Copyright
Ⓒ2012 KSAE / 117-10 pISSN 1225-6382 / eISSN 2234-0149 DOI http://dx.doi.org/10.7467/KSAE.2012.20.3.067 Transactions of KSAE, Vol. 20, No. 3, pp.67-76 (2012)
3D/1D 하이브리드 유한요소 모델을 이용한 동력 분산형 차세대 고속열차 전체차량의 충돌 해석
김 거 영․구 정 서*
서울과학기술대학교 철도차량시스템공학과
Collision Analysis of the Next Generation High-speed EMU Using 3D/1D Hybrid FE Model
Geoyoung Kim․Jeongseo Koo*
Department of Rolling Stock System Engineering, Seoul National University of Science & Technology, Seoul 139-743, Korea
(Received 25 March 2011 / Revised 14 September 2011 / Accepted 3 November 2011)
Abstract : In this paper, collision analysis of the full rake for the Next Generation High-speed EMU is conducted using a 3D/1D hybrid model, which combines 3-dimensional (3D) front-end structure of finite element model and 1-dimensional (1D) multi-body dynamics model in order to analyze train collision with a standard 3D deformable obstacle. The crush forces, passengers’ accelerations and energy absorptions of a full rake train can be easily obtained through a simulation of a 1D dynamics model composed of nonlinear springs, dampers and masses. Also the obtained simulation results are very similar to those of a 3D model if an overriding behavior does not occur during collision. The standard obstacle in TSI regulation has been changed from a rigid body to a deformable body, and therefore 3D collision simulations should be conducted because their simulation results depends on the front-end structure of a train.
According to the obstacle collision analysis of this study, the obstacle collides with the driver’s upper structure after overriding over the front-end module. The 3D/1D hybrid model is effective to evaluate a main energy-absorbing module that is frequently changed during design process and reduce the need time of the modeling and analysis when compared to a 3D full car body.
Key words : Collision analysis(충돌해석), Multi-body dynamics model(다물체 동역학모델), Hybrid model(하이브 리드모델), Overriding behavior(타고오름 거동), Deformable obstacle(변형체 장애물)
1. 서 론
1)
열차는 견인력을 발생시키는 동력 축을 배치하는 방식에 따라 동력 집중식과 분산식으로 나누어진 다. 동력 집중식으로는 현재 국내에서 운행 중인 KTX 그리고 G7 연구과제에서 개발된 KHST 등이 있다. 이 열차들은 모두 관절 형 대차를 사용함으로 써 축중은 증가하나 대차 수가 거의 반으로 줄어 경
*
Corresponding author, E-mail: [email protected]
량화되고 승객들의 좌석이 진동이 큰 대차 위에 설 치될 필요가 없어 승차감이 개선되는 등의 이점이 있다.
현재 진행 중인 차세대고속철도기술개발사업은 기존대차형식의 동력분산식 고속열차를 개발하는 것으로 집중식에 비해 축중이 적어 차륜과 레일의 유지보수비용 절감되고 높은 순간가속능력 등의 이 점이 있다.
