선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 루프 구조물에의 신소재 복합재료를 적용하여 경량화를 이룬 예는 영국의 Turbostar, 독일의 Puma 고속전철 그리고 스위스의 RARe-520 열차 등의 많은 사례가 있다. 본 연구에서는 국내에서 개발하고 있는 샌드위치 복합 재 루프 구조물에 대한 설계검증을 통해 구조안전성을 평가한 후 시제품을 제작하므로 서 향후 양산에 대비한 독자기술을 확보하고자 한다.
- . 따라서, 본 절에서는 샌드위치 쉘 요소를 대신할 수 있는 3차원 모델링 기법에 대한 타당성 을 검증하였다. 비교 검증을 위한 대상은 길이 11, 445mm, 폭 1, 435mm 을 갖는 샌드위치 구조물이며 , 단면의 치수와 재료 물성은 표 1을 기준으로 하였다.
제안 방법
- 비교 검증을 위한 대상은 길이 11, 445mm, 폭 1, 435mm 을 갖는 샌드위치 구조물이며 , 단면의 치수와 재료 물성은 표 1을 기준으로 하였다. 모델링 기법의 타당성을 검증하고자 사용된 요소는 표 2와 같이 5 가지의 경우를 고려하였으며 , 질량과 강성을 모두 검증할 수 있는 고유진동수 해석을 통해 검 증하였다. 고유진동수 해석은 Block Lanczos 방법을 사용하였으며 , 10 개의 고유 진동수를 축출하여 비교 검토하였다.
- 경우 2와 3의 3차원 적층요소 (layered solid element) 는샌드위치 복합재가 갖는 굽힘과 전단에 대한 특성을 잘 모사하지 못해 적합하지 않음을 보이고 있다. 본 연구에서는 경우 5에 비해 계산시간이 적은 경우 4를 선정하여 모델링을 수행하였다 .
- 샌드위치 복합재루프 구조물에 대한 구조안전성은 표 4와 같이 고유진동수 해석 및 구조해석을 수행하여 평가하였다. 샌드위치 복합재루프 구조물에 삽입된 보강재들은 재질에 따른 특성을 검토하고자 알루미늄과 강재를 고려하였으며, 샌드위치 복합재루프와 중공 알루미늄 압출재 프레임과의 체결은 접촉요소 (contact element) 를 사용한 비선형 해석과 자유도 (degree of freedom) 를 공유하는 커플 구속 조건 (coupled set) 을 사용한 선형 해석을 수행하여 비교 검토하였다.
- 샌드위치 복합재루프 구조물에 대한 구조안전성은 표 4와 같이 고유진동수 해석 및 구조해석을 수행하여 평가하였다. 샌드위치 복합재루프 구조물에 삽입된 보강재들은 재질에 따른 특성을 검토하고자 알루미늄과 강재를 고려하였으며, 샌드위치 복합재루프와 중공 알루미늄 압출재 프레임과의 체결은 접촉요소 (contact element) 를 사용한 비선형 해석과 자유도 (degree of freedom) 를 공유하는 커플 구속 조건 (coupled set) 을 사용한 선형 해석을 수행하여 비교 검토하였다. 그림 5 는 샌드위치 복합재 루프 구조물에 대한 유한 요소 모델을 나타내고 있다.
- 그림 5 는 샌드위치 복합재 루프 구조물에 대한 유한 요소 모델을 나타내고 있다. 보강재와 중공 알루미늄 압출재 프레임은 쉘 요소를 사용하여 모델링하였고, 샌드위치 복합재는 쉘 요소(스킨) 와 솔리드 요소(코어) 를 사용하여 모델링하였다.
- 샌드위치 복합재루프 구조물의 고유진동수 해석은 표 4와 같이 4가지 경우 대해 수행하였고, 경계조건은 그림 6과 같이 중공 알루미늄 압출재 프레임 끝단을 단순 지지로 설정하였다. 고유진동수 해석 결과는 표5 와 같다.
