Journal of the Korea cademia-industrial cooperation Society Vol. 18, No. 1 pp. 579-584, 2017 https://doi.org/1762/kis.2017.18.1.579 ISSN 1975-4701 / eissn 2288-4688 고속철도차량횡댐퍼오일씰의형상단면최적설계 황지환 1, 김철수 2* 1 한국교통대교통대학원, 2 한국교통대철도차량시스템공학과 Optimum Design of ross Section Lateral Damper Oil Seals for High Speed Railway Vehicle Ji-Hwan Hwang 1, hul-su Kim 2* 1 Graduate School of Transportation, KNUT 2 Department of Railway Vehicle System Engineering, KNUT 요약고속철도차량댐퍼의오일씰은열차운행동안외부환경으로부터유해한오염을막고, 댐퍼내부에서오일누출을방지하고자사용되는니트릴부타디엔고무재질부품이다. 오일씰의주요고장원인인누유는본댐퍼의피로파손을일으킨다. 뿐만아니라본오일씰의누적손상은궤도불규칙과캔트등으로열차주행동안반복적인댐퍼의상하운동으로부터로드와본부품사이에접촉력으로인하여발생한다. 따라서본오일씰의설계는취약점에서최대주변형률을최소화하는것이필요하다. 본연구에서는댐퍼의내구성을향상하기위하여다중섬유전자알고리즘을이용하여오일씰단면형상에대한최적설계를수행하였다. 오일씰의최적단면은절차자동화 / 최적설계프로그램을이용하여본연구의최적설계와비선형유한요소해석의통합절차에따라얻어진것이다. 또한, 비선형유한요소해석의입력자료로서, 본고무의비선형물성값은말로우식으로표현하였다. 취약지점인오일누유지점에서최적단면의오일씰은초기형상과비교할때, 이지점에서최대주변형률이약 24% 감소함을확인하였다. bstract The damper oil seal of a high-speed railway vehicle is made from nitrile butadiene rubber (NR) in order to prevent lubricant from leaking into the damper and to stop harmful contaminants from entering the external environment while in service. Oil leakage through the seal primarily occurs from fatigue failure of the damper. umulative damage of the seal occurs due to the contact force between the rod and the rubber during movement due to track irregularities and cants, among other factors. Thus, the design of the oil seal should minimize the maximum principal strain at weak points. In this study, the optimal cross section of the damper oil seal was found using the multi-island genetic algorithm method to improve the durability of the damper. The optimal shape of the oil seal was derived using process automation and design optimization software. Nonlinear material properties for finite element analysis (FE) of the rubber were determined by Marlow's model. The nonlinear FE confirmed that the maximum principal strain at the oil leakage point was decreased 24% between the initial design and the optimum design. Keywords : Damage, High Speed Railway Vehicle, Lateral damper, Multi Island Genetic lgorithm, Oil Seal 본연구는국토교통부철도기술연구사업의연구비지원 (16RTRP08576403) 에의해수행되었습니다. * orresponding uthor : hul-su Kim(Korea National University Transportation) Tel: +82-70-8855-1649 email: chalskim@ut.ac.kr Received December 12, 2016 ccepted January 6, 2017 1. 서론 철도차량현가장치인댐퍼는궤도불규칙및틀림에따라안정된승차감을유지하고자열차운행시반복적으로운동한다. 고속철도차량 (KTX) 현가장치인횡댐퍼는 Revised January 5, 2017 Published January 31, 2017 Fig. 1과같이주행동안차체 (car body) 와대차 (bogie) 사이에서다양한변위및진동을흡수함으로서승차감을향상하는역할을수행한다. 이의주된고장원인은로드 (rod) 의상하반복적인접촉에따른오일씰 (oil seal) 의누유 (leakage) 발생이다. 오일씰의고장은열차운행동 579