충돌안전 측면에서 관절형 대차가 적용된 열차는
김거영․구정서
Table 1 Collision scenario and Acceptance criteria of the current TSI & Korean rolling stock safety regulations
항 목 국내철도차량안전기준 지침16조 개정된 TSI (2008)
충돌사고각본
정면충돌사고각본 36 km/h 36 km/h
대형장애물 충돌사고각본 110 km/h (변형체 장애물) 110 km/h (변형체 장애물)
화차 충돌사고각본 - 36 km/h
평가기준 생존공간 충격감속도 제한 최대 7.5g, 평균 5g (운전실 제외) 평균 5g (운전실포함)
생존공간 확보 길이와 폭 0.75 m 또는 80% 이상, 높이는 80% 이상 길이 0.75 m 이상 충돌 시 열차 간의 타고오름을 막아 대형 인명사고
를 방지할 수 있는 장점이 있으나 대부분의 충돌에 너지가 열차 전두부와 비 관절대차가 적용된 구간 에 집중되어 차체 손상을 일으키므로 push-back 구 조와 같이 에너지흡수 장치를 구조내부에 장착하여 집중되는 충돌에너지를 흡수해야 하는 설계상 난점 이 있다. 하지만 기존형 대차가 적용된 열차는 각 단 부구간에 에너지 흡수식 연결기를 장착하여 충돌에 너지를 분산시켜 흡수하므로 차체손상을 줄일 수 있다.1,2)
2007년부터 착수된 차세대 고속철도기술개발사 업의 충돌안전도 설계 기준은 2007년에 시행된 국 내 철도차량안전기준 시행지침 16조를 따르다가 2008년에 개정된 유럽의 TSI(Technical Specifica- tions for Interoperability)를 따르도록 변경되었다.3,4)
Table 1은 국내 및 TSI의 충돌안전도 평가기준을 요약하여 비교한 것으로 국내기준에 정의된 열차의 충돌가속도 평가기준은 승객 구간이 최대 7.5 g이 하, 평균 5 g이하이고 TSI에서는 운전자 구간을 포 함한 모든 승객 구간에서 평균 5 g이하이다. 이 외에 도 충돌사고 시나리오 및 생존공간 확보 영역 등 일 부 평가기준 및 방법들이 차이가 있다.
기존 G7 연구과제에서 개발된 KHST는 당시 유 럽의 SNCF 사고각본을 적용하여 대형장애물 충돌 사고각본에 사용된 장애물의 재료특성이 강체였으 나 국내 및 TSI 규정에서는 비선형 압괴특성을 갖는 변형체로 변경되었다.
기존에 수행되었던 강체 장애물과의 해석5)은 변 형체 장애물을 사용한 해석결과와 큰 차이가 있고6,7) 변형체 장애물의 형상 및 무게중심이 정의되어 기 존의 1D 해석1,2,8)을 통하여 충돌해석을 수행하는 것 이 불가능하다.
본 논문은 규정에서 정의하는 최종평가시뮬레이
션으로 열차의 충돌안전도를 평가하는 최종단계가 아닌 주요 에너지 흡수구조 및 부품들이 계속하여 변경 및 수정되는 설계단계에서 효과적로 충돌안전 도를 평가하기위해 충돌이 직접적으로 일어나는 전 두부와 운전자 구간 일부만 3D 유한요소모델로 고 려하고 나머지 구간을 1D 동역학 모델을 고려한 하 이브리드 모델(이하 ‘3D/1D 하이브리드 모델’ 라 함)을 개발하여 TSI 및 국내충돌사고 시나리오인 열 차 대 열차 36 km/h 충돌과 표준 변형체 장애물과의 110 km/h 충돌시뮬레이션을 수행하였다.
2. 충돌해석 모델링 2.1 1D 충돌 동역학 해석 모델
Fig. 1은 차세대 고속열차로 TC 차 2량과 M 차 6 량으로 구성된 총 8량 편성열차로 축중은 13톤이다.
차세대 고속열차의 1D 충돌 동역학 모델을 Fig. 2~4 와 같이 크게 TC와 M 차량으로 구분하여 모델링 하 였고 TC 전두부(AC)와 각 차량 사이에 장착된 연결 기(SPC)에서 주요 충돌 에너지를 흡수하게 된다.
3D 전두부구조는 좌우대칭 모델이므로 효율적인 해석시간을 위해 반쪽모델만 구성하고 경계면에 대 칭조건을 주었다. 이와 동일하게 1D 동역학 모델에 도 강성 및 질량을 전체모델의 절반 값만 고려하여 구성하였다.
모든 차량은 전후방의 볼스터 위치를 기준으로 전두부(front), 중간(mid), 끝(end)의 세 구간으로 모 델링 하였다. 주요 에너지 흡수구간인 전두부와 차 간 연결기에 최종적으로 제안된 하중-변위의 비선 형 특성을 적용하였다.
