철도차량 대차프레임 용접시험편의 잔류응력 해석

초록

철도차량은 친환경 대량 교통수단으로써 안전이 가장 중요한 요소이다. 철도차량은 차체와 대차로 구성되며, 대차는 승객과 화물을 지지하고 차량의 주행을 유도하는 중요한 장치이다. 대차에서 가장 중요한 부품의 하나는 대차프레임으로써 차체 및 대차의 모든 하중을 지지하고 있다. 대차프레임은 일반적으로 용접에 의하여 제작되며 승객 및 화물 등의 정적하중 뿐만 아니라 주행 중에 발생하는 반복적인 피로하중이 작용한다. 따라서, 대차프레임에 균열의 발생 및 진전은 안전에 치명적인 역할을 하므로 이에 대한 평가가 중요하다. 대차프레임에 발생하는 균열은 일반적으로 용접부에 발생하므로 주기적으로 비파괴 검사를 통하여 모니터링을 실시한다. 대차프레임의 용접부에서 발생하는 균열에 영향을 미치는 것은 여러가지가 있지만, 가장 큰 것은 용접시 발생하는 잔류응력이다. 현재 대차프레임을 제작시에는 용접 잔류응력을 완화시키기 위하여 일반적으로 후열처리를 실시한다. 본 논문에서는 대차프레임에 가장 많이 사용되는 형상에 대한 용접시험편을 제작하였고 이에 대한 잔류응력 평가를 실시하였다. 용접시험편은 필렛용접형상으로 선정하였고, 용접방법은 현재 대차프레임의 제작방법에 따라서 제작하였다. 용접시험편의 잔류응력은 유한요소해석을 통하여 구하였고, 잔류응력 측정시험을 통하여 이를 검증하였다. 잔류응력해석은 두 가지 절차로 구성된다. 첫 번째로 열전달해석을 통하여 용접시험편의 전반적인 온도분포를 구하고, 이로부터 응력해석을 실시하여 잔류응력을 구한다. 잔류응력측정은 절단법을 사용하였으며 해석과 시험결과가 전반적으로 유사하였다.