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
- 따라서, 본 논문에서는 모노레일 대차 프레임의 구조 안전성 평가를 수행하고, 이에 대한 피로강도 평가를 수행하여 피로수명을 예측하였다. 이때, 하중조건은 유럽규격인 UIC 615-4 기준을 적용하여 도출하였으며, 유한요소해석 프로그램인 Ansys v11.
- 본 연구에서는 현재 국내에서 개발중인 모노레일 대차 프레임의 설계모델에 대한 구조적 안전성 및 피로강도 평가를 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
- 구조적 안전성 평가를 통해 도출된 대차 프레임의 3차 설계 모델에 대해 동적하중을 적용한 피로강도 평가를 수행하였다. 이때, 하중조건은 앞에서 나타냈듯이 UIC 615-4 규정에 의해 17개의 조합 주운용하중조건을 적용하였으며, 각 하중조건에 대해 구조해석을 수행한 후, 그 결과를 조합하여 피로강도를 도출하였다.
- 이때, 각 프레임들은 2차원 쉘 요소(shell 63)를 사용하여 모사하였으며, 구동축 및 기어박스는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 모사하였다. 그리고 프레임 연결부위의 볼트는 3차원 Timoshenko 빔 요소(beam 188)를 사용하였으며, 이때 접촉되는 프레임은 접촉 조건(contact condition)을 적용하였다. 구조해석에 적용된 유한요소모델의 절점수와 요소수는 각각 162,984개와 200,584개이다.
- 현재 모노레일 대차 프레임에 대한 평가 기준은 규정되지 않은 실정이며, 이에 구조 안전성 및 피로강도 평가는 유럽철도 규격인 UIC 615-4를 적용하여 하중조건을 도출하고 평가를 수행하였다. 이때, UIC 615-4 기준에서는 하중조건을 예외하중(exceptional load), 주운용하중(main in-service load), 특수운용하중(particular in-service load)으로 구분하고 있으며, 이에 본 연구에서는 모노레일 대차 프레임에 적용할 수 있는 예외하중과 주운용하중에 대해 각각 평가를 수행하였다.
- 0을 통해 수행되었다. 이때, 각 프레임들은 2차원 쉘 요소(shell 63)를 사용하여 모사하였으며, 구동축 및 기어박스는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 모사하였다. 그리고 프레임 연결부위의 볼트는 3차원 Timoshenko 빔 요소(beam 188)를 사용하였으며, 이때 접촉되는 프레임은 접촉 조건(contact condition)을 적용하였다.
- 표 1은 예외하중조건들을 나타낸 것으로서, 모노레일 대차프레임의 형상을 고려하여 하중조건을 선정하였다. 이때, 수직하중과 좌우하중은 UIC 615-4기준에 따라 적용하였으나, 기준에 제시되어 있지 않은 코너링 하중 조건은 모노레일 대차프레임이 곡선부 주행시에 안정륜에서 받게 되는 반력을 고려하여 추가로 적용하였다. 그리고 일반적인 대차프레임에 발생되는 비틀림 하중은 1개의 주행로를 운행하는 모노레일의 특성상 제외되었다.
- 구조적 안전성 평가를 통해 도출된 대차 프레임의 3차 설계 모델에 대해 동적하중을 적용한 피로강도 평가를 수행하였다. 이때, 하중조건은 앞에서 나타냈듯이 UIC 615-4 규정에 의해 17개의 조합 주운용하중조건을 적용하였으며, 각 하중조건에 대해 구조해석을 수행한 후, 그 결과를 조합하여 피로강도를 도출하였다.
- 이에 본 연구에서는 피로해석 전용 소프트웨어인 winLIFE v3.1을 이용하여 대차 프레임에 대한 피로해석 평가를 수행하였으며, 이에 대한 결과를 검증하기 위해 UIC 615-4 기준에 따른 주운용하중조건 결과와 서로 비교하였다. 다음은 대차 프레임에 대한 피로해석 절차를 나타낸 것이다.
대상 데이터
- 그리고 프레임 연결부위의 볼트는 3차원 Timoshenko 빔 요소(beam 188)를 사용하였으며, 이때 접촉되는 프레임은 접촉 조건(contact condition)을 적용하였다. 구조해석에 적용된 유한요소모델의 절점수와 요소수는 각각 162,984개와 200,584개이다. 표 3은 대차 프레임에 적용된 SM490A에 대한 물성을 나타낸다.
데이터처리
- 0을 이용하여 구조해석을 수행하였다. 그리고 Goodman 선도를 이용하여 UIC 615-4 기준에 의한 17개의 조합 주운용하중조건에 대해 피로강도를 평가하고, 이를 일괄처리 해석기능을 갖는 피로해석 전용 프로그램인 winLIFE 3.1을 이용한 피로해석 결과와 비교 검증하였다.
- 모노레일 대차 프레임의 구조 안전성 평가는 유한요소 해석 프로그램인 Ansys v11.0을 통해 수행되었다. 이때, 각 프레임들은 2차원 쉘 요소(shell 63)를 사용하여 모사하였으며, 구동축 및 기어박스는 3차원 솔리드 요소(solid 45)를 사용하여 모사하였다.
- 따라서, 본 논문에서는 모노레일 대차 프레임의 구조 안전성 평가를 수행하고, 이에 대한 피로강도 평가를 수행하여 피로수명을 예측하였다. 이때, 하중조건은 유럽규격인 UIC 615-4 기준을 적용하여 도출하였으며, 유한요소해석 프로그램인 Ansys v11.0을 이용하여 구조해석을 수행하였다. 그리고 Goodman 선도를 이용하여 UIC 615-4 기준에 의한 17개의 조합 주운용하중조건에 대해 피로강도를 평가하고, 이를 일괄처리 해석기능을 갖는 피로해석 전용 프로그램인 winLIFE 3.