Fig. 1 Configuration of the full rake High-speed EMU
3D/1D 하이브리드 유한요소 모델을 이용한 동력 분산형 차세대 고속열차 전체차량의 충돌 해석
Fig. 2 Dynamics model of the TC car
Fig. 3 Dynamics model of the M car
Fig. 4 Schematic of a collision dynamic model
TC 차 전두부 구간을 제외한 차체 단부 구간의 강 성은 차체의 압축하중 선형해석을 통해 구한 값을 볼스터 중심부터 커플러 취부구간까지의 거리로 환 산하면 약 1000 kN/mm가 되고 본 해석모델(반쪽모
델)에는 절반값인 500 kN/mm인 탄성스프링으로 모 델링 하였으며 운전자 및 승객 구간은 강체로 가정 하였다.
해석 모델에 적용된 대차는 Fig. 2와 같이 차체의 볼스터에 위치하는 스프링으로 모델링 하였으며 기 존 KTX 대차의 길이 방향 강성과 댐핑 값을 준용하 였다.1,2)
2.2 3D 전두부 FE모델을 고려한 3D/1D 하이브리드 모델
Fig. 5와 6은 열차 대 열차 36 km/h 충돌 시나리오 (강체 벽 18 km/h 충돌과 동등)와 장애물 110 km/h 충돌 시나리오를 위한 시뮬레이션의 초기 상태이 다.
Geoyoung Kim․Jeongseo Koo
Fig. 5 Rigid wall collision of the hybrid model at 18 km/h
Fig. 6 Collision of the hybrid model with the 15tons standard obstacle at 110 km/h
열차와 장애물 충돌 시 장애물의 무게중심이 전 두부 에너지흡수 모듈과의 접촉위치보다 높아 전두 부 모듈에 의한 에너지흡수가 거의 일어나지 않고 열차 전두부 구간을 타고 오르게 된다. 이때 운전자 구간에 어떠한 영향을 미치는지 3D 해석을 통하여 평가하여야 한다. 그러므로 장애물과 접촉하는 전 두부 에너지흡수모듈과 운전자 구간까지를 3D 유 한요소로 모델링하고 나머지는 1D 동역학모델을 사용하였다.
운전자 생존공간의 충돌 전 치수는 길이 1.5 m, 높 이는 운전자 발판에서부터 머리 위 천장까지 2 m이 다. 국내충돌안전기준에 제시하는 생존공간은 길이 와 폭이 0.75 m 이상이거나 운전실 원래 길이의 80%
이상이어야 하고 높이는 원래 길이의 80% 이상이어 야 한다. TSI에서는 길이가 0.75 m 이상이고 비상시 운전자 구조를 위해 문이나 통로로 접근할 수 있는 구조여야 한다고 규정되어 있다. 생존공간 기준만 을 비교한다면 길이 방향 공간 확보만을 요구하는 TSI는 국내충돌안전기준보다 수용기준이 간단하 다. 차세대 열차는 운전자석 후방에 객실과 통하는
문이 바로 연결되었기 때문에 TSI를 만족한다.
전체차량에 대하여 1D 충돌해석으로 구한 충격 가속도는 승객 구간의 평균값이므로 실제로 승객이 받는 가속도와 차이가 있으며 TC 차량의 운전자 구 간과 승객 구간이 강체로 묶여 있다. 그러나 하이브 리드 모델에서는 실제 운전자가 받는 가속도를 구 하기 위해 운전석에 있는 언더프레임의 상판의 일 부 노드를 강체로 지정하였다.
