철도차량 구조물에 발생하는 균열의 균열성장 특성 평가를 위한 유한요소해석

초록

철도차량은 대량 운송수단으로서 속도 및 축중 증가로 인하여 운영하중이 가혹해지고 있다. 철도차량을 구성하는 부품 중에서 하중을 지지하는 것으로는 대차프레임, 차륜 및 차축 등이 대표적이다. 이러한 구조물의 손상 및 파손은 차량의 탈선으로 이어지며, 막대한 인명 피해를 유발한다. 또한, 철도차량은 25년 이상 장기간 운영하므로 반복적인 피로하중을 견딜 수 있도록 충분한 피로 강도를 가지고 있어야 한다. 철도차량 구조물은 반복적인 피로하중으로 인하여 취약부위에서 균열이 발생하고 성장하여 최종적인 파단이 발생한다. 따라서, 철도차량 구조물의 파단을 방지하기 위하여 주기적으로 균열을 검사하기 위한 비파괴검사를 유지보수기간에 실시한다. 철도차량 구조물의 파단을 방지하기 위하여는 운행 중 발생하는 균열성장특성을 평가하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 대차프레임, 차륜 등에 발생의 균열의 응력확대계수를 평가하여야 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 철도차량의 구조물에 발생하는 균열의 응력확대계수를 평가하기 위하여 유한요소해석방법을 제시하였다. 또한, 균열진전특성평가를 위하여 다양한 균열길이에서 응력확대계수를 평가하였다.