[논문]탄성체를 이용한 궤간가변 대차용 윤축시스템의 접촉력 해석

이영주; 배대성; 김완구; 장승호; 한준석

[국내논문] 탄성체를 이용한 궤간가변 대차용 윤축시스템의 접촉력 해석
Contact Mechanics of Variable-Gauge Wheeles With Flexible Body 원문보기

이영주 (한양대학교 대학원생) , 배대성 (한양대학교) , 김완구 (Functionbay(주)) , 장승호 (한국철도기술연구원) , 한준석 (한국철도기술연구원)

Research interest on flexible body dynamics, has been increased recently. The major application areas are the auto-mobile, train, and heavy machinery. This paper attempted the dynamic analysis for the variable-gauge wheelset with a flexible body, to better understand the dynamic characteristics of the variable-gauge wheelset. In order to achieve this goal, a 3D-Virtual Mock-up model was built. The tendency of the stress and deformation for the flexible lever was investigated through component mode synthesis, contact mechanics and flexible body dynamics. This study is a pioneering work for the development of Korean type variable-gauge wheelset.

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문제 정의

독자적인 연구 개밭 및 기숱력 확보를 위한 연구가 필수적이다. 이에 2004년 궤간가변 메커니즘 연구을 시작하여 가변 대차와 선로의 수치 모델 및 접촉 모델을 개발하였고 궤간가변 시스템의 작동 원리 검증 및 궤간 가변 시 통과 속도에 따른 동응답 특성 변화를 연구하였다.
생성된 SCMe 다시 Normal mode에 더해져 탄성체의 접촉에 대한 모드를 얻었다. 본 연구에서는 잠김 레버의 형상으로 인한 매우 높은 주파수의 Xormal mode를 피하기 위하여 fixed-fixed Xormal mode보다 free-free Normal mode를 사용하여 50개의 모드를 얻었다. Static correction mode는 레버에 많은 접촉력이 가해지는 부분을 분석하여 레버의 앞부분을 고정하여 모드를 얻었다.
본 연구는 선행된 연구에서 얻어진 파라미터들을 바탕으로 하여 연구되었다. 더욱 신뢰성을 더 높이기 위해서는 물성치에 대한 정확한 정보 및 마찰계수에 대한 연구가 필수적이라 사료된다.

가설 설정

본 연구에서 질량은 Lunped mass로 가정 하였으며 탄성체의 변형과 변형률은 매우 작다는 가정을 전제로 하였다. 탄성체의 자유도 수가 거대하여 이를 통해 얻어지는 모드 형상 벡터 역시 많은 계산 시간을 요하게 된다.

