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문제 정의
- 본 논문에서는 고속철도용 차륜과 레일이 구름접촉 할 때 슬립율 변화에 따른 접촉응력의 변화를 3차원 유한요소법으로 해석하였다. 해석시간을 최소화하고 정확도를 높이기 위한 해석 모델을 구축하였고, 구름접촉을 해석할 수 있도록 경계조건을 적용하였다.
제안 방법
- KTX 고속철도 차륜과 레일이 구름 접촉할 때 슬립율에 따른 접촉압력 및 접촉응력 등을 해석하기 위하여 3차원 유한요소해석을 수행하였고, 정지상태의 해석결과와 비교하였다. 고속철도 차륜과 레일이 구름접촉 할 경우 접촉압력은 Hertz 이론과 같이 타원형의 분포를 나타내고, 정지 상태와 구름운동 상태가 거의 비슷한 분포를 나타낸다.
- 하중조건은 수직력 85kN을 기준으로 하였고, 차륜 중심축에 수직하중을 부가하였다. 경계조건으로 차륜의 회전 방지를 위해 차륜 압입부에 MPC 조건을 사용하였다. 구름접촉 해석은 차륜의 중심축과 레일의 양 끝단에 속도(VELOCITY) 경계조건을 적용하였고, 차륜과 레일의 슬립율 변화는 차륜-레일 속도 차이를 이용하였다.
- 해석시간을 최소화하고 정확도를 높이기 위한 해석 모델을 구축하였고, 구름접촉을 해석할 수 있도록 경계조건을 적용하였다. 고속철도용 차륜과 레일이 직선구간을 운행할 때의 접촉조건인 차륜-레일 중앙에서 접촉할 때를 기준으로 하였고, 슬립율에 따른 접촉응력의 변화를 해석하였다. 구름접촉이 발생하기 전인 정적 접촉상태와 구름접촉이 일어난 후 정상상태가 되었을 때의 접촉응력 해석결과를 비교하였다.
- 경계조건으로 차륜의 회전 방지를 위해 차륜 압입부에 MPC 조건을 사용하였다. 구름접촉 해석은 차륜의 중심축과 레일의 양 끝단에 속도(VELOCITY) 경계조건을 적용하였고, 차륜과 레일의 슬립율 변화는 차륜-레일 속도 차이를 이용하였다. 차륜-레일의 슬립율이 작을 경우(0.
- 고속철도용 차륜과 레일이 직선구간을 운행할 때의 접촉조건인 차륜-레일 중앙에서 접촉할 때를 기준으로 하였고, 슬립율에 따른 접촉응력의 변화를 해석하였다. 구름접촉이 발생하기 전인 정적 접촉상태와 구름접촉이 일어난 후 정상상태가 되었을 때의 접촉응력 해석결과를 비교하였다.
- 그러나 요소면이 직선이기 때문에 차륜의 회전방향 곡선을 모델링하기 위하여 많은 메쉬(mesh)의 분할이 필요하다. 따라서 해석시간을 단축하기 위하여 차륜-레일 접촉영역은 육면체 요소를 사용하였고, 그 이외 영역은 차륜의 회전방향으로 원통형 요소(CCL12)를 사용하여 모델링하였다. 차륜의 모델링은 먼저 2차원 축대칭 모델을 만들고 symmetric model generation 방법을 사용하여 2차원 모델을 회전시켜 3차원 모델을 구축하였다.
- 레일의 차륜 접촉면은 최소요소크기가 폭 방향 및 길이 방향으로 1 mm 가 되도록 분할하였고, 접촉영역이외 부분은 듬성하게 분할하였다. 레일의 절점 및 요소수를 줄이기 위하여 접촉영역 이외 부분은 접촉영역 부분과 Tie 접촉을 사용하여 제한조건이 동일하도록 하였다.
- 차륜 답면의 접촉영역을 master 접촉 요소로 하고, 레일의 접촉면을 slave 접촉요소로 하여 가능한 접촉영역을 접촉쌍(contact pair)으로 지정하였다. 차륜 및 레일의 탄성계수는 207GPa, 포아송 비(Poisson's ratio)는 0.
