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철도차량 동역학 해석을 위한 휠-레일 접촉 모듈 개발에 관한 연구

A Study of Developing Wheel-Rail Contact Module for Railway Vehicle Dynamic Analysis

초록/요약

점점 더 고속화 되는 철도차량의 개발로 차량 개발에 있어서 주행성능과 안정성 검토가 중요시 되고 있고, 주행안정성 검토를 위해서는 철도 차량의 동역학 해석이 필요하다. 철도차량은 판토, 가선, 대차, 휠-레일 등 여러 질량요소들과 각종 현가장치들로 연결된 복잡한 시스템으로 구성되어 있어 해석에 어려움이 있지만, 최근에는 컴퓨터의 발달로 소프트웨어를 통한 시뮬레이션이 가능해지고 있다. 철도차량의 동역학 해석 툴로는 AEAT사의 VAMPIRE, MSC사의 ADAMS/Rail를 가장 많이 사용하고 있다. 하지만 동력공급을 위한 철도차량만의 특별한 구성요소인 판토와 가선의 접촉 해석, 철도차량의 거동에 큰 영향을 주는 휠-레일 접촉 해석은 여전히 어려운 과제로 남아있다.(1) 조향장치가 따로 존재하지 않는 철도차량은 특이한 형상을 가진 휠-레일의 접촉만으로 직선 및 곡선 주행을 한다. 따라서 본 연구에서는 어떠한 툴에나 사용가능한 휠-레일 접촉 해석을 위한 모듈을 C언어를 기반으로 개발하고, 직선선로 및 다양한 곡선 선로에서의 주행시 철도차량의 동역학적 특성을 살펴보았다.

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목차

목 차
제 1 장 연구 개요 1
제 1.1 절 연구 배경 1
제 1.2 절 연구 목표 4
제 2 장 동역학 해석의 이론적 배경 6
제 2.1 절 구속 방정식 6
제 2.2 절 구속 기계계의 운동 방정식 9
제 3 장 휠-레일 접촉 알고리즘 15
제 3.1 절 휠-레일 좌표계 설정과 휠-레일, 트랙의 형상 정의 17
제 3.1.1 항 휠-레일 좌표계 설정 17
제 3.1.2 항 휠-레일, 트랙의 형상 정의 19
제 3.1.3 항 트랙 정의 관한 세부 설명 21
제 3.2 절 접촉점 탐색 및 침투량(PENETRATION) 계산 27
제 3.3 절 접촉점에서의 수직력과 접촉 반경 계산 29
제 3.3.1 항 수직력 계산 29
제 3.3.2 항 접촉반경 계산 32
제 3.4 절 크리피지(CREEPAGE)와 크립력(CREEP FORCE) 34
제 3.4.1 항 크리피지(Creepage)의 계산 34
제 3.4.2 항 크립력(Creepforce)의 계산 36
제 4 장 휠-레일 주행 특성 해석 39
제 4.1 절 단일 휠 모델의 해석 40
제 4.1.1 항 단일 휠의 해석조건 40
제 4.1.2 항 단일 휠의 곡선 주행 해석 41
제 4.2 절 대차 모델의 해석 46
제 4.2.1 항 단일 대차의 해석조건 46
제 4.2.2 항 단일 대차의 곡선 주행 해석 48
제 4.3 절 단윌 휠 모델과 대차 모델 비교 54
제 5 장 결 론 55
제 6 장 참고 문헌 56

그 림 목 차
그림 1 두 물체 사이의 회전 조인트 7
그림 2 휠-레일 접촉 알고리즘의 순서도 15
그림 3 휠과 레일의 좌표계 설정 17
그림 4 휠과 레일의 형상 매개변수 정의 18
그림 5 휠-레일의 형상 테이블 20
그림 6 3차원 트랙의 중심선과 XY평면에 대한 투영도 21
그림 7 트랙 입력 정보 및 각 구간별 결과 도표 23
그림 8 각 트랙의 구간별 선형보간 테이블 25
그림 9 휠-레일 접촉면에서의 접촉 반경 31
그림 10 크리피지(creepage) 모형도 35
그림 11 휠(S1002)-레일(UIC60)의 2차원 형상 40
그림 12 곡선반경 7000m 트랙 41
그림 13 곡선 주행시 단일 휠의 좌/우측 수직력 43
그림 14 곡선 주행시 단일 휠의 좌/우측 접촉반경 a b 44
그림 15 곡선 주행시 단일 휠의 좌/우측 크리피지와 크립력 44
그림 16 좌측 선회시 단일 휠의 수직력, 접촉반경, 크리피지, 크립력의 변화양상 45
그림 17 ADAMS와 RecurDYN의 대차 모델링 46
그림 18 Wheel, Bogiem Axlebox, Spring & Damper의 연결 상태 47
그림 19 단일 대차의 곡선 주행시 전륜 좌/우측 수직력 49
그림 20 단일 대차의 곡선 주행시 후륜 좌/우측 수직력 49
그림 21 단일 대차의 곡선 주행시 전륜 좌/우측 접촉반경 a b 50
그림 22 단일 대차의 곡선 주행시 후륜 좌/우측 접촉반경 a b 50
그림 23 단일 대차의 곡선 주행시 전륜 좌/우측 크립피지와 크립력 52
그림 24 단일 대차의 곡선 주행시 후륜 좌/우측 크립피지와 크립력 52
그림 25 단일 대차의 곡선 주행시 수직력, 접촉반경, 크리피지, 크립력의 변화양상 53

표 목 차
표 1 Hertz 계수 33
표 2 Hertz 계수 34
표 3 휠의 물성치 및 7000R 곡선트랙 생성을 위한 입력 41
표 4 대차 모델의 물성치 및 트랙 입력값 47

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