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해영 누
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1 2014 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2014S013 철도차량용방진고무스프링피로수명예측및평가 Fatigue Life Prediction and Evaluation of Rubber Spring for Railway Vehicle 우창수 *, 박현성 *, 강문채 ** Chang-Su Woo *, Hyun-Sung Park *, Mun-Chae Kang * * Abstract Fatigue life prediction and evaluation are the key technologies to assure the safety and reliability of rubber spring for railway vehicle. In this paper, prediction of characteristics and fatigue life of rubber spring were experimentally investigated. Computer simulation was executed to predict and evaluate the load capacity and stiffness for rubber spring. Results of the finite element analysis are a good agreement with the experimental data. By using the fatigue test for three dimensional specimens, Fatigue life prediction equations for rubber material was proposed. Fatigue lifetime prediction procedure employed in this study could be used approximately for the design of the rubber components at the early design stage. Keywords : Rubber spring, Finite element analysis, Maximum strain, Fatigue test, Fatigue life prediction 초록본연구에서는방진고무스프링의피로수명을예측할수있는방법을제안하였으며이를통해신뢰성을평가하였다. 제안된피로수명예측은고무재료에대한물성을이용하여시편과부품에대한유한요소해석을수행하여최대변형률발생부위를파악하고변위와최대변형률과의관계를구한후, 고무부품의피로하중에의한최대인장변형률을재현할수있는 3차원시편에대한피로시험을수행하여고무재료에대한피로수명예측식을도출하였다. 주요어 : 고무스프링, 유한요소해석, 최대변형률, 피로시험, 피로수명예측 1. 서론 철도차량용방진고무스프링은차량바퀴세트와대차프레임사이에사용되는 1차현가장치용으로차량의안정성과승차감향상에중요한역할을담당하고있으나 [1], 지금까지방진고무스프링개발은시행착오및경험을바탕으로이루어져설계기술과신뢰성기술의상호이해와접목이쉽지않았으며, 고무부품에대한신뢰성을평가할수있는기술 [2,3,4] 부족으로제품개발에어려움이많은실정이다. 따라서본연구에서는철도차량용방진고무스프링의피로수명을예측할수있는방법을제안하여신뢰성을평가하였다. 교신저자 : 한국기계연구원나노융합기계연구본부 (cswoo@kimm.re.kr) * 한국기계연구원나노융합기계연구본부 ** DMSR 연구개발부

2. 방진고무스프링신뢰성평가 2.1 피로수명예측방법고무부품에대한피로해석및수명평가기술은제품의안전성및신뢰성을확보하고최적설계를하기위한기반기술로, 국내관련산업계에서는이의중요성을인식하고는있으나아직까지체계적인설계및해석기술이확립되어있지못한실정이다. 이를위해서는무엇보다도피로수명에영향을주는피로손상변수의규명이시급하다하겠다.

2 2. 방진고무스프링신뢰성평가 2.1 피로수명예측방법고무부품에대한피로해석및수명평가기술은제품의안전성및신뢰성을확보하고최적설계를하기위한기반기술로, 국내관련산업계에서는이의중요성을인식하고는있으나아직까지체계적인설계및해석기술이확립되어있지못한실정이다. 이를위해서는무엇보다도피로수명에영향을주는피로손상변수의규명이시급하다하겠다. 본연구에서는설계초기단계에서짧은기간에비교적정확하게고무부품의피로수명을예측할수있는방법을 Fig. 1과같이제안하였다. 제안된고무부품의피로수명예측방법은먼저, 고무재료에대한물성을이용하여고무시편과부품에대한유한요소해석을수행하여최대변형률발생부위를파악하고변위와최대변형률과의관계를구한후, 고무부품의피로하중에의한최대인장변형률을재현할수있는 3차원시편에대한피로시험을수행하여고무재료에대한피로수명예측식을도출하였다. 고무시편및부품의유한요소해석결과와피로시험결과를이용하여피로수명을예측하고, 예측된피로수명과실제방진고무부품의피로시험결과를비교하여제안된피로수명예측및평가절차의타당성을검증하였다. Fig. 1 Procedure of fatigue life prediction and evaluation for rubber component 2.2 방진고무스프링특성해석유한요소해석에필수적인고무물성은그값의변화에따라해석결과는큰차이를나타내며해의정확성및수렴성에도큰영향을끼치게되므로고무부품의보다정확한해석결과를얻기위해서는제품과동일한성분및조건으로제작된시편에대한물성시험을통한물성확보가필수적이다하겠다. 따라서, 본연구에서는 Fig. 2 와같이단축인장, 등이축인장, 순수전단시험을통하여얻어진응력 - 변형률의데이터를변형률에너지함수로부터구해진응력 - 변형률의관계식을이용하여무니 - 리블린 (Mooney-Rivlin) 2 항과오그덴 (Ogden) 3 항의비선형재료상수를결정하였다.

