차량용 하이브리드 복합재 조인트 부재의 파괴해석 및 통계적 피로수명 평가

Abstract

복합재와 금속재가 혼합/접합된 하이브리드 복합재는 무게가 가볍고 비강도 비강성이 우수하기 때문에 무게감소가 운행비용에 큰 영향을 미치는 항공·우주산업을 비롯하여 자동차, 고속열차, 선박 등 경량화가 요구되는 운송수단 구조물 및 부품의 소재로써 널리 사용되고 있다. 하지만 하이브리드 복합재를 적용한 조인트부(접합체결부)의 경우 접합방법이나 접합부의 형상에 따라 조인트 구조물의 기계적 물성이 크게 달라지게된다. 또한 하이브리드 복합재 조인트 구조물은 정적하중과 피로하중하에서의 파괴거동이 상이하게 다를 수 있어 구조물 설계시 안전계수, 파괴거동, 피로수명등을 예측하는데 많은 어려움이 있다. 실제 고속형 틸팅열차나 저상버스에 적용되는 하니컴 샌드위치 조인트 구조물의 경우 용접, 볼팅, 접착 등의 복합적인 체결 방식이 도입되어 있고 하중도 외팔보(cantilever) 굽힘 형태로 주로 받게 된다. 지금까지 차량의 조인트부에 대한 강도 및 내구성 해석은 차량전체 구조물의 변형 및 응력해석을 기반으로 시험연구 되거나 각 요소구조물의 접합체결부를 단순시편으로 시험 평가하여 설계에 반영하여왔다. 전체 구조물 제작에는 비용이 많이 들며 또한 단순 시편을 이용한 시험결과를 설계에 반영할 때에는 파손해석의 추가계산이 요구된다. 따라서 철도차량이나 저상버스에 사용되고 있는 부품과 동일한 구조를 가지는 하이브리드 복합재 조인트부를 ‘중간구조물’로 모델 시편화 하여 이에 대한 파괴특성과 피로 특성을 재현할 수 있는 외팔보형 조인트부 굽힘시험법이 연구될 필요가 있다. 또한 하이브리드 복합재 조인트부와 같이 피로시험 데이터가 넓게 분산되어 분포되는 경우 통계적 기법을 이용해야 더욱 신뢰도 높은 피로수명을 예측할 수 있다. 통계적 수명예측에 관련된 기존의 연구들은 대부분 금속이나 복합재와 같은 단일 재료를 대상으로 수행되었기 때문에 하이브리드 복합재 조인트부에 대한 통계적 수명 해석 자료가 부족한 실정이다. 한편, KTX(한국형고속열차)의 소모성 부품의 하나인 하이브리드 복합재로 내부가 코팅된 씰드너클(Sealed Knuckle)의 경우 전량을 수입에 의존하고 있다. 하지만 외국 제작사 측에서는 기술유출을 우려하여 기초적인 소재의 정보나 물성치 등을 전혀 제공하지 않고 있다. 또한 한국의 운행환경이 설계당시 고려한 운행환경과 다르기 때문에 부품들의 유지보수와 교체주기등을 정량적으로 정하지 못하고 현장작업자들이 잦은 주기로 전수검사를 하여 부품의 교체여부를 판단하고 있는 실정이다. 따라서 최근 다년간 축적된 KTX의 운행자료를 기반으로 하여 씰드너클의 피로수명 S-N 선도를 추정고, 이를 이용해 가속수명시험의 기본식을 제시할 필요가 있다. 본 연구에서는 외팔보형 조인트부의 굽힘시험을 수행하기 위한 전용 고정구를 설계/제작 하여 틸팅열차와 저상버스에 사용되는 하이브리드 복합재 조인트 부를 시험하였다. 이를 통해 정적굽힘항복강도와 피로수명을 평가하고, 하중크기와 방향에 따른 구조물의 파괴 형태와 취약부를 규명하고 유한요소 해석을 통해 하이브리드 복합재 조인트부의 설계개선점을 제시하였다. 또한 정규분포, 대수정규분포, Weibull 분포를 이용하여 하이브리드 복합재 조인트부의 피로시험 데이터에 가장 적합한 확률분포를 선정하고 이를 이용해 P-S-N 곡선을 구함으로써 하이브리드 복합재 조인트부에 대한 통계적 수명예측 평가절차와 신뢰성설계의 기초자료를 제시하였다. 기초적인 물성데이터가 없는 상황에서 하이브리드 복합재로 내면이 코팅된 씰드너클의 수명을 예측하기 위해 KTX의 하중이력과 다년간 축적된 부품의 교체주기를 이용하여 피로수명 데이터를 추정하는 S-N 선도 추정법을 제시하였다. 이를 통해 한국 실정에 맞는 가속수명시험 조건을 도출하였고, 나아가 현재 고속열차에 사용되고 있는 수입품과 국산 시제품에 대해 본 연구에서 제시한 가속수명시험 조건을 이용해 각각의 내구성능을 비교평가 함으로써 씰드너클의 국산화에 일조하였다.