본 연구에서 사용된 1D 및 3D/1D 하이브리드 모 델은 비선형 유한요소 해석 프로그램인 LS-DYNA 를 사용하여 해석을 수행하였다.9,10)
3. 충돌해석 결과분석
3.1 열차 대 열차 충돌해석
전체차량에 대한 1D 동역학 모델 및 하이브리드 모델에 대하여 강체 벽 18 km/h 충돌 해석을 수행하 였다. 본 수치해석에서 구해진 충격력과 에너지는 반쪽모델에 대한 값으로 아래 정리한 해석결과는 이를 두 배로 한 전체모델에 대한 값이다.
Collision Analysis of the Next Generation High-speed EMU Using 3D/1D Hybrid FE Model
(a) 1D dynamics model (b) 3D/1D hybrid model
Fig. 7 Energy history curves
(a) Front end of TC1 (b) Coupler between TC1 and M1
(c) Coupler between M1 and M2 (d) Coupler between M2 and M3
Fig. 8 Force-displacement curves of main energy-absorbing parts Fig. 7은 해석 중에 계산된 에너지 선도로 초기 운 동에너지가 전부 열차에 의해 흡수되었고 큰 수치 적인 오차 없이 총 에너지가 거의 일정함을 확인할 수 있다.
Fig. 8은 주요 에너지 흡수구조 및 장치에 작용하
는 충격력-변위 결과이다. 하이브리드 모델은 3D 유 한요소 모델의 충돌로 인한 오실레이션이 심하게 발생하나 평균적으로 1D 전두부 해석결과와 같다.
차 간 연결기도 두 모델 모두 거의 같은 압괴량을 보 이고 있다. 본 해석결과는 열차 대 열차 충돌에 충분
김거영․구정서
(a) Driver’s seat of TC1 (b) Passenger section of TC1
(c) Passenger section of M1 (d) Passenger section of M2
Fig. 9 Longitudinal accelerations of the service sections 한 에너지흡수력을 갖는 전두부와 차 간 연결기를 적용한 결과로 차체에 손상을 입히는 큰 하중이 발 생하지 않아 타고오름의 수직 거동이 발생하지 않 으므로 열차의 충돌방향의 특성만을 고려한 1D 모 델도 본 하이브리드 모델과 거의 유사한 해석결과 를 나타낸다.
수치해석으로 구한 가속도 값은 복잡한 고주파 응답이 포함되어 있으므로 이를 적절히 제거하여 탑승자에게 직접 영향을 미치는 응답을 추출하기 위해 FFT 40 Hz low pass filter를 사용하였다. 이것은 차체의 주요 구조의 강체 운동 주파수가 대체로 40 Hz 이하인 것을 고려한 것이다. 이는 국내 열차와 차 체 강도가 유사한 유럽에서 수행한 다른 해석에서 도 일반적으로 사용하고 있다.11,12)
Fig. 9는 승객 구간의 충돌가속도로서 하이브리
드 모델의 변형체 구간 때문에 1D 모델에 비해 응답 이 약간 늦는 것을 제외하고 거의 동일한 결과가 얻 어졌으며 모두 최대 5 g이하로 TSI 및 국내충돌안전 기준을 만족하고 있다.
3.2 열차 대 표준변형체 장애물 충돌해석 본 충돌해석 시나리오는 순수 1D 충돌 동역학 모 델로는 다룰 수 없고, 충돌안전도 규정에서 요구하 는 15톤 표준 변형체 장애물의 형상, 무게중심, 변형 특성 등을 고려하여 3D/1D 하이브리드 모델로 충돌 해석을 수행하여야 한다. 규정에서 제시한 표준 변 형체 장애물과 110 km/h로 주행하는 열차와 충돌하 는 경우 Fig. 10과 같이 장애물은 열차의 전두부와 운전자 구간을 타고 오르면서 외부구조를 변형시킨 다. 이때 장애물은 운전자 공간의 상부를 침투하게
3D/1D 하이브리드 유한요소 모델을 이용한 동력 분산형 차세대 고속열차 전체차량의 충돌 해석
(a) 100 ms (b) 300 ms
Fig. 10 Side view of the 3D/1D hybrid model simulation
Fig. 11 Energy history curves Fig. 12 Displacement curves
되는데 충돌 전 운전자 공간 높이의 약 75% 정도만 남게 되어 국내충돌안전기준을 만족하지 못하였다.
