한국형 고속 틸팅열차(TTX)의 차체 재질 선정 연구

신광복(KwangBok Shin),구동회(DongHoe Koo) 대한기계학회 2004 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2004 No.4

In order to determine the most suitable material system which can achieve the lightweight design and fulfill the design requirements or embody structures or Korean Tilting Train express (TTX). aluminum embody, composite carbody. and hybrid carbody combined with aluminum and composite structures were considered in present study. The finite-clement analysis was used to verify the design requirements of the TTX carbody structures with the material system being considered in the design stages. The stresses in the carbody structures and deflections of underframe against static load cases were checked as design criteria. The results show that the hybrid carbody structures arc beneficial with regard to weight savings and structural integrity when compared to aluminum and composite carbody structures.

초고속 자기부상열차의 유동 특성에 관한 수치 연구

이종광(JongKwang Lee),신광복(KwangBok Shin),강승구(SeungGu Kang),이은규(EunKyu Lee),윤일로(IllRo Yoon) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.11

본 논문에서는 550 km/h 급 초고속 자기부상열차의 기초 형상을 토대로 주위의 유동을 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 예측하고 이를 기반으로 항력과 유동 특성에 대한 연구를 수행하였다. 유동의 마하수가 0.44 임을 고려하여 압축성 모델이 사용되었고, 난류 모델은 k-ε 모델을 적용하였다. 자기부상열차는 일반 열차와는 달리 고가 궤도에서 부상하여 고속으로 주행되는데 이 연구에서는 이를 단순화하기 위하여 열차가 공기 중에서 주행하고 있는 것으로 가정하여 공력 특성을 분석하였다. 열차의 주행 속도가 550 km/h 일 때 압력에 의한 항력이 91% 였으며, 항력이 열차의 주행 속도의 제곱에 비례하며 증가됨을 확인하였다. 이와 같은 결과를 토대로 열차의 고속 주행 연구에 있어 공력 해석 관련 연구는 필수적인 것으로 판단된다. In this paper, the Navier-Stokes equation with the equation of the k- ε model of turbulence model were solved numerically for 3 dimensional flows around 550 km/h high speed magnetically levitated (Maglev) train. Maglev train travels on a high railroad at high speed unlike normal train. To simplify the situation, we assumed that the train ran in the air. At the velocity 550 km/m, pressure drag was 91 % of the drag and the drag was increased with the proportion for the square of velocity. As a result, the study of aerodynamics analysis for high speed train was considered to be essential.

알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재 루프를 적용한 초고속 자기부상 열차의 차체 경량화 설계 연구

강승구(SeungGu Kang),신광복(KwangBok Shin),박기준(KeeJun Park),이은규(EunKyu Lee),윤일노(IllRo Yoon) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.10

본 논문의 목적은 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재를 사용한 초고속 자기부상 열차의 하이브리드 차체 경량화 설계를 제안하는 것이다. 샌드위치 복합재는 무게 감소를 위해 2차 부재인 루프에 적용되었다. 용접에 의한 샌드위치 복합재 루프와 알루미늄 압출재 사이드 프레임과 접합시키기 위해 샌드위치 복합재 네 옆면에 가이드 알루미늄 프레임을 갖도록 고안하였다. 가이드 알루미늄 프레임의 체결력은 3점 굽힘 시험을 통해 검증하였으며, 차체의 구조 안전성 및 충돌 안전도는 상용 유한요소해석 프로그램을 이용하여 철도안전법에 따라 평가하고 검증하였다. 연구결과, 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재로 이루어진 하이브리드 차체는 알루미늄 압출재로만 이루어진 차체에 비해 무게 절감 효과와 향상된 구조 성능을 얻을 수 있다. The purpose of this paper is to suggest a weight-reduction design method for the hybrid carbody of a high-speed maglev train that uses aluminum extrusion profiles and sandwich composites. A sandwich composite was used on the roof as a secondary member to minimize the weight. In order to assemble the sandwich composite roof and aluminum extrusion side frame of the carbody using welding, a guide aluminum frame located at the four sides of the sandwich composite roof was introduced in this study. The clamping force of this guide aluminum frame was verified by three-point bending test. The structural integrity and crashworthiness of the hybrid carbody of a high-speed maglev train were evaluated and verified according to the Korean Railway Safety Law using a commercial finite element analysis program. The results showed that the hybrid carbody composed of aluminum extrusion frames and a sandwich composite roof was lighter in weight than a carbody made only of aluminum extrusion profiles and had better structural performance.

