급구배 산악열차의 차체 구조강도 최적화 :The optimization of structural strength for carbody frame of mountain railway vehicle running on high gradient

박정필

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박정필 (서울과학기술대학교, 서울과학기술대학교 대학원)

지도교수: 구정서, 정현승

발행연도: 2016

저작권: 서울과학기술대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수6

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

급구배 산악열차의 차체 구조강도 최적화

박정필 철도차량시스템공학과 2016.01 학위논문

2015

급구배 산악열차의 차체 구조 및 피로 안전성에 대한 연구

박정필 , 구정서 , 김준우 외 1명 한국철도학회 학술발표대회논문집 2015.10 학술대회자료

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국내 국토의 70% 정도가 산악지형으로 구성되어 있으며, 관광 및 운송의 친환경 교통수단 인프라가 부족하여 산악지역에 접근성이 낮다. 국내 산악열차의 제작 및 운영에 대한 사례가 전무하여 산악열차와 같은 교통 인프라를 구축 하는데 어려움이 있다. 또한 급구배 산악열차의 차체에 대한 구조강도에 관한 평가사례와 명확한 기준이 없다.
본 연구에서는 국외 철도차량의 규정인 EN 12663(Structural requirements of railway vehicle bodies)을 분석하여, 산악열차의 차체 구조 및 피로 강도평가 기준을 산출하였다. 구조강도평가를 위해서 EN 12663 규정에서 산출한 시뮬레이션 하중조건은 수직하중조건, 압축하중조건, 인장하중조건, 복합압축조건, 복합인장하중조건이다.
구조강도평가 시뮬레이션 결과에서, 수직하중조건 52.930MPa, 압축하중조건 262.537MPa, 인장하중조건 235.882MPa, 복합압축하중조건 265.315MPa, 복합인장하중조건 234.159MPa 최대등가응력이 발생하였다. 산악열차의 차체는 SM490YB와 SS400 2가지 종류의 소재로 구성되어있다. SM490YB 모재부의 항복응력은 355.000MPa이며, 용접부의 항복응력은 322.700MPa이다. SS400 모재부의 항복응력은 245.000MPa이며, 용접부의 항복응력은 222.700MPa이다. 구조강도의 시뮬레이션 결과, 모든조건에서 최대등가응력은 소재의 항복응력 이하이며, 구조강도평가 기준을 만족하였다. 피로강도평가를 위해서 EN 12663 규정에서 산출한 시뮬레이션 하중조건은 수직하중조건, 폭방향하중조건, 길이방향하중조건이다.
본 연구에서는 피로평가 시뮬레이션 결과를 토대로 ERRI B12/RP17규정을 적용하여 피로강도평가를 수행하였다. 피로평가 시뮬레이션 결과, 수직하중조건 48.073MPa 폭방향하중조건 40.952MPa, 길이방향하중조건 41.432MPa의 최대등가응력이 발생하였다. ERRI의 피로평가방법을 통해서 goodman diagram으로 나타내었으며, 피로해석결과가 선도내의 영역에 있으므로 ERRI의 피로평가 기준을 만족하였다.
그러나 구조 및 피로의 평가결과에서 차체가 과설계 된 것으로 판단하였고, 치수 최적화를 수행하였다. 그 결과, 차체의 무게가 치수 최적화 설계로 약 25%정도의 경량화 되었다. EN 12663에서 제시한 구조 및 피로 강도 평가 기준도 만족하여서 차체의 구조 및 피로 안전성을 검증하였다.

Seventy percent of internal territory consists of mountainous area, and the accessibility of mountainous region is low because the eco-friendly transportation infrastructure for sightseeing and transport is insufficient. It is difficult to construct transportation infrastructure for the gradient mountain railway, because there are no experiences of manufacturing and operating mountain railway.
This study examined foreign rolling stock standard, EN 12663(Structural requirements of railway vehicle bodies), and extracted criterions for evaluating structural strength of mountain railway. Simulation load conditions according to the EN 12663 of structural strength have vertical load case, compressive load case, tensile load case, combination compressive load case and combination tensile load case. The simulation results on structural strengths, were 52.930MPa at vertical load, 262.537MPa at compressive load, 235.882MPa at tensile load, 265.315MPa at combination compressive load and 234.159MPa at combination tensile load.
The two-type materials are used in the carbody of mountain railway. The yield stress of SM490YB is 355.000MPa at base metal zones, and 322.700MPa at welded zones. The yield stress of SS400 is 245.000MPa at at base metal zones and 222.700MPa at welded zones.
Therefore, the simulation results of structural strength were below these yield stresses, and satisfied the criterions of structural strength. Load conditions according to EN 12663 for fatigue strength are vertical load case, lateral load case and longitudinal load case. The evaluation of fatigue strength was performed through ERRI B12/ RP17 standard. The simulation results of fatigue strength were 48.073[MPa] at vertical load, 40.952[MPa] at lateral load, and 41.432[MPa] at longitudinal load. The simulation results of fatigue strength were below the fatigue stress limits, and satisfied the fatigue criterions. Those fatigue strength evaluation results were shown by Goodman diagram according to the ERRI B12/RP17 guideline. The results of fatigue strength evaluation were contained in the safety area of goodman diagram.
From the evaluation results on structural and fatigue strengths, we knew the initial carbody was over-designed. So, we carried out size optimization on structural thicknesses. As the result, the mass of carbody was reduced by about 25%. The structural and fatigue simulation results of the optimized carbody satisfied the requirements of EN 12663 standard and ERRI B12/RP17.

I. 서 론 1
1. 연구배경 및 목적 1
2. 국내외 기술개발 현황 3
3. 관련 연구 현황 5
II. 산악열차 차체의 구조강도 평가 6
1. 산악열차 차체의 구조강도 평가기준 6
2. 산악열차 차체의 구조강도 해석 및 분석 9
III. 산악열차 차체의 피로강도 및 최적화 19
1. 산악열차 차체의 피로강도 평가기준 19
2. 산악열차 차체의 피로강도 해석 및 분석 21
3. 차체 경량화를 위한 치수최적화 설계 33
V. 결 론 42
참고문헌 43
영문초록(Abstract) 44

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