그러나 TSI 에서는 운전자 공간의 높이 방향 변형을 규제하고 있지 않으므로 기준을 만족한다.
Fig. 11은 에너지 선도로서 열차 대 열차 충돌과 는 다르게 대부분 운동에너지가 흡수되지 않고 일 부만 열차 구조와 장애물이 흡수하게 된다. Fig. 12 는 주요에너지흡수장치의 변위결과로 대부분이 크 게 변형하지 않음을 알 수 있다.
Fig. 13은 운전자와 승객 구간의 가속도이다. 110 km/h 충돌로 인하여 다른 승객구간에 비해 전방의 운전자 구간의 가속도가 10배 정도 높다. 국내 규정 에는 운전자 구간에 대한 가속도 기준이 없으나 TSI 규정에는 운전자 구간을 포함한 모든 승객 구간에 대하여 평균 5 g 이하로 제한하고 있다. 여기서 평균 가속도는 충격력이 0이 될 때까지의 가속도에 대한 평균값을 의미한다. Fig. 14는 열차와 장애물 충돌
시 발생하는 충격력과 Fig. 13(a)의 운전석 가속도를 누적 적분한 결과들이다. Fig. 14에서 충격력이 0이 되는 시점에서의 평균가속도를 확인한 결과 평균 5 g이하로 충돌가속도 기준을 만족한다.
Table 2는 국내 및 TSI의 충돌안전 평가기준에 대 한 충돌시나리오별 시뮬레이션 평가결과를 정리한 것이다.
4. 결 론
차세대 고속열차의 전체차량에 대하여 36 km/h 속도로 동일차량과 충돌하는 사고시나리오와 110 km/h 속도로 표준장애물과 충돌하는 사고시나리오 를 사용하여 3D 전두부와 1D 모델로 구성된 하이브 리드 모델의 충돌해석을 수행하여 다음과 같은 결 론을 얻었다.
1) 타고오름 거동이 발생하지 않는 36km/h의 열차 대 열차 충돌은 1D 모델과 3D/1D 전두부 하이브
Geoyoung Kim․Jeongseo Koo
(a) Driver’s seat of TC1 (b) Passenger section of TC1
(c) Passenger section of M1 (d) Passenger section of M2
Fig. 13 Longitudinal accelerations of the service sections
(a) Contact force (b) Driver’s seat of TC1
Fig. 14 Cumulative average acceleration results of the driver’s seat
리드 모델의 해석결과가 거의 일치한다. 1D 동역 학모델 해석에서 구한 충돌가속도는 탑승구간 의 평균값인 단점이 있으나 설계단계에서 에너
지 흡수 및 충격가속도를 평가하는데 유용한 시 뮬레이션 방법이 될 수 있다.
2) 15톤 표준 변형체 장애물의 충돌해석 시 장애물
Collision Analysis of the Next Generation High-speed EMU Using 3D/1D Hybrid FE Model
Table 2 Simulation results of the 3D/1D hybrid model
평가기준
사고시나리오 열차 대 열차
36 km/h 충돌
15ton 장애물 110 km/h 충돌
생존공간 충격감속도
최대 7.5g 이하 (운전실 포함) 평균 5g 이하 (운전실 포함)
최대 7.5g 이하 (운전실 제외) 평균 5g 이하 (운전실 포함) 생존공간
확보 변형거의없음 운전실 높이공간
80% 미만
의 타고오름 현상이 발생하므로 기존의 1D 해석 으로는 불가능하다. 그러나 3D 유한요소전두부 를 고려한 3D/1D 하이브리드 모델을 사용하면 전체 유한요소차체 모델을 사용하는 것보다 해 석시간을 최소화하면서 타당성 있는 해석결과 를 얻을 수 있으므로 주요 에너지흡수구조인 전 두부와 차 간 연결기 등의 성능을 설계/평가/보 완하는 단계에서 유용하게 사용될 수 있다.
