초록 ▼

제1절 연구개발의 배경
전 세계가 고유가 및 환경문제 해결을 위하여 에너지 절감형 및 환경 친화적 기술개발에 집중하고 있다. 철도분야에서도 철도차량의 고속화 및 에너지 비용 절감을 위해 철도차량에 대한 경량화 요구가 증대하고 있다. 철도선진국인 유럽의 경우 유럽철도기술자문위원회(ERRAC)에서는 향후 20년 전략분야의 하나로 ‘신소재 및 제작기법’을 선정하여 철도분야에 복합소재를 확대적용 할 예정이기도 하다. 이와 같은 철도차량의 경량화 및 선로유지보수비 절감을 위한 신소재 적용기술 확보의 중요성이 날로 증대하고 있다. 300

제1절 연구개발의 배경
전 세계가 고유가 및 환경문제 해결을 위하여 에너지 절감형 및 환경 친화적 기술개발에 집중하고 있다. 철도분야에서도 철도차량의 고속화 및 에너지 비용 절감을 위해 철도차량에 대한 경량화 요구가 증대하고 있다. 철도선진국인 유럽의 경우 유럽철도기술자문위원회(ERRAC)에서는 향후 20년 전략분야의 하나로 ‘신소재 및 제작기법’을 선정하여 철도분야에 복합소재를 확대적용 할 예정이기도 하다. 이와 같은 철도차량의 경량화 및 선로유지보수비 절감을 위한 신소재 적용기술 확보의 중요성이 날로 증대하고 있다. 300km/h이상 고속열차 및 500km/h급 이상 초고속 자기부상열차의 경우에도, 차량 경량화를 위한 신소재 적용기술 확보는 향후 필수적기도 하다. 현재 국내에서도 복합소재를 적용한 철도차량, 경전철 및 초저상 버스 등이 개발되었으나, 전반적인 기반기술(재활용기술, 충격특성, 화재안전기준 등)이 선진국에 비하여 매우 부족한 실정이다. 따라서 복합소재가 철도차량 경량화 소재로 철도차량분야에서 확대 적용되기 위해서는 핵심기반기술의 확보가 필수적인 것이다.

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 목차 ... 5
• 표 목차 ... 13
• 그림목차 ... 16
• 제1장 연구개발의 필요성 ... 31
• 제1절 연구개발의 배경 ... 31
• 제2절 연구개발의 목적 및 중요성 ... 31
• 1. 연구개발의 목적 ... 31
• 2. 연구개발의 필요성 ... 31
• 3. 현 기술의 취약성 ... 32
• 4. 앞으로의 전망 ... 32
• 제3절 연구개발 목표 및 내용 ... 33
• 1. 연차별 목표 및 내용 ... 33
• 2. 연구개발 추진 전략 ... 36
• 제2장 국내외 관련기술 및 산업 동향 ... 37
• 제1절 국내기술 및 산업동향 ... 37
• 1. 복합소재 차체 적용 사례 ... 37
• 2. 복합소재 재활용 관련 지침 ... 40
• 제2절 국외기술 및 산업동향 ... 41
• 1. 독일 MBB ... 41
• 2. 프랑스 Alstom ... 43
• 3. 영국 Sciotech ... 44
• 제 3 장 복합재 대차 프레임 ... 47
• 제 1 절 복합재 대차 상세 모델 제작 ... 47
• 1. 복합재 대차 상세 모델 제작 개요 ... 47
• 2. 복합재 대차 상세 설계 ... 48
• 제 2 절 복합소재 대차프레임 ... 72
• 1. 사이드빔 높이 50mm 및 150mm 복합소재 대차프레임 ... 72
• 가. 대차프레임의 형상 ... 72
• 나. 하중조건 ... 73
• 다. 해석결과 ... 75
• (1). 정하중 해석결과 ... 75
• (2). 내구성 평가결과 ... 80
• 2. 복합소재 대차프레임의 수직하중 부과위치에 따른 내구성 평가 ... 81
• 가. 하중조건 및 해석모델 ... 81
• 나. Goodman선도 ... 82
• 3. 복합소재 대차프레임 형상별 특성분석 ... 86
• 가. 굽힘응력분포 ... 86
• 나. 강성변화 ... 88