초고속 자기부상열차의 차체 경량화 설계에 관한 연구

강승구(SeungGu Kang),신광복(KwangBok Shin),이은규(EunKyu Lee),윤일로(IllRo Yoon),이종화(JongHwa Lee) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.5

본 논문은 550km/h급 초고속 자기부상열차의 차체 경량화를 위해 샌드위치 복합재와 알루미늄 압출재가 적용된 하이브리드 차체 설계기법을 제안하고자 한다. 샌드위치 복합재는 무게 최소화를 위해 2차 부재인 루프에 적용되었으며, 차체의 강성 및 제작성을 향상시키기 위해 1차 부재인 언더프레임, 사이드프레임, 캔트레일에는 알루미늄 압출재를 적용하였다. 샌드위치 복합재 루프에는 사이드 프레임과 쉽게 결합시키기 위해 테두리에 가이드 압출재 구조를 갖도록 고안되었다. 이때, 고온의 용접에 의해 복합재 루프구조의 열변형이나 수지의 화학적 변화가 없도록 열해석을 수행하여 설계 치수를 선정하였다. 차체설계의 구조 안정성 및 충돌 안전도는 상용 유한요소해석 프로그램을 이용하여 철도안전법에 따라 검증하였다. In this paper, we have suggested design method of hybrid carbody of 550km/h high speed maglev train using sandwich composite and aluminum extrusion profiles for light weight. Sandwich composite was used on roof as secondary member for minimizing weight. And aluminum extrusion profiles were used on underframe, sideframe and cantrail to improve stiffness and manufacturability of carbody. In order to easily assemble sandwich composite roof and sideframe of carbody by welding, sandwich composite was designed to have guide aluminum extrusion structure at four edges. To prevent thermal deformation and chemical transition to resin of composite roof structure by welding at high temperature, design dimensions were selected by thermal analysis. Structural integrity and crashworthiness were verified in accordance with Korean Railway Safety Law using commercial finite element analysis program.

필라멘트 와인딩된 카본/에폭시 복합재의 층간파괴인성에 미치는 온도 영향

임재문(JaeMoon Im),신광복(KwangBok Shin),황태경(Taekyung Hwang) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.5

본 논문은 필라멘트 와인딩 공법으로 제작된 구배 단면을 갖는 돔 분리형 복합재 압력용기 접착체결부의 온도영향에 따른 층간파괴인성 평가를 위해 모드 I, II 그리고 혼합모드의 시험적 평가를 수행하였다. 모드 I과 혼합모드 층간파괴인성은 DCB 시편을 사용하였으며, 모드 II 층간파괴인성은 ENF 시편을 사용하여 평가하였다. 와인딩 각도는 [±10°]6, [±27°]6 그리고 ([±10°]3/FM73/[±10°]3 )이며 곡면 단면을 고려하였다. 시험 평가에 적용된 온도 환경은 환경 챔버와 전기로를 이용하여 -30℃ 에서 60℃로 조성하였다. 층간파괴인성에 온도가 미치는 영향을 평가한 결과, 층간파괴인성은 저온에서 높게 나타났으며, 온도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 확인하였다. 시편 종류별 결과에서는, 돔부와 헬리컬부가 접착 체결된 [±10°]3/FM73/[±10°]3 와인딩 시편이 가장 높은 층간파괴인성을 가짐을 확인하였다. This paper reports an experimental study for evaluating the effect of temperature on the mode I, mode II and mixed-mode interlaminar fracture toughness of adhesive joints with a curved cross-section of filament-wound dome-separated composite pressure vessel. Mode I and mixed-mode interlaminar fracture toughness were evaluated using DCB specimens, while mode II interlaminar fracture toughness was determined using ENF specimens. [±10°]6, [±27°]6 and ([±10°]3/FM73/[±27°]3) winding specimens with the curved cross-section were considered. In-situ temperature environments were simulated with a range of -30℃ -60℃ using an environmental chamber and furnace. Experimental results on the effect of temperature indicate that interlaminar fracture toughness tends to be high at low temperature and is degraded with increase in temperature. For specimen types, it was found that interlaminar fracture toughness of [±10°]3/FM73/[±27°]3 winding specimens considered as adhesive joints of dome and helical part was higher than other specimens.