3) 장애물 충돌해석 결과, 충돌가속도와 운전실 변 형이 TSI의 요구기준을 만족하였다. 하지만, 최 대 충돌가속도와 운전실 수직변형을 고려하는 국내충돌안전기준은 TC1 차량에서 이 기준들을 초과하여 차세대 분산형 고속열차가 국내충돌 안전기준을 만족하게 하려면 전두부의 보완설 계가 필요하다.
4) 장애물 충돌해석시 장애물이 열차 전두부를 타 고 오르면서 운전실 상부구간을 국내기준치를 초과하여 압괴시켰다. 이는 운전실 전방구조와 전두부 에너지흡수 구조의 상부에 장애물의 충 격을 흡수하는 구조를 추가 배치하여 운전실 상 부구조의 압괴를 줄일 수 있다.
본 연구의 3D/1D 하이브리드 모델은 추후 주행장 치의 현가 모델과 2D 모델을 추가하면 열차-열차 충 돌 시 차량 간 타고 오름을 해석하고 예측하는데 사 용될 수 있을 것이다.
References
1) G. Y. Kim, H. J. Cho and J. S. Koo, “A Study on Conceptual Design for Crashworthiness of the Next Generation High-speed EM,” The Korean Society for Railway, Vol.11, No.3,
pp.300-310, 2008.
2) G. Y. Kim, H. J. Cho, J. S. Koo and T. S.
Kwon, “A Derivation of the Standard Design Guideline for Crashworthiness of High Speed Train with Power Cars,” Transactions of KSAE, Vol.16, No.6, pp.157-167, 2008.
3) Ministry of Construction and Transportation, Korean Rolling Stock Safety Regulation, MOCT Notification, No.2007-278, 2007.
4) AEIF/TSI Technical Specification for Interope- rability Relating to the Rolling Stock Subsys- tem of the Trans-european High-speed Rail System, Regulation No.2008/232/EC, Official Journal of the European Union, 2008.
5) H. S. Han and J. S. Koo, “Simulation of Train Crashes in Three Dimension,” The Korean Society for Railway, Vol.5, No.3, pp.187-195, 2002.
6) P. G. Llana, “Structural Crashworthiness Stan- dard Comparison: Grade-crossing Collision Scenarios, Proceeding of RTDF2009,” ASME Rail Transportation Division Fall Technical Conference, Ft. Worth, Texas, USA, RTDF 2009-18030, pp.20-21, 2009.
7) X. Xue, J. Wood and A. Packham, Modelling Collisions of Rail Vehicles with Deformable Objects, Rail Satety and Standards Board (RSSB), Report No.AEATR-LD82141-2005- Issue 1, 2005.
8) J. S. Koo, H. J. Cho, D. S. Kim and Y. H. Youn,
“An Evaluation of Crashworthiness for the Full Rake KHST Using 1-D Dynamic Model,” The Korean Society for Railway, Vol.4, No.3, pp.94-101, 2001.
9) J. O. Hallquist, LS-Dyna Keyword Theory’s Manual Ver.971, Livermore Software Techno- logy Corporation, Livermore, 2007.
10) J. O. Hallquist, LS-Dyna Keyword User’s Manual Version 971, Livermore Software Tech- nology Corporation, Livermore, 2007.
11) J. W. Kim and J. S. Koo, “A Study on the Techniques to Evaluate Carbody Accelerations after a Train Collision,” The Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol.20, No.5, pp.477-485, 2010.
김거영․구정서
12) E. L. Fasanella and K. E. Jackson, Best Prac- tices for Crash Modeling and Simulation, Technical Report NASA/TM-2002-211944,
Langley Research Center, Hampton, Virginia, U.S.A, 2002.
