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A Study on a Theoretical Conceptual Design Model to Reduce the Weight of a Simple Box-type Cut-out Carbody

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Academic year: 2021

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단순

Box형 Cut-out 차체모델의 경량화를 위한 이론적 개념설계 모델 연구

A Study on a Theoretical Conceptual Design Model to Reduce the Weight

of a Simple Box-type Cut-out Carbody

조정길* 구정서† 정현승**

Jeong-Gil Cho Jeong-Seo Koo Hyun-Seung Jung

ABSTRACT

In this paper, a theoretical approach was studied to make a baseline box type model satisfying the stiffness condition of a cut-out model. First, we compared the sum of the sectional theoretical deflections and the FEM result of the cut-out model under the static load test conditions, and we obtained good correlations from both the results. Second, To obtain the thickness of the baseline model, we used the mean value of geometric moment of intertia of the side wall and roof structure. Also, we compared the theoretical results and the FEM result of a baseline model, and we obtained good correlations. It is considered that the developed theoretical approach can be used for the weight reduction of train carbodies.

1. 서론 에너지 절약이라는 목표아래 철도차량의 경량화에 관한 연구가 활발하다. 그 중 차체의 경량화를 위 한 다양한 연구가 수행중인데 특히 이종소재를 적용한 하이브리드 타입의 차체를 이용하여 차체중량의 절감, 중량감소분에 대한 운영 에너지의 최소화 등의 장점을 꾀할 수 있다. 본 논문에서는 철도차량의 경량화를 위하여 개념설계단계에서 적용할 수 있는 cut-out 차체모델에 상응하는 baseline 차체모델을 만드는 것이다. 측벽과 지붕구조의 창문, 출입문, 에어컨 설치부 등과 같 은 cut-out 부분을 고려하여 수직하중시험조건에서 차체의 처짐량에 상응하는 측벽, 지붕구조의 두께 값을 구하여 이를 적용한 baseline 차체모델을 이용하여 이론해와 유한요소해석해와의 유사성을 검증하 였다. 이는 차후 차체구조의 소재대체에 의한 경량화방안[1,2]을 연구하는데 바탕을 마련하였다. 2. Cut-out 차체모델의 유한요소해석 및 이론적 해석의 유사성 검증 2.1 Cut-out 차체모델의 유한요소해석 그림. 1과 같이 표준전동차모델의 하부구조, 측벽구조, 그리고 지붕구조의 평균두께를 적용한 단순 box 형태의 cut-out 차체모델을 구성하였다. 이를 해석하기 위하여 Altair사의 Hyperworks를 이용하여 평균 50mm의 크기의 68916개의 쉘(shell)요소와 70271개의 절점을 이용하여 구조체 하중시험조건[3] 에 의한 수직하중시험조건의 선형해석을 수행[4,5]하였다.

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재질 항복강도  탄성계수  포아송비 밀도  전단탄성계수  모재부 용접부 A6005A5) 21.92 11.72 7.0× 0.33 2.7×  2.7× 표 1. 사용재질의 물성치 항 목 길 이(mm) 폭 (mm) 높 이(mm)  (mm)  (mm)  (mm) 수직하중 (kgf) 제 원 19500 3120 2564 9.5 3.2 4.2 52640 표 2. 단순 box형 차체 모델의 제원 그림 1. Box 형태의 cut-out 차체모델 그림 2. 해석결과(최대처짐량 ≒ 18.793mm) 2.2 Cut-out 차체모델의 이론적 해석 그림 3. 반쪽 차체의 개략적 모델 그림 3의 cut-out차체모델 반쪽의 개략적인 모델에 기준단면을 기준으로 θ=0을 이용하여 8개의 파 트의 처짐량을 분포하중과 집중하중에 의한 굽힘처짐량과 측벽의 전단처짐량의 합을 이용하여 구하였 다.[6] 이론적 해석결과(21.18mm)와 유한요소해석결과(18.793mm)가 유사함을 알 수 있다.

