전 세계적인 에너지 소비의 지속적인 증가로 인한 환경문제를 해결하기 위하여 교통수단의 경량화는 필수적이다. 철도분야에서는 차량이 경량화의 주요 관심대상이며 차체는 차량을 구성하는 단위부품 중 약 20%의 가장 큰 중량을 차지하므로 경량화가 가장 필요하다.
철도차량 차체의 주요소재는 일반 구조용 강재, 스테인레스 강에서 알루미늄 합금, 복합소재 등의 경량소재를 통하여 경량화연구가 활발한데 특히 두 종류 이상의 소재를 각각의 특성에 알맞은 곳에 배치한 하이브리드 형(hybrid type) 차체를 설계하는 것이 경량화에 이상적이다.
본 논문에서는 한국형 표준전동차(Korean standard type Electric Multiple Unit)의 ALE(알루미늄 압출재)로 구성된 차체를 대상으로 하이브리드 형 차체설계를 위한 소재대체이론과 치수최적설계를 통한 경량화 연구를 수행하였다.
먼저 하이브리드 형 차체설계를 위한 소재대체이론을 도출하였다. 소재대체이론은 차체를 하부구조, 측벽구조, 지붕구조의 단순한 box형태로 구성하여 소재별 비강성 및 비강도 지수를 이용하여 이종소재 적용 시 차체의 구조적 기능과 관련된 굽힘강성, 굽힘강도, 비틀림 강성, 비틀림 강도 등을 일정하게 유지하면서 소재 대체에 의하여 최적의 경량화를 달성할 수 있도록 소재 종류 및 경량화 비율을 체계적으로 분석할 수 있는 이론이다.
그리고 도출된 소재대체이론을 ALE로 구성된 표준전동차모델에 적용하고 검증하기 위하여 표준전동차모델의 하부, 측벽, 지붕구조의 평균두께를 적용하여 단순 box형 cut-out차체모델을 구성하였다. 이 모델의 경우 출입문과 창문 등의 cut-out부분 때문에 소재대체이론을 적용하여 응력분포는 비슷하더라도 굽힘강성이 cut-out에 상당히 영향을 받는다. 따라서 소재대체이론의 적용을 위하여 cut-out 차체모델의 굽힘강성에 상응하는 baseline 차체모델을 이론식과 유한요소해석을 통하여 도출하였다.
소재대체이론의 적용을 통한 하이브리드 형 경량차체를 설계하기 전, 초기 표준전동차 제작당시 압출기술의 한계로 인하여 과도하게 설계된 부재별 두께를 최신의 압출기술을 기반으로 구배법(gradient method)을 이용한 치수최적설계를 통해 초기 표준전동차 차체 대비 약 14.4% 경량화가 가능하였다.
그리고 소재대체이론의 적용을 통한 경량화설계를 위하여 도출된 baseline 차체모델과 단순 box형 cut-out차체모델을 이용하여 시뮬레이션을 이용한 검증 후 이를 치수최적화 된 표준전동차모델에 적용하여 최종 검증하였다. 검증된 소재대체이론을 통하여 CFRP(carbon fiber reinforced plastic)만이 기존 알루미늄 합금 대비 약 39.5%로서 가장 큰 경량화 효과가 가능하였다.
하지만 차체에 직접적으로 CFRP를 적용하기에는 제작성과 이종소재와의 접합문제로 인하여 불가능하므로 샌드위치 복합재를 적용하였다. 심재에는 알루미늄 허니콤, 면재에는 CFRP를 Bondex606접착필름으로 접착한 CFRP 샌드위치 복합재를 차체의 하부구조와 지붕구조에 적용하였다. 이 때 측벽구조의 알루미늄 압출재와 CFRP샌드위치복합재의 연결부 접합을 위해 CFRP 샌드위치 복합재의 단부에 알루미늄 압출재의 보강프레임을 적용하여 측벽과 리벳팅 결합구조를 고안하였다. 이렇게 구성된 초경량 하이브리드 차체모델을 도시철도차량 구조체 하중시험조건에 의한 유한요소해석결과 기준치를 만족하였으며 초기 표준전동차 대비 약 23.1% 경량화가 가능하였다. 또한 CFRP 샌드위치 복합재의 면재(CFRP)와 보강 프레임의 두께를 치수최적설계를 이용하여 초기 표준전동차 대비 약 28.7% 경량화가 가능하였다.