이론/모형
- (1) 모노레일 대차 프레임에 대한 구조적 안전성 및 피로강도를 평가하기 위해 유럽규격인 UIC 615-4 기준을 적용하였으며, 예외하중조건과 주운용하중조건에 대해 각각 평가를 수행하였다.
- 모노레일 대차 프레임의 구조해석은 UIC 615-4 기준에 따른 예외하중조건을 적용하였으며, 이때 대차 프레임의 형상 및 하중조건은 그림 1과 같다.
- 주운용하중조건에 대한 대차 프레임의 피로강도 평가는 Goodman 선도상에 표현하였으며, 이때 평균응력(σm)과 응력진폭(Δσ) 값은 각 하중조건들에 대한 해석결과를 통해 도출하였다.
- 현재 모노레일 대차 프레임에 대한 평가 기준은 규정되지 않은 실정이며, 이에 구조 안전성 및 피로강도 평가는 유럽철도 규격인 UIC 615-4를 적용하여 하중조건을 도출하고 평가를 수행하였다. 이때, UIC 615-4 기준에서는 하중조건을 예외하중(exceptional load), 주운용하중(main in-service load), 특수운용하중(particular in-service load)으로 구분하고 있으며, 이에 본 연구에서는 모노레일 대차 프레임에 적용할 수 있는 예외하중과 주운용하중에 대해 각각 평가를 수행하였다.
성능/효과
- (2) 예외하중조건이 적용된 대차 프레임에 대한 구조해석을 통하여 최대변위는 세 번째 하중조건에서 1.535mm가 발생하였으며, 최대 Von-mises 응력은 두 번째 하중조건에서 226.6MPa이 발생하여 안전계수가 1.46으로 구조적 안전성을 확보하였다.
- (3) 17개의 조합 주운용하중조건에 따른 대차 프레임의 피로강도 평가를 UIC 615-4에 따라 수행하였으며, Goodman 선도를 통해 피로안전도를 만족함을 확인하였다.
- (4) 일괄처리 기능을 갖는 피로해석 전용 프로그램(winLIFE)을 이용하여 피로강도 평가를 수행하였으며, 주운용하중조건을 조합하여 얻은 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 따라서, 대차 프레임과 같이 피로평가가 반드시 필요한 구조물에 대한 피로강도 평가시에 일괄처리를 이용한 피로해석을 통해 빠른 설계검증을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
- 반면, 피로해석 프로그램을 이용한 방법은 기본하중 조건에 대해서만 구조해석을 수행하고, 이에 대한 하중값을 지정해주면 프로그램 자체적으로 일괄처리(batch-processing)하여 각 하중별 결과를 조합하여 도출한다. 또한, 하중조건 변경시에도 피로해석은 하중값만 변경하여 새로운 결과를 얻을 수 있으며, 운행시험 등을 통해 얻을 수 있는 변동하중을 적용한 피로강도 평가가 가능하다.
- 표 4는 대차 프레임에 대한 구조해석 결과를 보여준다. 이때, 최대 Von-mises 응력은 두 번째 하중조건에서 226.6MPa이 구동축을 고정시켜주는 프레임 모서리에서 발생하였으나, 이는 SM490A의 항복강도인 330MPa 보다 낮아 구조적으로 안전함을 확인하였다. 이때, 안전계수(n)는 1.
- 그림 5는 피로해석을 통해 얻은 각 절점별 평균응력과 응력진폭 결과를 Goodman 선도상에 나타낸 것으로서, UIC 615-4 기준에 따른 주운용하중조건 결과와 비교하여 나타냈다. 이때, 피로해석을 통해 얻은 피로한도 결과분포가 주운용하중조건에 따른 결과와 전체적으로 잘 일치함을 확인하였다.
- 46으로 일반 대차 기준에 비해 다소 낮지만 모노레일의 경우 운행속도가 낮고, 전용선로를 운행하는 특성을 갖고 있어 돌발적인 외부하중 등이 적으며, 경량화가 중요한 설계변수 이므로 현재의 안전계수 값이 안전한 것으로 판단된다. 최대 변위는 세 번째 하중조건에서 좌우하중을 받는 하부 프레임에서 1.535mm가 발생됨을 확인하였다. 그림 2와 3은 2번째 하중조건에 대한 변위결과와 Von-mises 응력 분포 결과를 각각 보여준다.
- 이때, 선도상의 실선은 SM490A에 대한 피로한도를 나타내며, 점선은 SM490A의 용접후 그라인딩에 대한 피로한도를 나타낸다. 피로강도 평가결과 구조해석시에 높은 응력결과를 나타낸 절점들에 대한 결과가 용접후 그라인딩선 안에 나타났으며, 이를 통해 설계된 대차 프레임이 피로한도 기준인 107 사이클 이상의 수명을 갖는 것으로 확인하였다.
후속연구
- (4) 일괄처리 기능을 갖는 피로해석 전용 프로그램(winLIFE)을 이용하여 피로강도 평가를 수행하였으며, 주운용하중조건을 조합하여 얻은 결과와 잘 일치함을 확인하였다. 따라서, 대차 프레임과 같이 피로평가가 반드시 필요한 구조물에 대한 피로강도 평가시에 일괄처리를 이용한 피로해석을 통해 빠른 설계검증을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
- 따라서, 본 연구를 통해 검증된 피로해석 방법을 통하여 추후 대차 프레임에 대한 피로강도 평가시에 활용할 수 있을 것으로 사료되며, 이를 통해 보다 빠른 피로강도 평가를 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.