- 본절에서는 설계가 완료된 샌드위치 복합재루프 구조물에 대한 구조해석을 수행하여 에어컨 시스템의 무게를 고려한 처짐과 응력해석을 도출하여 구조안 전성을 검토하였다. 해석은 표4에 나타냈듯이 4가지 경우를 고려하였다.
대상 데이터
- 설계 완료된 경량복합재 철도차량 루프 구조물의 3차원 형상은 그림 1과 같다. 형상의 치수는 차량마다 다르게 적용되겠지만, 본 연구에서는 경량전철에 적용하기 위해 길이는 11.45m, 폭은 1.76m로 설계하였다. 주 구조 (main structure) 는 알루미늄 스킨(skin) 과 알루미늄 하니컴코어 (aluminum honeycomb core) 으로 구성된 샌드위치 복합재 (sandwich composite) 로 구성되어 있으며, 샌드위치 구조 내부에 삽입된 보강재 (inner stiffener) 는 샌드위치 루프 구조물의 횡방향과 종방향 굽힘 강성을 보강시키기 위해서이고 , 엣지 보강재 (edge stiffener) 는 샌드위치 구조의 비틀림 강 성을 향상시키기 위해서이다.
- 따라서, 본 절에서는 샌드위치 쉘 요소를 대신할 수 있는 3차원 모델링 기법에 대한 타당성 을 검증하였다. 비교 검증을 위한 대상은 길이 11, 445mm, 폭 1, 435mm 을 갖는 샌드위치 구조물이며 , 단면의 치수와 재료 물성은 표 1을 기준으로 하였다. 모델링 기법의 타당성을 검증하고자 사용된 요소는 표 2와 같이 5 가지의 경우를 고려하였으며 , 질량과 강성을 모두 검증할 수 있는 고유진동수 해석을 통해 검 증하였다.
- 복합재루프 구조물과 중공 알루미늄 압출재 프레임 간의 체결 부위를 접촉 요소(contact element) 를 사용하였으며, 보강재의 재질은 알루미늄과 강재를 고려하였다. 유한요소 모델에서는 대칭 조건이므로 1/4만 고려하였다.
데이터처리
- 본 논문에서 샌드위치 복합재루프 구조물의 구조안전성 검증은 ANSYS V80 을 사용하여 수행하였다 . ANSYS 에서 샌드위치 복합재구조물의 해석은 8-노드 샌드위치 쉘 요소 (Sandwich shell element) 를 사용하는 것을 기본으로 하고 있다.
이론/모형
- 모델링 기법의 타당성을 검증하고자 사용된 요소는 표 2와 같이 5 가지의 경우를 고려하였으며 , 질량과 강성을 모두 검증할 수 있는 고유진동수 해석을 통해 검 증하였다. 고유진동수 해석은 Block Lanczos 방법을 사용하였으며 , 10 개의 고유 진동수를 축출하여 비교 검토하였다. 해석결과는 표 3과 같다.
성능/효과
- 고유진동수 해석 결과는 표5 와 같다. 결과에서 보듯이 10개의 고유 진동수를 축출한 결과 모두 굽힘 모드가 발생함을 알 수 있다. 단순지지된 루프 구조물의 고유진동수는 보강재의 재질에 따라 많은 차이가 있음을 알 수 있다.
- 처짐과 응력 측면에서도 알루미늄 보강재를 사용한 경우와 강재 보강재를 사용한 경우의결과 차이가 비교적 적어 무게 절감 효과를 고려한다면 알루미늄 보강재의 사용이 유리하다. 구조안전성 측면에서는 두 재질에 대한 해석 결과 강성과 강고 측면에 서 둘 다 안전한 것으로 확인되었다.
