 변형 해석은 2차원 축대칭 요소의 사용이 불가능하여 3차원 셸 요소를 이용하여 모델링하였다.
- 벨로우즈의 비선형 재료상수는 인장, 압축 및 전단 시험을 통하여 구한 응력-변형률 선도를 커 브피팅하여 결정하였으며, 3항 Ogden 상수를 이용하였다(2). 보강코드의 재질은 나일론 수지로서 탄성계수는 186 kg/mm2 이며 포와송의 비는 0.3의 값을 사용하였다. 벨로우즈의 보강코드 각도는 중심축을 기준으로 10°에서 30°까지 변화시켰으며, 상판과 하판에 장착되는 bead wire 부위는 일반적인 철강재료로 모델링하였다.
- 공기스프링온 코드로 강화된 고무벨로우즈에 채워진 공기 압력을 이용하여 하중을 지지하고 진동을 감쇠시켜 준다. 주요 세부 구성부품은 상판, 고무벨 로우즈, 하판, 보조 고무스프링(Stopper)둥이다. 고무벨로우즈의 내부에는 고무보다 탄성계수가 훨썬 큰 보강코드가 삽입되어 있는 복합재료 형태를 띠고 있으며, 고무충과 보강코드로 인하여 이방성과 비선형성을 갖게 된다.
이론/모형
- 고무벨로우즈의 내층과 외충은 NR과 CIS] 혼합된 고무 층이며, 중간에는 나일론 보강코드 4겹 (4 ply)이 접착되어 있다. 고무 엘로우즈는 해석시간 단축 및 해석의 용이를 위하여 수직방향 변 형-해석 시에는 2차원 축대칭 요소로 모델링하였으며, 요소 형태는 full-Herrmann formulation quad 82(node 4)을 사용하였다. 보강코드는 축대칭 rebar 요소(axisymmetric rebar element}로 모델링하였으며 요소 수는 570개, 절점수는 530개이다.
- 벨로우즈의 비선형 재료상수는 인장, 압축 및 전단 시험을 통하여 구한 응력-변형률 선도를 커 브피팅하여 결정하였으며, 3항 Ogden 상수를 이용하였다(2). 보강코드의 재질은 나일론 수지로서 탄성계수는 186 kg/mm2 이며 포와송의 비는 0.
- 본 논문에서는 비선형 유한요소해석 프로그램인 MARC[4]와 ABAQUS[5]를 이용하여 고무벨로우 즈의 형상과 코드각도 변화에 따른 수직지지하중, 수직 및 수평방향 정 . 동적 강성특성을 예측하였으며, 실제 시제품 제작과 시험을 통하여 여러가지 설계 변수 변화에 따른 특성을 비교 .
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