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문제 정의
- 본 절에서는 KHST 동력차가 110 ㎞/h로 15 ton 트럭과 정면충돌 및 off-set 충돌을 하였을 때 어떠한 거동을 보이는지 수치해석적으로 평가하였다. 유한요소모델은 20, 694개의 솔리드 요소, 305, 566개의 쉘 요소, 68개의 beam 요소 그리고, 8개의 bar 요소로 구성되어 있으며, 전체 절점수는 317, 352개이다.
제안 방법
- KHSTJ'NL, KHST.IPV 전두부에 운전자인 dummy를 탑재하였을 때 어떠한 거동이 발생하는 지 SNCF 충돌사고 시나리오 하에서 충돌해석하였다. Fig.
- KHST_IPV의 동력차, 동력객차, 객차 등 3량을 편성하여 3차원 쉘 모델로 연쇄 충돌하는 해석을 수행하고, 충돌시 차량간 연결구조에 발생하는 충격 변형도를 평가하였다. 해석모델은 유한요 소 반쪽 모델로 동력차, 동력객차, 객차의 기하학적인 형상, 하중, 경계조건 등이 대칭임이 고려되어 생성되었는데, 평균격자크기 35 mm인 15, 844개의 솔리드 요소, 341, 4涕개의 쉘 요소로 구성되 고, 전체 절점 수는 306, 428개이다.
- 아울러 KTX 전두부와도 비교하고, 동력차 전체 모델을 사용하여 해석한 결과와 일치하는지도 검토하였다. 또한, KHST 동력차가 실제 15 ton 트럭과 정면 및 off-set 충돌할 때 어떠한 거동을 보이는지 해석하여 타당성을 평가하였고, KHST 전두부에 운전 자인 dummy를 탑재하였을 때 어떠한 거동을 보이는지를 충돌 해석하여 최종 설계에 대한 운전 자의 안전도를 평가하였다. 최종적으로, 30 kph 정면 충돌사고 시나리오 하에서 3차원 쉘 모델인 KHST 동력차, 동력객차, 객차 둥 3량 편성에 대하여 연쇄 충돌하는 해석을 수행하고, 충돌 시 차 량간 연결구조의 안전성을 평가하였다.
- 먼저 한국형 고속 전철 KHST 전두부가 110 ㎞/h 속도로 15 ton 장애물과 충돌하는 SNCF 충 돌사고 시나리오를 적용하여 충격에너지 홉수와 운전실 압괴 거동을 평가하였다. 충돌해석에는 충 돌전용 소프트웨어인 PAMCRASH[가를 사용하였는데, 요소의 평균 격자 크기는 35 mm 정도이 고, 전두부 자체 질량울 제외한 동력차의 나머지 질량을 전두부 후반부에 집중질량으로 처리하였 다 ⑻.
- 이것의 충돌 에너지 흡수성능을 평가한 후, 문제점을 개선하여 제안한 동력차 전두부(KHST_ IPV)에 대하여 충돌 에너지 흡수 성능을 평가하였다. 아울러 KTX 전두부와도 비교하고, 동력차 전체 모델을 사용하여 해석한 결과와 일치하는지도 검토하였다. 또한, KHST 동력차가 실제 15 ton 트럭과 정면 및 off-set 충돌할 때 어떠한 거동을 보이는지 해석하여 타당성을 평가하였고, KHST 전두부에 운전 자인 dummy를 탑재하였을 때 어떠한 거동을 보이는지를 충돌 해석하여 최종 설계에 대한 운전 자의 안전도를 평가하였다.
- 이러한 특성에 맞추어 충돌안전도 관점에서 제시된 전두부 모델(KHST_DT)은 여러가지 원 인으로 최종 시제 제작과정에서 동력차 전두부(KHST_FNL)로 변경되었다. 이것의 충돌 에너지 흡수성능을 평가한 후, 문제점을 개선하여 제안한 동력차 전두부(KHST_ IPV)에 대하여 충돌 에너지 흡수 성능을 평가하였다. 아울러 KTX 전두부와도 비교하고, 동력차 전체 모델을 사용하여 해석한 결과와 일치하는지도 검토하였다.
- 또한, KHST 동력차가 실제 15 ton 트럭과 정면 및 off-set 충돌할 때 어떠한 거동을 보이는지 해석하여 타당성을 평가하였고, KHST 전두부에 운전 자인 dummy를 탑재하였을 때 어떠한 거동을 보이는지를 충돌 해석하여 최종 설계에 대한 운전 자의 안전도를 평가하였다. 최종적으로, 30 kph 정면 충돌사고 시나리오 하에서 3차원 쉘 모델인 KHST 동력차, 동력객차, 객차 둥 3량 편성에 대하여 연쇄 충돌하는 해석을 수행하고, 충돌 시 차 량간 연결구조의 안전성을 평가하였다.
- 먼저 한국형 고속 전철 KHST 전두부가 110 ㎞/h 속도로 15 ton 장애물과 충돌하는 SNCF 충 돌사고 시나리오를 적용하여 충격에너지 홉수와 운전실 압괴 거동을 평가하였다. 충돌해석에는 충 돌전용 소프트웨어인 PAMCRASH[가를 사용하였는데, 요소의 평균 격자 크기는 35 mm 정도이 고, 전두부 자체 질량울 제외한 동력차의 나머지 질량을 전두부 후반부에 집중질량으로 처리하였 다 ⑻.