Table 1 Rubber material coefficient Strain Mooney-Rivlin Ogden C10 C01 Gm μ1 α1 μ2 α2 μ3 α3 Go 25% 0.656 0 1.312 1.9E-5 0.519 0.

002 0.911 2.241 4.451 2.73E-5 1.021 (a) Uniaxial tension (b) Equi-biaxial tension (c) Pure shear Fig.

3 Table 1 Rubber material coefficient Strain Mooney-Rivlin Ogden C10 C01 Gm μ1 α1 μ2 α2 μ3 α3 Go 25% E E % E E % E (a) Uniaxial tension (b) Equi-biaxial tension (c) Pure shear Fig. 2 Mechanical test of rubber material 본 연구에서는 유한요소 해석법(finite element method)을 이용하여 철도차량용 방진고무 스프링에 대해 특성해석을 수행하여 하중 또는 변위에 따른 특성과 최대변형률이 발생하는 취약 부위를 예측하였다. 방진고무스프링은 수직방향, 축 방향, 길이방향의 특성해석을 수 행해야 하므로 3차원으로 유한요소 모델링을 하였으며, 고무소재 물성은 앞에서 구한 비선 형 재료상수 값을 이용하였으며 금속부의 탄성계수는 206Gpa, 포아송의 비는 0.3 의 값을 사용하였다. 경계조건은 하단의 금속판을 완전 구속하였으며 양끝 상단의 금속판을 수직방 향은 변위 제어를 통해 40mm 변위를 변화시켰고, 축 방향과 길이방향은 5,052kgf의 하중을 준 뒤 방향 별로 7mm와 2mm변위를 변화시켜 해석을 수행하여 Fig. 3에서와 같이 변형 및 최 대변형률을 파악하였다. 방진고무스프링에 대한 각 방향의 특성해석 결과는 Fig. 4에서와 같 이 특성시험 결과와 매우 유사하게 나타나 해석을 통해 방진고무스프링의 특성을 예측할 수 있었다. (a) Deformded shape (b) Maximum strain Fig. 3 Finite element analysis of rubber spring (c) Maximun equivalent stress

(a) Vertical (b) Lateral (c) Longitudinal Fig. 4 Compare with finite element analysis and test 2.3 수명예측및평가고무부품의피로수명을예측하기위해서는우선동일한고무재료의피로수명선도가있어야한다.