초고속 자기부상 열차의 공력학적 특성

이종광(Jongkwang Lee),신광복(KwangBok Shin),강승구(SeungGu Kang),이은규(EunKyu Lee),윤일로(IllRo Yoon) 한국추진공학회 2013 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2013 No.12

이 논문에서는 24인승 550 km/h급 초고속 자기부상열차의 공력 특성을 연구하기 위하여 주위의 유동을 Navier-Stokes 방정식을 사용하여 예측하고 이를 기반으로 항력과 유동 특성에 대한 연구를 수행하였다. 유동의 마하수가 0.4 이상이므로 압축성 모델이 사용되었고, 난류 모델은 k-ε 모델을 적용하였다. 자기부상열차는 일반 열차와는 달리 고가 궤도에서 부상하여 고속으로 주행되는데 이 연구에서는 이를 단순화하기 위하여 열차가 공기 중에서 주행하고 있는 것으로 가정하여 공력 특성을 분석하였다. 열차의 주행 속도가 550 km/h일 때 항력 계수는 0.35 였으며, 압력에 의한 항력이 91%였다. 열차의 주행 속도와 항력과의 관계는 항력이 열차의 주행 속도의 제곱에 비례하며 증가됨과 고속 주행 시 측풍의 영향이 매우 중요해짐을 수치적으로 확인하였다. In this paper, the Navier-Stokes equation with the equation of the k- ε model of turbulence model were solved numerically for 3 dimensional flows around 550 km/h high speed magnetically levitated (Maglev) train. Maglev train travels on a high railroad at high speed unlike normal train. To simplify the situation, we assumed that the train ran in the air. At the velocity 550 km/m, the drag coefficient was 0.35 and pressure drag was 91 % of the drag. The drag was increased with the proportion for the square of velocity.

복합재 대차프레임의 볼트 체결부 내구성 향상을 위한 인서트 영향에 관한 연구

김준환(JunHwan Kim),신광복(KwangBok Shin),김정석(JungSeok Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.7

본 논문에서는 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성 향상 방안에 대한 연구를 다루고 있다. 이를 위해, 인서트와 나사산 유무에 따른 3가지 경우를 고려하여 볼트 체결부에 대한 시험 및 해석을 통해 인서트 형태 및 유무에 미치는 영향을 평가하였다. 제안된 볼트 체결부의 구조 성능은 ASTM D5961에 의거한 시험을 통해 비교 평가하였다. 시험결과, 나사산이 없는 인서트를 갖는 볼트 체결부가 가장 적합한 것으로 확인되었다. 또한, 볼트 체결부를 고려한 복합재 대차프레임에 대한 구조 안전성 평가를 JIS E 4207에 의거하여 유한요소해석을 통해 평가하였다. 복합재 구조물은 Tsai-Wu 파손기준식에 의해 파손평가를 적용하였고, 볼트 체결부와 같은 금속재 구조물은 Von-Mises 파손기준식에 의해 평가하였다. 이때, 볼트 체결부의 경우에는 상세한 구조해석 결과 검토를 위해 서브모델링 기법을 적용하였다. 구조해석결과, 나사산이 없는 인서트가 적용된 볼트 체결부의 경우에는 볼트 체결부 주위의 복합재 구조물에 발생하는 Tsai-Wu 파손지수가 다른 경우에 비해 약 50% 감소하는 경향을 보였는데, 이는 나사선이 없는 인서트 형상이 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다. This paper describes the study on a method for improving the structural durability of bolted joints applied to a composite bogie frame. In this study, three bolted joints with and without inserts and screw threads were selected for determining the effect of the inserts, using experiment and analysis. The structural performances of the proposed bolted joints were compared and evaluated using the test method prescribed by the ASTM D5961 standard. The results revealed that the bolted joint having an insert shape without the screw thread offered improved durability for application to a composite bogie frame. Furthermore, the structural integrity of the frame comprising the bolted joints was evaluated using finite element analysis according to the JIS E 4207 standard. The Tasi-Wu and Von-Mises failure criteria were used for determining the failure of the composite structure and bolted joints, respectively. A sub-modeling technique was introduced for investigating the performance of the bolted joints in greater detail. The analysis results demonstrated that the Tasi-Wu failure index of the composite structure near the bolted joints was reduced by approximately one-half after applying an insert without the screw thread. This implies that the structural durability of the bolted joints of a composite bogie frame could be improved by using a metal insert without the screw thread.