대상 데이터
- IPV 전두부에 운전자인 dummy를 탑재하였을 때 어떠한 거동이 발생하는 지 SNCF 충돌사고 시나리오 하에서 충돌해석하였다. Fig. 10은 해석에 사용된 유한요소 반쪽모델 로, 솔리드 요소 10, 147개, 쉘 요소 47, 719개, bar 31개로 구성하였으며, 전체 절점수는 58, 986개이다. 충돌 후 100 msec, 120 msec에서 압괴거동과 상당 소성변형도를 보면, KHSTJPV 모델은 하 니컴과 헤드스톡이 순차적으로 압괴가 되며 운전실이 보호되어 운전자에게 큰 부상을 입히지 않 음을 알 수 있다.
- KHST 동력차 전체 모델을 충돌해석하여 전두부만을 해석한 결과와 비교하였다. 동력차 전체 모델은 10, 147개의 솔리드 요소, 143J82개의 쉘 요소, 4개의 bar 요소로 구성되어 있으며, 전체 절 점수는 150, 205개이다. 또한, 기하학적인 형상, 경계조건, 하중 등이 대칭임을 고려한 유한요소 반 쪽모델로서, 평균격자 크기는 35 mm이다.
- 본 절에서는 KHST 동력차가 110 ㎞/h로 15 ton 트럭과 정면충돌 및 off-set 충돌을 하였을 때 어떠한 거동을 보이는지 수치해석적으로 평가하였다. 유한요소모델은 20, 694개의 솔리드 요소, 305, 566개의 쉘 요소, 68개의 beam 요소 그리고, 8개의 bar 요소로 구성되어 있으며, 전체 절점수는 317, 352개이다. Fig.
- KHST_IPV의 동력차, 동력객차, 객차 등 3량을 편성하여 3차원 쉘 모델로 연쇄 충돌하는 해석을 수행하고, 충돌시 차량간 연결구조에 발생하는 충격 변형도를 평가하였다. 해석모델은 유한요 소 반쪽 모델로 동력차, 동력객차, 객차의 기하학적인 형상, 하중, 경계조건 등이 대칭임이 고려되어 생성되었는데, 평균격자크기 35 mm인 15, 844개의 솔리드 요소, 341, 4涕개의 쉘 요소로 구성되 고, 전체 절점 수는 306, 428개이다. Fig.
데이터처리
- KHST 동력차 전체 모델을 충돌해석하여 전두부만을 해석한 결과와 비교하였다. 동력차 전체 모델은 10, 147개의 솔리드 요소, 143J82개의 쉘 요소, 4개의 bar 요소로 구성되어 있으며, 전체 절 점수는 150, 205개이다.
성능/효과
- 15 ton 트럭과의 정면 및 off-set 충들 조건을 해석하여 층돌시 실제 상황의 안전도를 평가하 였는데, 설계 생성시 가이드 라인으로 사용한 동력차를 강체벽에 충돌시켰을 때와 비슷한 거동을 나타내며, 하니컴과 헤드스록이 순차적으로 압괴되고 운전자 생존공간이 확보되어 충돌안전도 관 점에서 양호한 특성을 보여주었다.
- 동력차, 동력객차, 객차 둥 3량 편성 모델을 사용하여 연쇄 충돌해석을 수행하였는데 30 ㎞/h 로 정면충돌하는 경우에 당초 설계에서 의도한 대로 하니컴과 헤드스톡이 순차적으로 압괴가 되고 연결부위에 구조적 파손은 생기지 않는 것으로 나타났다.
- 5에 나타내었다. 전두부 모델의 평균압괴하중은 2, 601 kN이고, 전체 동력차 모델의 평균 압괴 하중은 2, 710 kN이었으며, 압괴거동 뿐만 아니라 충돌에너지 흡수, 충격럭 등에 큰 차이가 없었다. 따라서, 초기 설계 단계에서는 전두부만을 모델링하여 충돌안전도 해석과 설계에 활용하면 시간을 단축할 수 있어서 설계가 반복적으로 수정 보완되는 경우에 유리하다.
- 전두부만의 유한요소모델을 사용하여 충돌해석한 결과와 동력차 전체 유한요소 모델의 해석결과를 비교해 보면, 충돌 시 압괴거동 뿐만 아니라 충격력, 내부애너지 량 등에 큰 차이가 없음을 알 수 있었다. 그러므로, 초기 설계단계에서는 전두부만을 모델링하여 충둘해석 한 결과를 활용하 여도 무난한 것으로 판단되며, 이렇게 하면 해석시간을 단축할 수 있을 뿐만 아니라, 계속적인 설계 수정작업을 용이하게 할 수 있다.
- 10은 해석에 사용된 유한요소 반쪽모델 로, 솔리드 요소 10, 147개, 쉘 요소 47, 719개, bar 31개로 구성하였으며, 전체 절점수는 58, 986개이다. 충돌 후 100 msec, 120 msec에서 압괴거동과 상당 소성변형도를 보면, KHSTJPV 모델은 하 니컴과 헤드스톡이 순차적으로 압괴가 되며 운전실이 보호되어 운전자에게 큰 부상을 입히지 않 음을 알 수 있다. 그러나, KHST_FNL 모델의 경우 전두부가 충격력을 제대로 흡수하지 못하여 운전자의 다리가 상체로 을라가 위험을 초래할 수 있다.
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