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인(P)계 SMC 복합재료로 만든 철도차량 내장재의 난연 성능 평가
신헌충,강희용,이교우 한국기계기술학회 2021 한국기계기술학회지 Vol.23 No.1
This study developed a flame-retardant fiber-reinforced composite material that satisfies the required regulations of railway vehicle interior parts for the purpose of reducing weight and simplifying the production process using SMC(sheet molding compounds) composite materials. It is essential to secure flame-retardant performance that minimizes flames and smoke for the safe evacuation of passengers in case of fire for interior parts of railway vehicles. In this study, the resin for SMC was developed by adding various flame retardant materials such as vinyl ester (halogen-based and phosphorus-based) and antimony trioxide, and chopped glass fibers were used as the reinforcing material. As a result of preparing specimens for phosphorus-based and halogen-based SMC materials, and comparing the flame retardant performance, the phosphorus-based SMC material had an oxygen index of 36.1, smoke density (1minute 30 seconds, 4minutes, 10minutes) of 1.7, 51.5, 195.1. It was measured with a toxicity index of 0.05 R and average heat for sustained burning of 4.5MJ/m, which satisfies all the flame retardant standards required for interior parts of railway vehicles, and it was found that most of the performance was better than that of halogen-based SMC.
인계 SMC 복합재료로 만든 철도차량 내장재의 난연성능 평가
신헌충(Hon Chung Shin),강희용(Hee Yong Kang),이교우(Gyo Woo Lee) 대한기계학회 2020 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2020 No.8
본 연구는 SMC(Sheet Molding Compound) 복합재료를 사용하여 경량화와 생산공정 단순화를 목적으로 철도차량 내장재 요구성능을 만족하는 난연 복합재료를 개발하고 성능을 고찰하고자 한다. 철도차량 내장재는 화재 시 승객의 안전을 위하여 화염, 연기 등이 최소화되는 난연성능 확보가 필수적이다. SMC는 섬유강화 복합재료 중 가장 가격이 저렴하고 강도가 좋고 제작이 용이하여 널리 이용되고 있으나 난연성능 한계와 환경적 문제로 철도차량에 적용된 바가 없다. 본 연구에서 SMC용 수지는 비닐에스테르(할로겐계, 인계)와 다양한 난연 재료를 첨가하여 배합하였으며, 강화재로는 유리 단섬유(chopped glass fiber) 사용하였다. 주요 난연 첨가제로 삼산화안티몬, APP, ATH 등을 전체 질량의 30% 수준으로 첨가하였고, 탄산칼슘은 11%, 강화재 유리섬유는 29%를 사용하였다. 인계와 할로겐계 SMC 재료에 대하여 시편을 각각 제작하고 난연성능을 비교 시험한 결과, 인계 SMC 재료는 산소지수 36.1, 연기밀도(1.5분, 4분, 10분) 1.7, 51.5, 195.1, 독성지수 0.05 R, 화염전파 4.5 MJ/m 로 측정되어 철도차량 내장재 요구기준을 모두 만족하였으며, 대부분의 성능이 할로겐계 SMC 보다 우수함을 알 수 있었다. [그림 본문 참조]
철도 차량용 복합소재 소화기함 개발을 위한 구조해석 및 형상 설계
안지호,김정현,신헌충,이교우 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.12
This study involved a structural analysis and investigation of the shape design of a fire extinguisher storage box with the aim of reducing the weight of the box by changing the material from stainless steel to a composite material for installation in railway vehicles. The material type and thickness of the storage box were varied and analyzed. When the material of the storage box was changed from stainless steel