- 3.4.3 접촉 조건과 커플조건에 대한 해석 결과 비교 접촉 조건을 사용한 비선형 해석 결과에서의 처짐과 응력값은 커플조건을 사용한 경우에 비해 낮게 나타나는 경향을 보이고 있다. 이는 그림 10에서 보듯이 각각의 경계조건에 따라 체결부에서 변위에 대한 기울기가 다른 경향을 보이기 때문이다.
- (1) 알루미늄 샌드위치 복합재루프 구조물은 강성과 강도 측면에서 구조안전성을 충분히 확보한 것으로 판단된다. (2) 복합재루프 구조물의 고유진동수 해석 결과 보강재의 재질에 따라 공진에 대한 설계변수로 활용할 수 있음을 해석적으로 관찰하였다.
- (1) 알루미늄 샌드위치 복합재루프 구조물은 강성과 강도 측면에서 구조안전성을 충분히 확보한 것으로 판단된다. (2) 복합재루프 구조물의 고유진동수 해석 결과 보강재의 재질에 따라 공진에 대한 설계변수로 활용할 수 있음을 해석적으로 관찰하였다. 또한, 보강재 재질은 비틀림 모드보다는 굽힘 모드에 영향을 주는 것을 확인하였으며, 알루미늄 보강재를 사용한 경우의 굽힘 고 유진 동수가 강재보강재를 사용한 경우의 굽힘 고유진동수에 비해 큰 경향을 보였다 .
- (2) 복합재루프 구조물의 고유진동수 해석 결과 보강재의 재질에 따라 공진에 대한 설계변수로 활용할 수 있음을 해석적으로 관찰하였다. 또한, 보강재 재질은 비틀림 모드보다는 굽힘 모드에 영향을 주는 것을 확인하였으며, 알루미늄 보강재를 사용한 경우의 굽힘 고 유진 동수가 강재보강재를 사용한 경우의 굽힘 고유진동수에 비해 큰 경향을 보였다 . (3) 복합재 루프 구조물의 구조해석 결과 보강재 재질에 따라 처짐과 응력 값의 차이는 크지 않았다 .
- 또한, 보강재 재질은 비틀림 모드보다는 굽힘 모드에 영향을 주는 것을 확인하였으며, 알루미늄 보강재를 사용한 경우의 굽힘 고 유진 동수가 강재보강재를 사용한 경우의 굽힘 고유진동수에 비해 큰 경향을 보였다 . (3) 복합재 루프 구조물의 구조해석 결과 보강재 재질에 따라 처짐과 응력 값의 차이는 크지 않았다 . 이는 알루미 늄 보강재를 사용한 경우의 무게 절감 효과와 강재 보강재를 사용한 경우의 굽힘 강성 증가 효과가 구조 거동에 비슷한 영향을 주기 때문이라 사료된다.
- 따라서, 무게 절감 효과를 설계 우선 순 위로 선정할 경우 알루미늄 보강재의 사용이 추천된다. (4) 체결부위에 대한 조건을 접촉과 커플 조건으로 나누어 해석한 결과 , 고유진동수 해석에서는 큰 차이를 보이지 않았지만 , 구조 해석에서 는 차이를 보였다. 이는 고유진동수 해석에서는 접촉조건을 선형으로 가정하기 때문에 커플조건 과 큰 차이를 보이지 않은 것이다.
후속연구
- ANSYS 에서 샌드위치 복합재구조물의 해석은 8-노드 샌드위치 쉘 요소 (Sandwich shell element) 를 사용하는 것을 기본으로 하고 있다. 샌드위치 복합재 루프 구조물의 거동만을 평가하 고자 한다면 샌드위치 쉘 요소와 금속 보강재를 모사하기 위한 빔 요소만을 가지고 해석을 수행 할 수 있으나 , 본 연구의 샌드위치 복합재 루프 구조물의 경우 양쪽 끝단에 접합된 중공 알루미늄 압출재 프레임의 거동 또한 중요하므로 이를 모두 고려하기 위해서는 3차원 모델링을 수행해야 한다. .
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.