피로 응답을 고려한 철도차량 볼스터의 구조최적설계

Abstract

철도차량 볼스터는 철도차량의 대차를 이루는 부재중 하나이다. 철도차량 주행 시 볼스터는 반복적인 하중을 받게 되고, 반복 하중은 피로 파괴를 유발한다. 피로 파괴에 의한 철도 차량 사고의 빈도는 낮지만 사고 시 많은 인명과 재산의 피해가 발생하는 대형 사고이다. 따라서 피로 파괴에 의한 사고를 예방하기 위해 철도차량 볼스터의 피로 응답을 고려한 설계가 필요하다. 본 연구에서는 피로 응답을 고려하여 철도차량 볼스터의 구조최적설계를 진행한다. 유한요소 해석과 피로 해석을 통해 구조물의 취약부를 파악한다. 피로 해석은 응력 수명법(Stress life method)를 사용하고, 평균응력보정(Mean stress correction)은 굿맨 평균응력보정(Goodman mean stress correction)을 사용한다. 응력진폭집계는 레인플로 집계 기법(Rainflow counting method)을 사용한다. 레인플로 집계 기법으로 집계된 사이클을 마이너 누적 손상 이론(Palmgern-Miner’s rule)에 적용하여 누적 피로 손상을 계산한다. 파악된 취약부의 기존 보강재를 제거하고 3차원 요소를 생성하여 위상최적설계의 설계 변수로 선정한다. 목적함수를 강성최대화로 위상최적설계를 진행하여 보강재의 위치와 형상을 도출한다. 위상최적설계를 통해 결정한 보강재와 기존 볼스터의 상판과 하판의 두께를 치수최적설계의 설계 변수로 선정하고, 응력제한조건과 누적 피로 손상을 제한조건으로 한다. 목적함수는 질량 최소화로 치수최적설계를 진행하여 강도 향상 및 피로 수명이 향상된 설계보강안을 도출한다. 위와 같은 구조최적설계를 진행하여 볼스터의 피로 수명 향상과 기존 볼스터 대비 질량을 감소시켰고, 제시한 설계보강안의 유용성을 검증하였다.