철도차량 구조물에 발생하는 균열의 응력확대계수 평가 및 균열진전해석

초록

철도차량은 대량의 승객 및 화물을 수송하는 중요한 교통수단으로 안전성과 신뢰성이 보증되어야 한다. 철도차량을 구성하는 부품은 다양하지만 특히 대차프레임, 차륜 및 차축 등은 승객과 화물을 지지하고, 주행 시 발생하는 변동하중에 대하여 충분한 피로강도를 가지고 있어야 한다. 대차프레임 및 차륜등은 일정한 주기로 균열 및 손상을 검사하기 위하여 비파괴 검사를 실시한다. 철도차량의 부품 중에는 제조 및 운행 시 발생하는 균열이 성장하여 파단에 이룰 수 있으므로, 균열의 진전거동을 평가하고 진전하는 속도를 예측하는 것이 중요하다. 구조물에 발생하는 균열의 진전속도 및 임계균열길이를 결정하기 위하여는 응력확대계수가 평가되어야 한다. 응력확대계수를 평가하는 방법은 이론적인 방법, 핸드북을 이용하는 방법, 유한요소해석 방법 등이 있으며, 단순한 형상에 대하여는 핸드북에 계산식이 제시되어 있다. 차륜 및 대차프레임과 같이 복잡한 구조물에 대하여는 유한요소해석을 통하여 정확한 응력확대계수를 계산할 수 있다. 본 논문에서는 유한요소해석을 통하여 철도차량 구조물에 발생하는 균열에 대하여 응력확대계수를 평가하였다. 이를 위하여 철도차량 구조물에 대한 유한요소모델을 구축하였으며, 다양한 하중조건에서 해석을 통하여 균열이 발생하는 취약부위를 평가하였다. 유한요소해석모델의 타다성을 검증하기 위하여 단순한 시험편의 이론해를 통하여 비교하였다. 또한, 균열성장곡선과 균열진전해석을 통하여 균열진진거동을 평가하였다.