한국산학기술학회논문지제 18 권제 1 호, 2017 높이기위해서는응력 - 변형률선도로부터적합한재료거 동식을선정하는것이중요하다. KTX bogie Fig. 2 는본고무재료의응력 - 변형률선도를나타낸 Oilseal Rod Seal Spring 2 것이다. 고무재료의초탄성거동은말로우 (Marlow) 모델 [4] 을이용하여식 (1) 과같이변형률에너지밀도함수 rod (U) 로표현하였다. ontact Spring 1 ( 1 ) ( ) U = U I + U J dev vol el (1) Fig. 1. Lateral damper oilseal of KTX bogie 여기서 는편차변형률에너지밀도 (deviatoric strain energy density), 는부피증감에대한변형률 25 20 Test Marlow 에너지밀도, 은 1차편차변형률불변량 (first deviatoric strain invariant), 은탄성체적비율 (elastic Stress [N/mm 2 ] 15 10 volume ratio) 이다. 이선도는본오일씰에대한비선형유한요소해석의입력자료로서사용하였다. 5 0 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 Strain [mm/mm] U + = U dev 1 ( I ) U vol ( J el ) Fig. 2. Stress-strain curves of nitrile butadiene rubber used for the oilseal 안현가성능 (suspension performance) 의저하를초래함으로서, 주행안전성및승차감에악영향을미친다. 또한오일씰은댐퍼의수명과직결되므로중정비관점에서이의고장에따른빈번한유지보수및교체가어려운실정이다. 따라서기존댐퍼의고장방지및수명연장을위해서는다양한댐퍼류에공통적으로취부할수있는오일씰에대한단면형상의최적설계연구가필요하다. 최근철도차량고무부품에대한연구 [1-3] 는방진고무부품의특성평가 [1] 와네오프렌고무로제작된차량간통로연결막의비선형해석및내구성평가에관한연구로국한되었다 [2,3]. 이에반하여본연구의오일씰과같이철도차량고무부품에대한해석및설계에관한연구는금속소재와달리초탄성 (hyper-elastic behavior) 의거동에대한해의수렴이어려우므로아직까지미비한실정이다. 3. 비선형유한요소해석 Fig. 3 은본오일씰의경계조건및작용하중을나타 Rod U x = 1mm, U y = 15mm Oilseal Spring2 load : 15N Ux = Uy = Uz =0 (a) Spring1 load : 30N 2. 기계적특성평가 고무소재는대변형범위에서도초탄성거동을나타내므로이를고려한비선형유한요소해석시해의정확도를 Oil pressure : 1MPa (b) Fig. 3. Finite element model and boundary condition of the oilseal, (a)assembly condition of the 1 st step (b) applied load condition of the 2 nd step 580
고속철도차량횡댐퍼오일씰의형상단면최적설계 Max. principal strain [mm/mm] at point PU time 0 0.16 0.18 0 2 4 6 Mesh size 3000 2500 2000 1500 1000 Fig. 4. Determination of the mesh size of the oil seal finite element Max.principal strain [mm/mm] Deformation, U x [mm] 0.1 Rod (a) Seal 500 detail view 0 assembly condition 1 applied load condition 2 1.5 1.0 Increment of step (b) 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 Distance between rod and contact point [mm] (c) Fig. 5. Maximum principal strain distribution and histories of the original model, (a)finite element analysis result PU time [sec] 낸것이다. 작용하중은총 2 단계로구분되며, 첫번째단계는조립조건 (Fig. 3(a)) 이고, 두번째는조립상태에서유압을부여하는단계 (Fig. 3(b)) 이다. 조립조건은로드를오일씰의립 (lip) 에 1mm 변위로부여하고, 각스프링조립은링크 (link) 형태로구현하였다. 여기서 2개의스프링하중은각각 15N과 35N을부여하였다. 2단계작용하중조건인오일씰내압은 1MPa이다. Fig. 4는요소크기 (mesh size) 에따른최대주변형률 (지점) 과해석시간을나타낸것이다. 그림에서요소크기 인경우에최대주변형률을유지하면서급격한해석시간의감소를나타내므로이를본해석에서적용하였다. Fig. 5는 Fig. 3으로부터기존단면형상의오일씰에대한비선형유한요소해석결과를나타낸것이다. 본연구의기계적거동변수는고무재료의초탄성거동을고려하여최대주변형률 (maximum principal strain) 이다 [1-3]. 이그림에서취약부위는로드와접촉하는세지점들로서, 최대주변형률의크기에따라, 및 지점순으로나타난다. 이의원인은 Fig. 5(c) 로부터로드사이간격의크기에따라각지점에서 x축변형량 ( ) 의증가때문이다. 가장높은최대주변형률은 지점에서 94이다. 또한, 실질적인오일누유발생지점인 지점도 43(지점최대주변형률값의 87%) 으로서취약지점에해당한다. 따라서이들취약지점부근의기하학적형상은본부품의최적설계변수로서고려되어야한다. 4. 최적설계 본댐퍼의오일씰에대한누유방지를위한설계요구사항은오일씰조립에따른기하학적제약과로드접촉에따른최대주변형률의감소이다. 이로부터설계문제를정식화하면 Table 1과같으며, 각취약지점인세지점 (,, ) 의최대주변형률을감소하기위한설계변수들은 Fig. 6과같다. Table 1. Formulation of optimum design Find Minimize oundary onstraint,, Maximum principal strain at, and 64 < < 74[deg] < < 1.5[mm] 55 < < 65[deg] Max. principal strain at point < 94 Max. principal strain at point < 81 Max. principal strain at point < 43 581