• 4. 복합소재 대차프레임 최종모델 선정을 위한 설계 ... 90
• 가. 하중조건 ... 90
• 5. Shell모델과 solid모델 비교 ... 92
• 가. 하중조건 ... 92
• 6. 복합소재 대차프레임 고유치 해석 ... 95
• 가. 해석모델 ... 95
• 7. Submodeling기법을 적용한 볼트체결부 강도평가 ... 98
• 가. Submodeling기법 ... 98
• 제 3 절 저속충격하에서 복합소재 대차프레임 스킨부의 손상특성 평가 연구 ... 108
• 1. 서론 ... 108
• 가. 연구 개요 ... 108
• 나. 연구 필요성 ... 109
• 다. 연구 목표 ... 111
• 2. 철도차량 대차프레임의 도상자갈 비산 개요 ... 113
• 가. 철도차량 대차프레임의 도상자갈 비산 연구 사례 ... 113
• 나. 도상자갈 비산에 따른 대차프레임의 손상영역 분석 ... 115
• 다. 복합소재 적용 대차프레임의 자갈비산에 따른 충격손상 연구 ... 116
• 3. 대차프레임 적용 복합재의 충격특성 및 충격 후 압축특성 평가 ... 117
• 가. 시험편의 구성 및 시험 개요 ... 117
• (1). 시험편의 구성 ... 117
• (2). 복합재 시편단위 충격시험 개요 ... 119
• (3). 복합재 시편단위 충격 후 압축시험 개요 ... 121
• 나. 대차프레임 적용 복합소재의 충격특성 평가 ... 123
• (1). 적층 방향에 따른 복합재 시편의 충격특성 평가 ... 123
• (2). 실차 적용 두께를 갖는 복합재의 충격특성 평가 ... 135
• 다. 대차프레임 적용 복합소재의 충격 후 압축 특성 평가 ... 138
• (1). 적층 복합재의 압축특성 평가(Fill/Warp) ... 138
• (2). 충격손상 영역을 갖는 적층 복합재의 압축특성 평가 ... 138
• 4. 도상자갈 비산에 의한 충격손상을 갖는 대차프레임의 구조 안전성 평가 ... 142
• 가. 시편단의 충격해석을 통한 손상모델 도출 ... 142
• (1). 시편단의 유한요소 모델 ... 142
• (2). 충격에너지별 충격해석 결과 ... 144
• 나. 충격손상을 갖는 대차프레임의 구조 안전성 평가 ... 151
• (1). 대차프레임의 유한요소 모델 ... 151
• (2). 도상자갈 충격에 의한 손상영역을 갖는 대차프레임의 구조 안전성 평가 ... 152
• 5. 연구 결과 ... 158
• 6. 연구 결과의 활용계획 ... 159
• (가). 추가연구의 필요성 ... 159
• (나). 타 연구에의 활용 ... 159
• 제 4 절 복합소재 시편의 외팔보 모달 실험 및 대차의 모달 실험 ... 160
• 1. 진동이론 ... 160
• 가. 진동 물리량 ... 160
• 나. 진동표현 용어 ... 161
• 다. 진동크기의 단위 ... 163
• 라. Spectrum Bandwidth ... 163
• 마. 기여도(Coherence) ... 164
• 바. 진동레벨의 기준과 평가 ... 165
• 사. 시간신호와 주파수 신호 ... 168
• 2. 방진 이론 ... 171
• 가. 진동저감 시스템 (Vibration Isolatin System) ... 172
• (1) 진동저감시스템의 이론적 배경 ... 172
• (2) 능동저감(Active Isolation ... 174
• (3) 수동저감 (Passive Isolation) ... 179
• (3) 2자유도 진동저감 시스템 ... 181
• 3. 연구개요 ... 183
• 4. 진동 측정 및 분석 방법 ... 183
• 가. 진동 측정/분석 장비 ... 183
• 나. 진동 측정 구성도 ... 184
• 다. 분석 시스템 구성도 ... 184
