구조체의 강도해석

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민찬 오
6 years ago
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1 알루미늄전동차의응력해석및압출단면치수최적화연구 홍재성, 이호용, 권태수, 김원경한국철도기술연구원 (Korea Railroad Research Institute) ABSTRACT 'Standardization Electric Multiple Unit' is the standard model of Korea. It has been started by MOVC government and for the first time the design of its carbody is made of aluminium alloy. This Standardization EMU is consisted of 4 cars, 1 unit, and will run the real service line for confirming the ability test. Hereafter domestic EMU carbody will be manufactured not stainless steel but aluminium alloy, it is necessary to evaluate the stability for the aluminium carbody and the optimization design for the section thickness. By utilizing the finite element analysis program NASTRAN the result in this paper is enough to satisfy the strength which is required. Test result is compared by analysis result. It is known that the 'Standardization Electric Multiple Unit' is designed safely. Also for the purpose of lightening it si decided the thickness of the underframe section through size optimization research. Through the analysis, underframe is over-designed for required design conditions. 1. 서론 국내전동차의차체는 70 80년대에는일반압연강재 (SS400), '90년대에는고강도스테인레스강판 (STS301L) 을사용하였고현재건설교통부의주관하에한국철도기술연구원과한진중공업이공동으로알루미늄차체로된 표준전동차 를개발하였다. 알루미늄으로된전동차를제작하는가장중요한이유는경량화로유럽이나일본등의선진국에서는고속전철과통근형전동차의 60% 이상을대형알루미늄압출재를적용한철도차량을실제노선에투입하고있다. 알루미늄은경량화에적합하나가격이비싸제작원가의상승을가져왔다. 초기의알루미늄철도차량은 SSD(Sheet-Stringer Design) 형식으로판재를절단하고가공, 용접하여차체를제작하였기때문에경량화의이점을얻을수는있었으나오히려재료비및작업공수가증가하여기존차량과비교해서별이점이없게되었다. 그러나알루미늄은압출이가능한재질이므로압출기술의발전에따라대형압출재가개발되어상황이변화하게되었다. 대형압출재를이용하면가공및용접에따르는생산원가를대폭절감할수있고전체차량의중량이줄어들어유지보수하는데드는비용을절감할수있다. 이러한장점을이용하여대형압출기술을이용한 AED(All-Extrusion Design) 형식으로표준전동차를개발하였다. AED 생산방법은길이방향으로최대인 19500mm를한

2 번에압출을하여생산하고, 그부재들을서로용접하여차체를만드는방법이다. 표준전동차의연구개발을바탕으로앞으로제작될서울시 3기전동차, 광주광역시전동차, 대전광역시전동차등은모두알루미늄으로차체를제작할예정이다. 본논문에서는 AED 방식으로제작된표준전동차를 MSC/NASTRAN을이용하여강도평가를한후시험을수행하여강도평가결과와시험데이터를비교분석하고, 각단면부재에대한형상설계는많은연구가이루어졌으나차량전체에대한치수최적화연구가미흡하여차량전체를기준으로단면부재에대한치수최적화를수행하여좀더경량화가가능한지에대해연구한다. Fig 1 에서표준전동차차체의압출단면형상을나타내었다. Fig 1. 표준전동차차체의단면형상 2. 차체의강도해석 물성치 1) 에대한안전성판단기준을 Table 1 에정리하였다.

3 Table 1. 안전성판정기준 구분판정기준비고 강도정하중 강 성 굽힘고유진동수 솔바의최대처짐 모재부 용접부 12.4 kg f/ mm2 8.7 kg f/ mm2 대차중심간거리의 1/1,000 이하 10.0 Hz 이상 하중조건은도시철도차량하중시험방법에근거하여, 하중시험시겪는하중에대하여강도평가를하였다. 하중조건은건교부에서고시한표준사양 2) 중 도시철도차량구조체하중시험방법 및 JIS E 7105 철도차량구체의하중시험방법 에근거하여, 하중시험시겪는하중에대하여강도평가를하였으며본논문에서는수직하중만을다루었다. 수직하중에대한평가는차량의운행중발생할수있는최악의하중조건으로최대승객하중과동하중계수를고려한상태이며최대응력값이허용응력이내이어야한다. ( 공차하중 + 최대승객하중 - 대차하중 ) (1 + 동하중계수 ) - 차체하중 = (34, ,000-7,500 2) 1.2-6,640 = 52,640(kgf) 해석결과를살펴보면수직하중에대한최대응력은 Fig 2와같이출입문상부의용접부에서 8.55kgf/ mm2발생하고있으나, 용접부의허용응력 8.7kgf/ mm2보다작은값이다. 한편최대처짐량은차체중앙부에서 10.7mm로서기준값 13.8mm 보다작은값으로분석되었다. Table 2에서해석결과를정리하였다. Table 2. 최대응력및처짐량결과 하중 구분 결과 비고 수직 최대응력 8.55 kgf/ mm2 출입문코너 하중 최대처짐량 10.7 mm 바닥중앙부

그림 2. 해석결과 3. 시험 표준전동차의차체를설계하중조건에서스트레인게이지등필요한시험기기를사용하여차체각부의응력과강성확인을위한시험을시행하였다. 시험장소는 ( 주 ) 한진중공업다대포공장연구동에서 99. 4.27일 4.30 일까지실시하였다. 시험의목적은차체의응력, 변위및진동등을측정분석하여차량의성능및안전성을평가하기위함이다.