4 (a) Vertical (b) Lateral (c) Longitudinal Fig. 4 Compare with finite element analysis and test 2.3 수명예측및평가고무부품의피로수명을예측하기위해서는우선동일한고무재료의피로수명선도가있어야한다. 고무재료의피로수명을평가하기위하여종래의덤벨형시편을이용할경우에는시편피로시험과제품의피로시험결과와의상관성유지가어려워, 본연구에서는피로하중에의한최대인장및압축변형률을재현할수있는고무피로시편을 Fig. 5와같이설계, 제작하여피로시험을수행하여 Fig. 6(a) 와같이최대인장변위와피로수명과의관계선도를도출하였다. 또한, 피로시편에대한유한요소해석으로구한인장변위와변형률과의관계를이용하여 Fig. 6(b) 와같이그린-라그랑지변형률 (Green-Lagrange strain) 과피로수명과의관계식을도출하였다. 방진고무스프링에대한피로수명을예측하기위해 Fig. 7(a) 와같이유한요소해석을수행한결과, 최대그린-라그랑지변형률은첫번째적층부에서 0.401으로나타났다. 발생된최대변형률을피로수명예측식에대입하면방진고무스프링의피로수명은약 930만회로예측되었다. Fig. 5 Three dimensional fatigue test specimen (a) Displacement and fatigue life (b) Maximum Green Lagrange strain and fatigue life Fig. 6 Compare with finite element analysis and test

방진고무스프링에대한피로수명을평가하기위해 Fig. 7(b) 와같이유압식피로시험기를이용하여 600만회피로시험결과, 미소크랙및파손이발생하지않았으며시험중동특성변화율은 6.09%, 스프링상수변화율은 8.3% 로요구기준인 30% 이내를만족하였으며, 제안한피로수명예측방법으로예측한피로수명의타당성을검증하였다.

결론본연구에서는설계초기단계에서비교적정확하게고무부품의피로수명을예측할수있는방법을제안하였으며, 고무시편피로시험을통해도출된최대그린-라그란지변형률과피로수명과의관계식을이용하여철도차량용방고무스프링의피로수명은약 930만회로예측되었다. 또한방진고무스프링에대한피로시험을통해제안한피로수명예측방법의타당성을검증하였다.

5 방진고무스프링에대한피로수명을평가하기위해 Fig. 7(b) 와같이유압식피로시험기를이용하여 600만회피로시험결과, 미소크랙및파손이발생하지않았으며시험중동특성변화율은 6.09%, 스프링상수변화율은 8.3% 로요구기준인 30% 이내를만족하였으며, 제안한피로수명예측방법으로예측한피로수명의타당성을검증하였다. (a) Maximum strain of rubber spring (b) Fatigue test of rubber spring Fig. 7 Fatigue lifetime evaluation of rubber spring 3. 결론본연구에서는설계초기단계에서비교적정확하게고무부품의피로수명을예측할수있는방법을제안하였으며, 고무시편피로시험을통해도출된최대그린-라그란지변형률과피로수명과의관계식을이용하여철도차량용방고무스프링의피로수명은약 930만회로예측되었다. 또한방진고무스프링에대한피로시험을통해제안한피로수명예측방법의타당성을검증하였다. 후기 본연구는본연구는중소기업청이지원하는구매조건부신제품개발사업에의해수행되었고, 이에감사를표합니다. 참고문헌 [1] R. K. Luo, W. X. Wu, P. W. Cook, W. J. Mortel (2004) An approach to evaluate the service life of rubber springs used in rail vehicle suspensions, Journal of Rail and Rapid Transit, 218(2), pp [2] R. K. Luo, W. X. Wu (2006) Fatigue failure analysis of anti-vibration rubber spring, Engineering Failure Analysis, 13(1), pp [3] R. K. Luo, W. X. Wu, P. W. Cook, W. J. Mortel (2003) Fatigue design of rubber springs used in rail vehicle suspensions, Journal of Rail and Rapid Transit, 217(3), pp [4] E. Frederick, C. Jane (2008) Degradation and life prediction of natural rubber engine mount compound, Journal of Applied Polymer Science, 10(1), pp

여기에 제목을 입력하시오

여기에 제목을 입력하시오 10 대한기계학회논문집 A권, 제3권 제11호, pp. 10~107, 008 DOI:10.3795/KSME-A.008.3.11.10 비선형 유한요소해석을 이용한 웨더스트립의 특성예측 장왕진 한창용 * 우창수 ** 이성범 *** (008 년 8월 4일 접수, 008 년 10 월 16 일 수정, 008 년 10 월 19 일 심사완료) Prediction