• 라. 진동/측정 분석 설정 환경 ... 185
• 5. 외팔보 시편의 모달 시험 ... 187
• 6. 외팔보 시편의 유한 요소 해석 ... 192
• 7. 감쇠비의 추출 ... 197
• 8. Steel 대차 모델 측정 결과 ... 201
• 가. 동강성 계측 위치 및 환경 ... 201
• 나. 수직방향(z-axis) 동특성 ... 202
• 다. 수평방향(y-axis) 동특성 ... 210
• 라. 수평방향(x-axis) 동특성 ... 216
• 9. 복합소재 대차 모델 측정 결과 ... 222
• 가. 동강성 계측 위치 및 환경 ... 222
• 나. 수직방향(z-axis) 동특성 ... 223
• 다. 수평방향(y-axis) 동특성 ... 230
• 라. 수평방향(x-axis) 동특성 ... 236
• 마. 복합소재 대차 내부 날개부분 동특성 ... 242
• 10. STEEL 대차의 유한 요소 해석 ... 249
• 11. 복합소재 대차의 유한 요소 해석 ... 256
• 제 5 절 복합소재 대차 프레임의 동특성 해석 ... 262
• 1. 연구 개발 과제의 개요 ... 262
• 가. 연구 배경 및 목적 ... 262
• 나. 연구개발 내용 및 범위 ... 262
• 2. 연구개발 수행 및 결과 ... 264
• 가. ADAMS/Rail을 이용한 표준전동차 database 구축 ... 264
• (1). ADAMS/Rail를 이용한 철도 차량 동력학적 모델링 ... 264
• (2). ADAMS/Rail Template ... 264
• (3). ADAMS/Rail Configuration ... 264
• (4). Model Topology ... 266
• (5). Bogie Template 생성 ... 266
• (6). Car Body Template 생성 ... 278
• (7). Subsystem 생성 ... 281
• (8). Assembly 생성 ... 283
• 나. 구조역학과 연계한 유연체 모델 구축 ... 284
• (1). Modal Superposition ... 284
• (2). Component Mode Synthesis – Craig-Bamption Method ... 285
• (3). Mode shape Ortho-normalization ... 287
• (4). Modal flexibility in Multi-Body Dynamics ... 288
• (5). Applied Loads ... 291
• (6). Flexible Body Equation of Motion ... 292
• 다. 유연체 동역학(Flexible Body Dynamics) 모델링 ... 297
• (1). 구조해석 모델과 다물체 동력학 모델과의 연계과정 ... 297
• (2). Modal Neutral File 만드는 과정 ... 297
• (3). 복합소재 전동차의 Bogie frame에 대한 유연체 모델 구성 ... 299
• (4). 복합소재 전동차의 Bogie frame에 유연체 모델 ... 300
• (5). 복합소재 전동차의 차체에 대한 유연체 모델 구성 ... 300
• (6). 복합소재 전동차의 차체에 유연체 모델 ... 302
• 라. ADAMS/Rail을 이용한 경량 복합소재 철도차량 database 구축 ... 302
• (1). 경량 복합소재 대차의 CASE별 모델 분류 ... 302
• 마. ADAMS/rail을 이용한 복합소재 전동차 동특성 해석 ... 303
• (1). 주행 안정성 해석 ... 304
• (2). 승차감 해석 ... 306
• (3). 곡선 주행 성능 해석 ... 309
• 바. 복합소재 철도 차량 CASE별 동특성 해석 결과 비교 ... 315