4 그림 2. 해석결과 3. 시험 표준전동차의차체를설계하중조건에서스트레인게이지등필요한시험기기를사용하여차체각부의응력과강성확인을위한시험을시행하였다. 시험장소는 ( 주 ) 한진중공업다대포공장연구동에서 일 4.30 일까지실시하였다. 시험의목적은차체의응력, 변위및진동등을측정분석하여차량의성능및안전성을평가하기위함이다. 시험구체의안전성을위하여예비하중시험을먼저행한후각각의시험조건에적합한조건에서시험하여응력과강성도를확인하였다. 시험은 JIS E 7105 철도차량구체의하중시험방법 4) 에준하여시행하였다. 3.1 시험절차 1) 계측기각측정항목에대한계측기를 Table 5에표시하였다. Table 5. 계측기 측정항목 계 측 기 응 력 스트레인게이지 변위량 다이얼게이지 진동수 가속도계 시험하중로드셀 차체하중시험에사용된장비들은 Exciter, FFT 분석기등을사용하였다. 2) 응력의측정점다음과같은부위에스트레인게이지를장착하였다. a) 강도계산의결과높은응력발생이예측되는부분

5 b) 차체제작시용접, 가공등주의를요하는부분 c) 형상및단면의급변화부분, 용접비드의끝단부등응력집중이예측되는부분 3) 변위량의측정점다이알게이지설치는다음과같은부위에다이알게이지를장착하였다. a) 차량의길이방향으로수직방향의변위량 b) 차체의지지점. c) 출입구의개구부양단. d) 변형상태가관측가능한위치로대략등간격이되는점 4) 스트레인게이지장착위치스트레인게이지는언더프레임에 41개, 사이드프레임및외판에 53개, 지붕골조에 16개등총 110개를장착하였으며, 스트레인게이지장착위치는 Fig 3, 4, 5, 6과같다. Fig 3. 스트레인게이지취부위치 ( 차체언더프레임부위 )

6 Fig 4. 스트레인게이지취부위치 ( 차체언더프레임센타실부위 ) Fig 5. 스트레인게이지취부위치 ( 차체사이드부위 )

Fig 6. 스트레인게이지취부위치 ( 차체루프부위 ) 3.2 시험방법시험하중은 2. 차체의강도해석의하중조건에따른다. a) 차체지지방법차체의지지방법은대차에의해서지지되는부위를지지한다. 차체지지방법을 Fig 7에나타내었다. Fig. 7 차체지지방법 b) 시험하중의부하방법 시험하중은주물블록과모래주머니를사용하였고수직방향의부하이며, 부하는 바닥면적등분포로하였다.

7 Fig 6. 스트레인게이지취부위치 ( 차체루프부위 ) 3.2 시험방법시험하중은 2. 차체의강도해석의하중조건에따른다. a) 차체지지방법차체의지지방법은대차에의해서지지되는부위를지지한다. 차체지지방법을 Fig 7에나타내었다. Fig. 7 차체지지방법 b) 시험하중의부하방법 시험하중은주물블록과모래주머니를사용하였고수직방향의부하이며, 부하는 바닥면적등분포로하였다. 3.3 시험결과수직하중 52.64톤의하중부여시최대응력은볼스타근방출입문아래쪽모서리부 ( 게이지번호 113번 ) 에서압축응력 8.97 kg/ mm2의값을보이고있다. 이는모재부허용응력 (12.4 kg/ mm2 ) 값보다작은값이다. 3.3 해석결과와시험결과의비교유한요소해석프로그램을이용한결과와시험결과는 Table 4에서보는바와같이