저온과 고온 환경 하에서 카본/에폭시 복합재의 기계적 물성 평가

임재문(JaeMoon Im),신광복(KwangBok Shin),황태경(Taekyung Hwang) 대한기계학회 2015 大韓機械學會論文集A Vol.39 No.6

본 논문은 저온과 고온 환경 하에서 카본/에폭시 복합재의 기계적 물성 변화를 평가하는데 목적을 두고 있다. 기계적 물성 변화 평가는 환경 챔버와 전기로를 이용하여 -40℃ 에서 220℃ 까지의 온도에 대해 섬유방향과 섬유 직각방향의 인장 물성, 면내 전단 물성 그리고 층간전단강도에 대해 평가를 수행하였다. -40℃ 저온환경에서의 기계적 물성은 상온에서의 물성보다 증가하는 것을 확인하였다. 섬유방향 물성은 온도가 증가함에 따라 물성저하가 서서히 발생하였으나, 섬유직각방향 물성, 면내전단 물성 그리고 층간전단강도는 140℃ 이상의 온도에서 수지의 유리전이로 인해 급격한 물성저하가 발생하는 것을 확인하였다. 100℃ 환경에서 섬유 직각방향 인장물성 증가의 직접적인 원인은 수지의 후경화로 인한 현상으로 판단된다. This paper aims to evaluate the variation in the mechanical properties of carbon/epoxy composites under in situ low- and high-temperature environments. In situ low- and high-temperature environments were simulated with temperature ranging from -40℃ to 220℃ using an environmental chamber and furnace. The variation in the mechanical properties of the composites was measured for longitudinal and transverse tensile properties, in-plane shear properties and interlaminar shear strength. Under the low temperature of -40℃, all mechanical properties increased moderately compared to the baseline properties measured at room temperature. The changes in the longitudinal tensile properties decreased moderately with increasing temperature. However, transverse tensile properties, in-plane shear properties and interlaminar shear strength each showed a significant drop due to the glass transition behavior of the matrix after 140℃. Notably, the tensile property value near 100℃ increased compared to baseline property value, which was an unusual occurrence. This behavior was a direct result of post-curing of the epoxy resin due to its exposure to high temperature.

사용후핵연료 수송용기 충격완충체에 적용되는 발사목과 우레탄 폼의 기계적 특성 및 저속충격특성 평가 연구

구준성(JunSung Goo),신광복(KwangBok Shin),최우석(WooSuk Choi) 대한기계학회 2012 大韓機械學會論文集A Vol.36 No.11