(3)

모델전체의 굽힘 처짐량 측벽의 전단 처짐량 ①집중하중에 의한 처짐 약 13.46 mm ③ 형태의 처짐 약 2.5 mm ②분포하중에 의한 처짐 약 3.21 mm ④ 형태의 처짐 약 8.43 mm ① - ② 10.25 mm ③ + ④ 10.93 mm 표 3. 이론적 해석결과 - ① 집중하중에 의한 처짐량         (1)        (2) 식 (1)과 (2)의 처짐량과 처짐각을 이용하여 8개 파트의 처짐량을 축차적으로 계산(약 13.46mm) - ② 분포하중에 의한 처짐량         (3)        (4) 식 (3)과 (4)의 처짐량과 처짐각을 이용하여 8개 파트의 처짐량을 축차적으로 계산(약 3.21mm) - ③ 측벽의 전단처짐량 그림 4. SFD 측벽에 작용하는 하중이 분포하중이므로 측벽의 전단처짐은 다음과 같은 식에 의해 결정된다.

(4)

  ∙   ∙  (5) 

   ∙   ∙  (6) 여기서 는  로서 다음과 같이 정리할 수 있다. 

   ∙   ∙  

   ∙  ∙    ∙  ∙    ∙ ∙   (7) 식 (7)의 처짐량을 이용하여 8개 파트의 처짐량을 축차적으로 계산(약 2.5mm) - ④ 측벽의 전단처짐량 그림 5. BMD 파트 1, 3, 5, 6, 8의 측벽은 Cut-out이 존재하므로 모멘트 차이에 의한 처짐량을 계산(약 8.43mm) 3. Baseline 차체모델의 구성 3.1 Baseline 차체모델 측벽구조의 두께

Baseline model의 경우 측벽의 cut-out이 존재하지 않기 때문에 식(7)을 이용하여 다음과 같이 측벽 두께를 구할 수 있다.   ×  ×   ×    ×  ×  ×  ×     (8) 위의 식을 이용하여 baseline model의 측벽두께는 약 0.459(mm)로 구해진다. 3.2 Baseline 차체모델 지붕구조의 두께

Cut-out 모델의 굽힘처짐량의 합은 약 10.25(mm)로 구해졌다. 이를 만족하는 baseline model의 지 붕두께를 구하기 위해 식(9),(10)을 이용하였다.

(5)

        (9)              (10) 위의 식을 이용하여 baseline model의 지붕두께는 약 1.706(mm)로 구해진다. 3.3 Baseline 차체모델의 유한요소해석 baseline 차체모델의 경우 cut-out 차체모델의 수직하중시험조건과 동일한 조건으로 유한요소해석을 수행하였다. 그림 6. Baseline 차체모델 그림 7. 해석결과(최대처짐량 ≒ 17.851mm) 4. 결 론 본 연구의 주요 결과 및 결론은 다음과 같다. ① 본 연구에서 단순 box형태의 cut-out 차체모델을 이용하여 구조체의 하중시험조건을 통해 이론해와 해석해와의 유사성을 검증하였다. ② Cut-out 차체모델의 굽힘 처짐량과 측벽의 전단처짐량에 상당하는 baseline 차체모델의 지붕구조 및 측벽구조의 두께값을 구하였다. ③ 계산된 두께값을 적용한 baseline 차체모델의 유한요소해석결과 cut-out 차체모델 및 이론적 해석해 와 유사성을 검증하였다. ④ 본 연구에서 개발한 baseline 모델을 이용하면 실제 차체구조의 소재대체를 통한 경량화 효과를 연 구하는데 기초가 될 것이다. 감사의 글 본 연구는 한국철도기술연구원의 “소재대체를 이용한 철도차량 경량화 방안”의 연구성과의 일부분이 며, 연구수행에 도움을 주신 관계자 여러분께 감사드립니다.

(6)

참고문헌

1. J. S. Koo and H. j. Cho, “Weight-reduction prediction for the conceptual design of carbody with shell type sections using the material substitution technique,” KSAE, Vol. 15, No. 4, pp. 17 - 26, 2007.

2. J. S. Koo and H. S. Jung, “A Study on Material Substitution Design and Evaluation Method for Structural Components of Rolling Stocks,” KSAE, Vol. 12, No. 4, pp. 74 - 84, 2004.

3. “도시철도차량 표준사양”, 1998, 건설교통부

4. “Radioss for Linear,” Altair Engineering Inc, pp. 14 - 24, 2010.

5. “철도차량 구조용 알루미늄 압출형재 및 차체 구조 개발에 관한 연구”, 1996, 통상산업부

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