8 동일조건에서모두기준치이내의값을나타내어표준전동차가안전하게설계 및제작이되었음을알수있었다. Table 6 해석결과와시험결과의비교 시험종류기준값해석결과시험결과 수직하중시험 처짐량 ( 수직하중시험시 ) 모재부 용접부 12.4kg/ mm2 8.7kg/ mm2 8.55kg/ mm2 ( 용접부 ) 8.97kg/ mm2 ( 모재부 ) 13.8 mm 이내 10.7 mm 10.6 mm 4. 최적설계 요구되는설계조건을만족하는많은해중의하나를구하는과정을일반적으로적정설계라고한다. 미지수의개수가방정식의개수보다크므로해가무수히많다. 여기서다룰최적설계는요구되는설계조건을만족하는많은해중에서가장중요한바람직하지않은성능지수를최소화하거나가장중요한바람직한성능지수를최대화하는해를구하는과정으로정의할수있다. 바람직하지않은성능지수의예를살펴보면중량, 응력, 처짐, 소음, 소요공간등을들수있으며, 바람직한성능지수의예를살펴보면안전계수, 에너지흡수능력, 동력전달능력등을들수있다. 최적설계는크게세가지중요한입력데이터가필요한데설계변수, 목적함수, 구속조건이다. 설계변수는설계데이터변수이고, 목적함수는선택된가장중요한성능지수이며, 구속조건은만족되어야하는설계조건으로정의할수있다. 최적설계의목적은주어진여러가지설계구속조건하에서가장최적의성능을갖도록설계하는것이다. 최적의제품을만들어내기위해초기설계된설계사양에따라시작품을만들어보고여러가지시험을거쳐요구되는성능이만족할때까지설계한다. 설계과정에서설계를어떻게하면더나은설계를할수있느냐를결정하는것이엔지니어의능력이라해도과언이아니다. 결국본연구에서는이러한최적설계의기초가되는가이드를제시하고자한다. 본연구에서는최적설계의문제를해결하기위해다음과같이입력데이터를설정하였다.

9 1) 설계변수 - 각단면구조물의두께 2) 목적함수 - 무게 3) 구속조건 - 최대응력 4.1 설계변수및구속조건설정설계변수는사이드프레임, 언더프레임, 솔바, 루프, 켄트레일등하중조건에가장영향을받는부재로선정하였다. 부재별로다시두께값을설계변수로선정하였으며길이방향의두께는링크시켰다. Table 5에서두께의초기값및설계변수범위를제시하였다. 구속조건은모든요소에서최대응력을 8.7kg/ mm2갖도록하였다. Table 5. 설계변수와형상 설계변수형상초기값 (mm) 설계변수범위비고 t2 t1 = 3 1 t1 3 사이드프레임 t1 t2 = 3 1 t2 3 언더프레임 t3 t4 t3 = t3 2.5 t4 = t4 2.8 t6 t5 t5 = 5 1 t5 5 솔 바 t6 = 7 1 t6 7 t7 t7 = 10 1 t7 10 루 프 t8 t8 = t8 2.8 켄트레일 t9 t9 = 3 1 t9 3 차체볼스타 t10 t10 = 15 1 t10 15

10 4.2 최적설계결과 Fig 8 은최적설계후목적함수인중량에대한내용이며 Table 7 은 이다. 두께의결과값 weight Fig 11. 최적설계중량결과 Table 8. 최적설계두께결과 설계변수 결과값 (mm) 비 고 사이드프레임 t1 = 3 - t2 = 3 - 언더프레임 t3 = 1.5 t4 = 1.5 t5 = 4.67 솔 바 t6 = 7 - t7 = 10 - 루 프 t8 = 2.5 켄트레일 t9 = 3 - 차체볼스타 t10 = 15 - 이결과에서보는것처럼두께의변화가다양하게흐르고있다. 초기설계의강도가 안전하여구속조건을 8.7kg/ mm2로선정하여초기값보다작은설계값을가진다.

11 최적설계후최대응력집중은출입문코너에서 8.54kg/ mm2결과를얻었다. 설계변수의흐름을파악하면대체로최적화에근접하게설계되었으나과도하게설계된부분도있었다. 언더프레임과루프는초기설계값보다줄어드는경향이있으며언더프레임의경우는과도하게설계되었다. 5. 결론 응력해석에의한강도평가와시험을통해표준전동차는안전하게설계되었음을알수있지만최적설계결과언더프레임이과도하게설계되어설계변경을고려하여야한다. 설계변경시압출가능한소재의두께, 형상등의조건을고려하여야한다. 본연구에서치수최적화를연구한이유는각부재별영향과과도설계부분을찾아내는데그중요성이있다. 결국치수를줄이는것은더이상의미가없고형상변경을고려해야한다. 특히언더프레임형상의높이를낮출필요가있으며낮추어진높이만큼중량감소효과가있으며, 소음차단재등을더설치하여소음감소에도움이될것으로판단된다. 본연구에서는각두께별영향을파악하는데그쳤지만향후, 언더프레임및각부재별형상을최적화해야할것이다. 참고문헌 1. 권태수, 이효용, 문형석, 이관섭, 조연옥, 한국형표준전동차개발을위한알루미늄구조체의강도평가 98 MSC USER'S CONFERENCE 논문집 2. 도시철도차량표준사양, 1998, 건설교통부 3. 철도차량구조용알루미늄압출형재및차체구조개발에관한연구 1996, 통상산업부 4. 철도차량구체의하중시험방법 일본공업규격, JIS E 7105, 1988

Microsoft Word - KSR2014S039

Microsoft Word - KSR2014S039 2014 년도 한국철도학회 춘계학술대회 논문집 KSR2014S039 LDSS 소재를 적용한 철도차량 루프 블록 제작 Fabrication of Rolling Stock Roof Block Using LDSS 정현승 *, 임재용 *, 김정국 *, 서승일 **, 원성연 ***, 최점용 *** Hyunseung Jung *, Jae Yong Lim *, Jeong-Guk