본 논문의 목적은 사용후핵연료 수송용기 충격완충체의 완충재질로 고려되고 있는 발사목과 우레탄 폼 심재, 그리고 샌드위치 패널에 대한 저속충격거동 및 기계적 특성을 평가하는 것이다. 우레탄 폼은 등방성 재질로써 인장, 압축, 그리고 전단의 기본물성시험을 수행하였으며, 발사목은 서로 다른 직교방향에서 다른 물성을 갖는 이방성 재료이므로 아홉가지 방향에 대한 기계적 특성 평가를 하였다. 충격시험용 심재와 샌드위치 패널 시험편은 충격시험기를 사용하여 세가지 충격에너지 레벨(1J, 3J, 그리고 5J)에 대한 저속충격시험을 수행하였다. 시험 결과, 우레탄 폼과 성장방향을 제외한 발사목은 충격에너지 흡수율, 접촉하중, 그리고 손상영역에서 유사한 거동을 보였으며, 우레탄 폼 심재는 난연성과 비용절약이 우선시 되는 설계에서 완충재질로서 추천될 수 있고, 발사목 심재는 사용후핵연료 수송용기의 경량화를 위한 완충재질로써 우선 고려될 수 있다. This paper aims to evaluate the low-velocity impact responses and mechanical properties of balsa-wood and urethane-foam core materials and their sandwich panels, which are applied as the impact limiter of a nuclear spent fuel shipping cask. For the urethane-foam core, which is isotropic, tensile, compressive, and shear mechanical tests were conducted. For the balsa-wood core, which is orthotropic and shows different material properties in different orthogonal directions, nine mechanical properties were determined. The impact test specimens for the core material and their sandwich panel were subjected to low-velocity impact loads using an instrumented testing machine at impact energy levels of 1, 3, and 5 J. The experimental results showed that both the urethane-foam and the balsa-wood core except in the growth direction (z-direction) had a similar impact response for the energy absorbing capacity, contact force, and indentation. Furthermore, it was found that the urethane-foam core was suitable as an impact limiter material owing to its resistance to fire and low cost, and the balsa-wood core could also be strongly considered as an impact limiter material for a lightweight nuclear spent fuel shipping cask.

필라멘트 와인딩 복합재 압력용기의 접착 체결부에 대한 점진적 파손 해석

김준환(Junhwan Kim),신광복(Kwangbok Shin),황태경(Taekyung Hwang) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.11

본 논문에서는 CZM(Cohesive Zone Model)을 이용하여 돔 분리형 복합재 압력용기 접착 체결부의 점진적 파손 해석에 대한 연구를 수행하였다. 접착 요소(cohesive element)의 물성을 도출하기 위해 모드 I, II 그리고 혼합모드에 대한 층간파괴인성들을 시험을 통해 도출하였다. 이때, 모든 시험편은 복합재 압력용기와 동일한 필라멘트 와인딩 제작공정을 통해 제작되었다. 이중 겹치기 이음(double-lap joint) 시험은 접착제의 전단강도와 CZM을 이용한 점진적 파손해석의 신뢰도 검증을 위해 수행하였다. 그 결과, 접착제의 전단강도는 시험으로부터 32MPa을 얻었고, 시험과 해석의 오차는 약 4.4%의 오차가 발생하여 CZM이 접착 체결부의 점진적 파손 거동을 비교적 잘 모사함을 확인하였다. 최종적으로 신뢰성이 검증된 CZM을 복합재 압력용기 접착 체결부에 적용하여 운용하중조건에서의 점진적 파손해석을 수행한 결과, 전체 200mm를 갖는 접착 체결부 길이의 약 5.8%만이 점진적 파손이 발생하는 것으로 나타나 복합재 압력용기의 구조 안전성에는 영향을 주지 않음을 확인하였다. This study performed the progressive failure analysis of adhesive joints of a composite pressure vessel with a separated dome by using a cohesive zone model. In order to determine the input parameters of a cohesive element for numerical analysis, the interlaminar fracture toughness values in modes I and II and in the mixed mode for the adhesive joints of the composite pressure vessel were obtained by a material test. All specimens were manufactured by the filament winding method. A mechanical test was performed on adhesively bonded double-lap joints to determine the shear strength of the adhesive joints and verify the reliability of the cohesive zone model for progressive failure analysis. The test results showed that the shear strength of the adhesive joints was 32MPa; the experiment and analysis results had an error of about 4.4%, indicating their relatively good agreement. The progressive failure analysis of a composite pressure vessel with an adhesively bonded dome performed using the cohesive zone model showed that only 5.8% of the total adhesive length was debonded and this debonded length did not affect the structural integrity of the vessel.