제안 방법

이번 연구에서는 위의 연구룰 바탕으로 상용 프로그램인 RecurDyn을 이용하여 궤간가변 시스템의 일부분을 강세가 아닌 탄성체로 대체하여 해석하였다. CMS를 이용하여 탄성체의 거대한 자유도흘 좌표축의 변환으로 효율적으로 줄였으며 레버와 상호 작응하는 부분과의 접촉력 연구을 통해 레버의 변형 및 스트레스외 분포 및 경향을 파악하였다.
의 일부분을 강세가 아닌 탄성체로 대체하여 해석하였다. CMS를 이용하여 탄성체의 거대한 자유도흘 좌표축의 변환으로 효율적으로 줄였으며 레버와 상호 작응하는 부분과의 접촉력 연구을 통해 레버의 변형 및 스트레스외 분포 및 경향을 파악하였다.
탄성체의 자유도 수가 거대하여 이를 통해 얻어지는 모드 형상 벡터 역시 많은 계산 시간을 요하게 된다. 따라서 CMS를 사용하여 시스템에 높은 에너지 기여도를 깆는 낮은 주파수 영역만 사용하여 해석의 효율성을 고려하여 하였다.
탄성체의 잠김 레버와 강체인 다른 부품 간의 접촉모델을 CMS를 이용하여 구현하였다. 먼저 잠김 레버의 경게 조건에 따른 Normal mode를 생성하고, Contact node에 가해지는 접촉하중(Contact force)에 의한 Static correction mode(SCM)를 얻었다.
탄성체의 잠김 레버와 강체인 다른 부품 간의 접촉모델을 CMS를 이용하여 구현하였다. 먼저 잠김 레버의 경게 조건에 따른 Normal mode를 생성하고, Contact node에 가해지는 접촉하중(Contact force)에 의한 Static correction mode(SCM)를 얻었다. 생성된 SCMe 다시 Normal mode에 더해져 탄성체의 접촉에 대한 모드를 얻었다.
탄성체로 모델링 된 잠김 레버는 육면체 요소(Hexagonal Element)로 메쉬(Mesh)하여 14400개의 요소로 나누었다. 탄성체의 국부적으로 큰 하중이 가해질 경우 하중을 맡는 노드나 요소에서만 국부적인 변형이 발생하게 됨으로 이를 방지하기 위하여 RBE(Rigid Body Element)를 적용하였다.
탄성체의 국부적으로 큰 하중이 가해질 경우 하중을 맡는 노드나 요소에서만 국부적인 변형이 발생하게 됨으로 이를 방지하기 위하여 RBE(Rigid Body Element)를 적용하였다. 즉 잠김 레버는 접촉(Contact)에 의해 상대적으로 큰 하중을 받는 곳에서 그 요소들에서만 변형이 없는 강제요소처럼 거동하도록 하였다.-" data-after="→">→-" data-after="→">→
궤간가변의 윤축 시스템은 먼저 강체로 모델링 하였으며 한쪽 바퀴에 3개씩의 잠김 레버가 장착된다. 본 연구에서는 하나의 잠김 레버만 탄성체로 대체하였다. 이는 각 잠김 레버의 형상과 물성치가 모두 동일하며 동시에 동일한 메커니즘으로 작동하게 됨으로 하나의 레버만으로도 충분히 탄성체의 특성을 파악할 수 있기 때문이다.
본 연구에서 상옹 프로그잼인 RecM Dyn을 이옹하여 궤간가변 시스템의 잘김 레버를 강체에서 탄성체로 대체하여 해석하였다. 탄성체의 자유도를 줄이기 위하여 CMS흘 사용하였고 잠김 레버와 상호 작용하는 부풍과의 접촉력을 Contact Mechanics를 이용하여 해석하여 이륜 바탕으로 변형과 스트레스 분포 경향을 알아보았다.
대체하여 해석하였다. 탄성체의 자유도를 줄이기 위하여 CMS흘 사용하였고 잠김 레버와 상호 작용하는 부풍과의 접촉력을 Contact Mechanics를 이용하여 해석하여 이륜 바탕으로 변형과 스트레스 분포 경향을 알아보았다.

대상 데이터

Static correction mode는 레버에 많은 접촉력이 가해지는 부분을 분석하여 레버의 앞부분을 고정하여 모드를 얻었다. 사용한 모드의 선택기준은 관심 부분인 레버의 앞부분의 변형이 2자유도이므로 이를 기준으로 그 모드를 제외하여 해석한 경우와 선택한 경우와 비교하여 Normal mode와 Static correction mode의 합성으로 얻어진 모드 중에서 중 18개의 모드를 선별하였다. 시스템의 CMS를 적용한 고유치문제르 식 (3)과 같이 표현 할 수 있다.

이론/모형

탄성체로 모델링 된 잠김 레버는 육면체 요소(Hexagonal Element)로 메쉬(Mesh)하여 14400개의 요소로 나누었다. 탄성체의 국부적으로 큰 하중이 가해질 경우 하중을 맡는 노드나 요소에서만 국부적인 변형이 발생하게 됨으로 이를 방지하기 위하여 RBE(Rigid Body Element)를 적용하였다. 즉 잠김 레버는 접촉(Contact)에 의해 상대적으로 큰 하중을 받는 곳에서 그 요소들에서만 변형이 없는 강제요소처럼 거동하도록 하였다.

후속연구

본 연구는 선행된 연구에서 얻어진 파라미터들을 바탕으로 하여 연구되었다. 더욱 신뢰성을 더 높이기 위해서는 물성치에 대한 정확한 정보 및 마찰계수에 대한 연구가 필수적이라 사료된다.

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