한국산학기술학회논문지제 18 권제 1 호, 2017 X 3 X 1 Fig. 6. Design parameters for the damper oilseal omputer ided Design 2D & 3D sketch optimal modelling Finite Element nalysis Preprocessing FE model Loads and constraints Element groups FE analysis, check results Optimization Preprocessing Object function Manufacturing constraints Element groups Other parameters X 2 Design validation Reaction force omparison between initial and optimal design New design (D) Optimization. Loop Optimization. Post (view) (a) Multi island genetic algorithm 로저장한후에수행한다. 다음단계에서최적화문제는 Fig. 6에따라설계영역및변수를정의하며, QUS 에의해생성된 odb 파일은목적함수결과화일로지정된다. 최적화루프는 I-sight의 zmf 입력화일로저장하면서반복수행한다. 본연구의최적화는각접촉지점 와 의각도를설계변수로정의하고, 목적함수를최소화하도록진행한다. 최적화알고리즘은 Fig.7 (b) 와같이다중목적함수에유용한다중섬유전자알고리즘으로수행하였다. 본알고리즘은기존의유전자알고리즘과달리설계변수 (,, ) 인개체들 (individuals) 을 섬 으로그룹핑하고, 반복과정동안하위개체군을독립적으로유지하고새로운반복과정전에하위개체군간의지식전달과정 (migration) 을수행하여부분최적해의발생가능성을낮게한다.[5-7] 본연구에서는각단계최적화반복하는동안유한요소모델과파라미터들을설계데이터에바로반영한다. 본모델의최적화는 Fig. 8과같이총 350회로부터 259회에서성공하였다. Fig. 9은 Fig. 8로부터본오일씰의최적단면을기존단면과함께나타낸것이다. 이그림에서나타낸바와같이최적화단면은 지점각도 ( ) 는 69도에서 72도로, 지점각도 ( ) 는 60도에서 65도로바뀌었으며, 중심부의두께 ( ) 는 1mm에서 5mm로변화하였다. (b) Fig. 7. Flowchart of an iterative optimization procedure, (a) Optimization flowchart, (b) Multi island genetic algorithm [7] Fig. 7(a) 은오일씰의단면에대한형상최적화설계과정을도식화한것이다. 최적설계프로그램은I-sight이며, 이는유한요소해석프로그램인 QUS와 D프로그램인 TI V5와연동하여실행을자동화한다. 뿐만아니라, 결과에따른설계공간을탐색하고, 필요한제약조건을따르는최적설계매개변수를식별한다. 이의과정을살펴보면, 먼저유한요소전처리단계에서는재료특성, 하중및경계 ( 또는제약 ) 조건을정의한다. 또한유한요소해석은최적화를고려하여 cae 파일형식으 Max.principal starin [mm/mm] 0.6 0.1 0 50 100 150 200 250 300 350 Max.principal starin [mm/mm] Iteration of optimization 254 256 258 260 262 264 266 Iteration of optimization detail view Fig. 8. Optimization histories in case of Fig. 7 582
고속철도차량횡댐퍼오일씰의형상단면최적설계 1.0 X 1 detail view at X 1 Initial model Optimal model Deformation, U x [mm] 0.8 0.6 X 2 X 3 detail view at X 3 detail view at X 2 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 Design variable, X 3 [deg] Fig. 11. omparison of design variable X 3 histories of deformation Fig. 9. omparison of cross sections between the initial and the optimum designs 150 120 Initial model Optimal model Max.principal strain [mm/mm] 0.1 Initial_ Initial_ Initial_ Optimal_ Optimal_ Optimal_ 0 assembly condition 1 applied load condition 2 Increment of step Fig. 10. omparison of maximum principle strain histories between the initial and the improved model Table 2. omparison of the initial and optimum design models. Initial model Optimal model Decreasing Max. Max. rate of Max. Position principal variables principal variables principal strain strain strain 94 69 [deg] 77 72 [deg] 4 [%] 5 85 1 [mm] 52 12 [%] [mm] 42 60 [deg] 60 65 [deg] 24 [%] Reaction force[n] 90 60 30 0 0 1 2 Increment of step Fig. 12. omparison of increment histories of reaction force at rod axis center 그림에서오일누유관련 지점에서최적모델의최대주변형률은 42에서 60으로약 24% 감소하였다. 