- 구름접촉 해석은 차륜의 중심축과 레일의 양 끝단에 속도(VELOCITY) 경계조건을 적용하였고, 차륜과 레일의 슬립율 변화는 차륜-레일 속도 차이를 이용하였다. 차륜-레일의 슬립율이 작을 경우(0.2%)와 슬립율이 클 경우(0.5%)를 해석하여 접촉면에 발생하는 접촉응력을 비교하였다. 그림 1은 완성된 차륜 및 레일의 유한요소 해석모델이며, 차륜-레일 접촉영역의 조밀한 요소를 함께 나타내고 있다.
- 따라서 해석시간을 단축하기 위하여 차륜-레일 접촉영역은 육면체 요소를 사용하였고, 그 이외 영역은 차륜의 회전방향으로 원통형 요소(CCL12)를 사용하여 모델링하였다. 차륜의 모델링은 먼저 2차원 축대칭 모델을 만들고 symmetric model generation 방법을 사용하여 2차원 모델을 회전시켜 3차원 모델을 구축하였다. 해석의 정밀도를 향상시키기 위하여 차륜과 레일이 접촉하는 영역은 폭 방향 및 회전방향으로 최소 요소크기가 1 mm 가 되도록 조밀하게 분할하였고, 그 이외의 영역은 듬성하게 분할하였다.
- 본 논문에서는 고속철도용 차륜과 레일이 구름접촉 할 때 슬립율 변화에 따른 접촉응력의 변화를 3차원 유한요소법으로 해석하였다. 해석시간을 최소화하고 정확도를 높이기 위한 해석 모델을 구축하였고, 구름접촉을 해석할 수 있도록 경계조건을 적용하였다. 고속철도용 차륜과 레일이 직선구간을 운행할 때의 접촉조건인 차륜-레일 중앙에서 접촉할 때를 기준으로 하였고, 슬립율에 따른 접촉응력의 변화를 해석하였다.
- 차륜의 모델링은 먼저 2차원 축대칭 모델을 만들고 symmetric model generation 방법을 사용하여 2차원 모델을 회전시켜 3차원 모델을 구축하였다. 해석의 정밀도를 향상시키기 위하여 차륜과 레일이 접촉하는 영역은 폭 방향 및 회전방향으로 최소 요소크기가 1 mm 가 되도록 조밀하게 분할하였고, 그 이외의 영역은 듬성하게 분할하였다. 레일은 3차원 육면체 요소(C3D8)로 모델링 하였으며 레일의 길이는 침목간의 거리를 고려하였다.
대상 데이터
- 해석의 정밀도를 향상시키기 위하여 차륜과 레일이 접촉하는 영역은 폭 방향 및 회전방향으로 최소 요소크기가 1 mm 가 되도록 조밀하게 분할하였고, 그 이외의 영역은 듬성하게 분할하였다. 레일은 3차원 육면체 요소(C3D8)로 모델링 하였으며 레일의 길이는 침목간의 거리를 고려하였다. 레일의 차륜 접촉면은 최소요소크기가 폭 방향 및 길이 방향으로 1 mm 가 되도록 분할하였고, 접촉영역이외 부분은 듬성하게 분할하였다.
- 해석대상은 차륜직경 920 mm의 KTX 동력차의 차륜과 UIC60 레일을 기준으로 하였다. 차륜 답면의 구배는 1/40, 레일의 구배는 1/20을 적용하였고, 차륜의 내측간의 거리는 1,355 mm, 궤간은 1,435 mm를 기준으로 하였다.
- 를 이용하였다. 해석대상은 차륜직경 920 mm의 KTX 동력차의 차륜과 UIC60 레일을 기준으로 하였다. 차륜 답면의 구배는 1/40, 레일의 구배는 1/20을 적용하였고, 차륜의 내측간의 거리는 1,355 mm, 궤간은 1,435 mm를 기준으로 하였다.
이론/모형
- 차륜-레일 구름접촉 해석은 상용 유한요소프로그램인 ABAQUS4를 이용하였다. 해석대상은 차륜직경 920 mm의 KTX 동력차의 차륜과 UIC60 레일을 기준으로 하였다.
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