to a glass fiber-reinforced composite material (GFRP), the stress applied to the box decreased, but the deformations increased. Moreover, when the thickness of the storage box made of GFRP was 3 mm, a weight reduction of 50 % was achieved. In this case, the deformation was very small, <15 μm, but increased approximately 5 times compared to that made of stainless steel. For additional weight reduction, case 1, with a side wall thickness of 2 mm, was proposed for the detailed shape desig weight reduction for this case was 59 %. Furthermore, the effects of the clamping force applied by bolt pretension on the stress and deformation of the composite materials near the bolt were investigated. 본 연구는 철도차량에 장착되는 소화기 보관함의 구조해석과 형상 설계에 관한 것으로, 경량화를 목적으로 기존의 스테인리스 스틸에서 유리섬유 강화 복합재료로 재질을 변경하기 위하여 구조해석을 통해 응력과 변위의 변화를 파악하였으며, 부분 두께 변화를 고려한 형상 설계를 진행하였다. 복합소재를 사용한 보관함의 두께가 3mm일 때 약 50%의 경량화를 달성할 수 있었으며, 기존 재질에 비해 최대 변위가 약 5배 증가하나 그 값은 15μm로 매우 작은 변형을 일으키므로 보관함의 두께를 3mm로 하는 것이 적절할 것으로 판단했다. 추가적인 경량화를 위해 응력분포를 고려한 부분 두께 감소를 적용한 결과에서 case 1(플랜지, 측면, 및 후면 두께 각각 3, 2, 3mm)을 채택하여 형상 설계로 제안하였다. 이 경우의 경량화는 59%에 달한다. 또한, 볼트 프리텐션으로 적용한 체결력이 볼트 인근 복합재료의 응력과 변형에 주는 영향을 고찰하였다.
CFRP 적용을 위한 Carbon NCF Prepreg 제작 및 구조해석을 활용한 적층패턴 최적설계 연구
김신 ( S. Kim ),신헌충 ( H. C. Shin ),하성규 ( Sung Kyu Ha ) 한국복합재료학회 2020 Composites research Vol.33 No.1
기존 소방구조용 작업차에서 문제가 되고 있는 협소도로 진입의 어려움 및 구조를 위한 신속한 작업 전개 한계성을 극복하기 위한 목적으로 소형 구조작업차 연구가 진행되고 있으며 이에 따른 경량화 연구를 진행하였다. 본 연구에서는 소방 구조 작업차 5번 붐은 288 mm(W) × 299 mm(D) × 3,691 mm(L)이며 이에 걸리는 최대 하중은 876 kg이고, Steel Boom의 Thickness는 3 mm이다. Steel (STRENX960)을 CFRP 복합재로 변경하여 제작하기 위해 Carbon Fiber NCF (±45˚, 2축)를 직조하고 이를 NCF Prepreg로 제작하였고 경량화와 강성, 강도를 극대화할 수 있는 최적설계 패턴을 제시하였다. 이 과정은 구조해석을 바탕으로 설계하였고, NCF Prepreg의 (±45˚)가 비틀림에 미치는 영향을 확인했으며 적층패턴(b)로 최적설계 하였다. 기존 Steel Boom과 UD방향으로 적층한 CFRP Boom과 동등하거나 이상의 수준에 대한 적층패턴을 최적화하였고, 최종적으로 Steel 대비 약 49.6% 무게에 대한 경량화 효과를 확인하였다. Recently, the fire rescue truck in problem proceed research it for the fast works action and for pass the small road. So we were research for weight reduction. In this study, the (NO. 5) fifth boom of the fire rescue truck have 288 mm(W) × 299 mm(D) × 3,691 mm(L) with a maximum load of 876 kg and the thickness of 3 mm of the Steel Boom. This changing of Steel (STRENX960) to CFRP was weave Carbon Fiber NCF (±45˚, 2axis) and then it make the NCF Prepreg. This process was designed based on structural analysis, the effects of NCF Prepreg (±45˚) on torsion were identified, and the optimal design was made with Stacking Pattern (b). Stack patterns were optimized for levels equal or higher than existing Steel Boom and CFRP Boom stacked in the UD direction, and finally, the lightening effect on weight of approximately 49.6% of the steel was identified.