또한, 2단계 와 지점에서최적모델의최대주변형률은각각 60와 52로서거의같아진다. 이의원인은 Fig. 11 에서보는바와같이 지점의 x 축변형량 ( ) 은 의각도증가에따라완만한감소경향을갖는 지점과달리급격히감소하였기때문이다. 한편, 기존모델과최적모델에서로드의축중심에서각각의반력이력은 Fig. 12와같이거의유사함을확인하였다. 이로부터 Fig. 9의최적단면에대한본해석의유효성을확인하였다. 제안된최적화단면의유효성을검증하기위하여기존대비최대주변형률과반력을함께비교하였다. Fig. 10는 Fig. 9의기존과최적화단면에대한세지점에서각각의최대주변형률분포이력이며, Table 2는세지점에결과를함께비교한것이다. 5. 결론 본연구에서는철도차량댐퍼류오일씰의내구성향상연구일환으로서, 이의비선형유한요소해석을수행 583
한국산학기술학회논문지제 18 권제 1 호, 2017 하였으며, 단면형상에대한유전자알고리즘기반최적설계를수행하였으며, 이로부터얻어진결론은다음과같다. (1) 본오일씰의비선형유한요소해석은조립조건과유압을부여하는단계로나누어수행하였다. 해석결과로부터실질적인오일누유발생지점에서최대주변형률은 43이며, 이지점이외로드와접촉하는지점에서도최적설계수행시제한및목적함수에고려하였다. (2) 총 350회단계를거쳐다중섬유전자알고리즘에준한최적설계를수행한결과, 본오일씰의최적화단면은로드와접촉하는 2개지점에서기존모델보다 3~5 증가하는형상을갖는다. 또한최적단면의최대주변형률은오일누유와관련지점에서약 24% 감소하였다. 그리고두모델의반력이력이유사하므로최적설계의유효성을확인하였다. 향후에이를바탕으로내구성해석, 리그시험및차량시운전시험평가를수행할것이다. DOI: https://doi.org/10.1016/j.asr.2013.12.021 [7] S.. hoi, J. W. Jung, J.. hoi, Y. S. hang, H. O. Ko, M.. Kim,. S. Lee, "Estimation of rittle Fracture ehavior of S508 arbon Steel by onsidering Temperature Dependence of Damage Model", The Korean Society of Mechanical Engineers, vol. 36, no. 5, pp. 513-521, 2012. DOI: https://doi.org/1795/ksme-.2012.36.5.513 황지환 (Ji-Hwan Hwang) [ 정회원 ] < 관심분야 > 철도차량설계, 철도차량 RMS 2014 년 2 월 : 한국철도대학교철도차량기계과졸업 2015 년 3 월 ~ 현재 : 한국교통대학교교통대학원 ( 석사과정 ) References [1]. S. Woo, H. S. Park, D.. Park, "haracteristics and Useful Life Prediction of Rubber Spring for Railway Vehicle", Journal of the Korean Society for Railway, vol. 10, no. 2 pp. 211-216, 2007. [2] G. H. Kang,. S. Kim, "Nonlinear nalysis of Rubber ellows for the High Speed Railway Vehicle", Journal of the Korea cademia-industrial cooperation Society, vol. 14, no. 8, pp. 3631-3637, 2013. DOI: http://doi.org/1762/kis.2013.14.8.3631 [3] G. H. Kang,. S. WOO,. S. Kim, "Durability Evaluation of Gangway onnections for the High Speed Railway Vehicle", Journal of the Korea cademia-industrial cooperation Society, vol. 15, no. 8, pp. 4796-4801, 2014. DOI: http://doi.org/1762/kis.2014.15.8.4796 [4]. li, M. Hosseini,.. Sahari, I. Paczeltd, " Review of onstitutive Model for Rubber-Like Materials", merican Journal of Engineering and pplied Sciences, pp. 232-239, 2010. DOI: https://doi.org/1844/ajeassp.20132.239 [5]. V. der Velden, P. Koch. Isight Design Optimization Methodologies. pp. 7-16, Simulia, 2010. [6] X. Hu1, X. hen, Y. Zhao and W. Yao, "Optimization Design of Satellite Separation Systems ased on Multi-Island Genetic lgorithm", dvances in Space Research, vol. 53, no. 5, pp. 870-876, 2014. 김철수 (hul-su Kim) [ 종신회원 ] < 관심분야 > 철도차량설계, 철도차량 RMS 2002 년 8 월 : 한양대일반대학원기계설계학과졸업 ( 공박 ) 2008 년 11 월 ~ 현재 : 국토해양부철도기술심의위원 2003 년 3 월 ~ 현재 : 한국교통대학철도차량시스템공학과교수 ( 교통대학원겸직 ) 584