팬터그래프의 접촉력 분석을 위한 3D 다물체 동역학 해석 모델 개발

Abstract

집전시스템(Current Collection System)을 구성하는 차량이 주행할 때 차량에 달려있는 팬터그래프와 전차선 간 발생하는 접촉력을 분석하기 위하여, 번거로운 수치 계산을 진행해야 되는 1D, 2D 수치 모델을 구축하는 것보다 직관적이며 더욱 정확한 결과를 얻을 수 있는 3D 동역학 모델을 구축하는 것이 권장된다. 다만 3D 동역학 모델의 경우 높은 자유도로 인해 계산량이 많다는 단점이 있으나, 이를 수치적인 해석 기법과 결합하면 더욱 빠른 해석 속도로 오차가 적은 결과를 얻어낼 수 있다. 본 논문에서는 3D 다물체 동역학 상용 프로그램인 DAFUL을 이용하여 팬터그래프의 접촉력 분석을 위한 3D 다물체 동역학 해석 모델을 개발하였다. 팬터그래프는 3자유도의 질량-강성-댐퍼 모델로 검증하고 대체하였다. 접촉력을 연구함에 있어 가장 중요한 부분인 팬터그래프와 접촉하는 조가선-전차선 모델은 유한요소법(FEM)을 이용하여 대 변형과 파동전파를 표현할 수 있게 하였다. 먼저 수렴성 테스트를 진행하여 적절한 자유도수를 선정하고 수치적 계산을 통해 물체에 적합한 강성을 부여하였으며 해석 시작하기 전 전차선로의 정확한 수렴 위치를 도출하였다. 접촉은 빠른 해석을 위하여 유저 서브루틴으로 접촉을 구축하였다. 최종적으로 시뮬레이션을 통해 얻은 결과를 EN 50318 [1]평가 기준과 비교하여 본 논문에서 제시된 3D 다물체 동역학 모델링 방법의 신뢰성을 검증하였다. 이에 기반으로 R-Bar 모델의 개발 방법까지 확장하여 제시 하였다.; In order to analyze the contact force that occurs between the pantograph and the overhead line when the vehicle constituting the Current Collection System is driving, It is recommended to build a 3D dynamics model that can produce more intuitive and more accurate results than building a 1D and 2D numerical model that requires cumbersome numerical calculations. However, the 3D Multibody dynamic model has the disadvantage of high computational complexity due to its high degree of freedom, but when combined with a numerical analysis technique, it is possible to obtain a result with less error at a faster analysis speed. In this paper, a 3D multibody dynamics analysis model for analyzing contact force of pantograph was developed using DAFUL, a commercial program for 3D multibody dynamics. The pantograph was replaced with a mass-rigidity-damper model of three-degree-of-freedom and verified. In the study of contact force, the most important part, the messenger wire and contact wire model what contact with the pantograph, was able to express large strain and wave propagation using the finite element method (FEM). First, a convergence test was conducted to select an appropriate degree of freedom, and appropriate stiffness was applied to the object through numerical calculation. For quick analysis of the contact, the contact was established as a user subroutine. Finally, the results obtained through simulation were compared with the evaluation criteria of EN 50318 [1] to verify the reliability of the 3D multibody dynamic modeling method presented in this paper. Based on this, the development method of the R-Bar model was extended and presented.