• (1). 복합소재 철도 차량의 Frame 강성에 따른 해석 결과 ... 315
• (2). 복합소재 철도 차량의 축상 부시 강성에 따른 해석 결과 ... 319
• 3. 결 론 ... 324
• 4. 부 록 ... 325
• 가. ADAMS/rail을 이용한 복합소재 철도 차량 동특성 해석 ... 325
• (1). 복합 소재 철도 차량의 Frame 강성에 따른 해석 결과 ... 325
• (2). 복합 소재 철도 차량의 축상 부시 강성에 따른 해석 결과 ... 339
• 제 6 절 복합소재 대차프레임 시험시제 개념모델 제작 ... 361
• 1. 오토클레이브 성형법을 이용한 복합소재 대차프레임용 사이드프레임 제작 ... 361
• 가. 오토클레이브 성형법 ... 361
• 나. 제작 순서 ... 362
• 다. 제작 과정 ... 365
• 2. 오토클레이브 성형기법을 이용한 복합소재 대차프레임 제작 ... 373
• 가. 제작 순서 ... 373
• 나. 제작 과정 ... 382
• 제 7 절 복합소재 대차프레임 시험 ... 399
• 1. 복합소재 대차프레임 정하중 시험 절차 ... 399
• 가. 적용범위 ... 399
• 나. 시험조건 ... 399
• 다. 시험 방식 ... 400
• 라. 평가 기준 ... 404
• 마. Strain gauge 위치 ... 406
• 2. 복합소재 대차프레임 동하중 시험 절차 ... 408
• 가. 개요 ... 408
• 나. 적용규격 ... 408
• 다. 시험 장비 ... 408
• 라. 시험 조건 ... 409
• 마. 시험 방법 ... 410
• 바. 평가 기준 ... 412
• 사. 비파괴 검사 ... 413
• 3. 복합소재 대차프레임 정하중 시험 ... 413
• 가. Strain gauge 부착 ... 413
• 나. 시험체 설치 ... 414
• 다. 수직하중 ... 416
• 라. 비틀림하중 ... 417
• 마. 좌우하중 ... 418
• 바. 제동하중 ... 419
• 사. 전후하중 ... 419
• 4. 복합소재 대차프레임 피로시험 ... 420
• 5. 복합소재 대차프레임 정하중 시험결과 ... 422
• 가. 수직하중 ... 422
• (1) 수직정하중 ... 422
• (2) 수직동하중 ... 425
• 나. 허용응력 ... 428
• 다. 피로내구선도 ... 428
• 6. 복합소재 대차프레임 피로 시험결과 ... 437
• 가. 복합재 부 피로시험 결과 ... 437
• 나. 브라켙 피로시험 결과 ... 446
• 7. 복합소재 대차프레임의 구조해석 및 피로내구성 평가 ... 447
• 가. 개요 ... 447
• 나. 복합소재 대차프레임의 정적해석 ... 448
• (1) 해석 모델 변경 ... 448
• (2) 복합소재 대차프레임 모델 해석 과정 ... 450
• (3) 해석 결과 ... 458
• (4) 복합소재 대차프레임의 피로내구성 평가 ... 469
• 제 8 절 복합소재 대차프레임 최적설계 ... 475
• 1. 최적설계 이론 ... 475
• 가. 최적 설계 ... 475
• (1) 위상최적화란? ... 475
• (2) 위상 최적설계의 응용 ... 479
• 2. 복합소재 대차프레임 최적설계의 개요 ... 480
• 가. 최적설계의 목적 ... 480
• 나. 최적설계 내용 및 범위 ... 480
• 3. 최적설계 수행 및 결과 ... 481
• 가. HyperWorks Optistruct를 이용한 복합소재 대차 최적화 ... 481
• (1) 제동장치 브라켓 위상최적화(Topology Optimiztion) ... 481
• (2) 복합소재 대차 프레임 스킨부 최적설계 ... 495
• 참고문헌 ... 521
• 서지정보 ... 526