In order to determine the most suitable material system for achieving the lightweight design while fulfilling the design requirements of carbody structures of Korean Tilting Train eXpress(TTX), aluminum carbody. composite carbody, and hybrid carbody combined with aluminum and composite structures were considered in the present study. The finite-element analysis was used to verify the design requirements or the TTX carbody structures with the material system considered in the design stages. The stresses in the carbody structures and deflections of underframe against static load cases were used as design criteria. The results show that the hybrid carbody structures are beneficial with regard to weight savings and structural integrity in comparison to aluminum and composite carbody structures.
The hybrid composite carbody structures were considered as the carbody system of Korean Tilting Train eXpress(TTX) to achieve the lightweight design. The TTX carbodies are composed of the carbody shell made of the sandwich composite structure and the undeframe made of the metal structure. The sandwich structures were used to minimize the weight of carbody, and the metal underframe was used to modify the design easily and to keep the strength of underframe by the installation of the electrical equipments. The sandwich carbody structures will be cured in an autoclave. In this paper, the manufacturing processes of the TTX carbody structures were introduced briefly.
The hybrid composite carbody structures were considered as the carbody system of Korean Tilting Train eXpress(TTX) to achieve the lightweight design. The TTX carbodies are composed of the carbody shell made of the sandwich composite structure and the undeframe made of the metal structure. The sandwich structures were used to minimize the weight of carbody, and the metal underframe was used to modify the design easily and to keep the strength of underframe by the installation of the electrical equipments. The sandwich carbody structures will be cured in an autoclave. In this paper, the manufacturing processes of the TTX carbody structures were introduced briefly.
In order to evaluate the static stability of hybrid carbody structures of Korean Tilting Train eXpress(TTX) caused by degradation of composites under ground environments, T300/AD6005 graphite/epoxy composite specimens were exposed to accelerated environmental conditions including ultraviolet radiation, temperature and moisture fer 2000 hours. It was found that the stiffness and strength of composites after aging were lower than those of unexposed specimens, and decreased as the aging time increases. The values of the degraded properties were used in the static analysis to check the static stability of hybrid carbody structures caused by environmental degradation of composites. The results shown that the structural stability of hybrid carbody structures was affected by the degradation of composites after exposure to accelerated aging environments.
This paper explains manufacturing process, analysis and experimental studies on a hybrid composite carbody of Korean tilting train. The composite carbody with length of 23m was manufactured as a sandwich structure composed of a aluminium honeycomb core and woven fabric carbon/epoxy faces. In order to evaluate deformational behavior of the composite carbody, the static load test under vertical load has been conducted. From the test, the vertical deflection an겨 cross sectional deformation of the carbody were analysed and measured. The maximum deflection along the side sill was 9.25mm in the experiment and 8.28mm in the analysis. The maximum cross sectional deformation was measured 5.42mm at carbody center in lateral direction and 4.06mm at roof center in vertical direction.
In order to determine the most suitable material system which can achieve the lightweight design and fulfill the design requirements of carbody structures of Korean Tilting Train eXpress (TTX), aluminum carbody, composite carbody, and hybrid carbody combined with aluminum and composite structures were considered in present study. The finite-element analysis was used to verity the design requirements of the TTX carbody structures with the material system being considered in the design stages. The stresses in the carbody structures and deflections of underframe against static load cases were checked as design criteria. The results show that the hybrid carbody structures are beneficial with regard to weight savings and structural integrity when compared to aluminum and composite carbody structures.
The Korean Tilting Train eXpress (TTX) with service speed of 180km/h have been developing using hybrid design concept combined with a sandwich composite structure for the carbody and stainless steel structure for the underframe to match the challenging demands with respect to cost efficient lightweight design for railway carriage structures. The sandwich composite structure was used to minimize the weight of the carbody, while the metal underframe was used to modify the design easily and to keep the strength of underframe for the installation of the electrical equipments. The sandwich composite structure was 23 meters long, 3 meters wide and 2.7 meters high, and cured as one body in a large autoclave equipment with the length of 30 meters and the diameter of 5 meters. The joint part between the carbody structure made of sandwich composites and the metal underframe was joined by the proposed design.
본 연구에서는 알루미늄 압출재로 구성된 한국형 표준전동차모델(K-EMU)의 차체를 대상으로 치수 최적설계와 구조체 소재 변경을 통한 경량화방안에 대해 연구하였다. 우선 K-EMU 차체의 하부구조, 측벽구조, 단부구조의 부재별 두께를 현재의 압출가능 두께를 적용하여 치수 최적화 기법으로 약 14.8% 경량화 하였다. 그리고 치수최적설계 된 K-EMU 차체에 유지보수성이 좋은 고장력강(SMA570)재질의 프레임타입 하부구조를 적용하여 초기 K-EMU 차체대비 약 3.8% 경량화 된 하이브리드 차체를 도출하였다. 마지막으로 샌드위치 복합재를 하부구조와 지붕구조에 적용하여 초기 K-EMU 차체대비 약 30% 경량화 된 초경량 하이브리드 차체를 도출하였다. 도출된 차체 모델들은 모두 전동차 구조체 하중시험법을 만족하였다.
본 논문에서는 하이브리드 복합재 틸팅차량 차체에 대한 시험적 연구를 수행하였다. 시험에 적용된 하이브리드 복합재 틸팅차량 차체는 길이가 23m이며 40mm두께의 알루미늄 하니콤 코어와 2mm의 직조된 탄소/에폭시 면재로 구성된 샌드위치 구조물이다. 하이브리드 복합재 틸팅차량 차체의 구조적 거동과 안전성을 규명하기 위해 수직하중- 차단압축하중, 비틀림하중 및 3점지지 하중조건하에서 정적인 하중시험을 수행하였다. 시험은 JIS E 7105규격에 근거하여 수행되었다. 시험을 통해 수직하중하에서 최대처짐은 최대 12.3mm이며 굽힘강성은 $0.81\times10^{14}\;kgf{\cdot}mm^2$로 도시철도차량성능기준을 만족하고 있었다. 또한 강도 측면에서도 탄소/에폭시 면재의 파단변형률의 $20\%$ 이내로 안전도를 만족하였다.
논문은 위상최적화와 치수최적화 해석기법을 이용한 샌드위치 복합재와 알루미늄 압출재로 구성되는 하이브리드 철도차량 차체 구조물의 경량 모듈화 설계에 관한 연구이다. 위상최적설계는 초기설계단계에 차체 구조물의 최적의 재료적용부위를 선정하기 위해 사용되었으며, 치수최적화설계는 하이브리드 차체 구조물의 최적 설계 변수를 찾기 위해 사용되었다. 이때, 최적화해석은 일계법과 부분문제근사법을 사용하였다. 위상최적설계해석을 통해 차체 구조물의 강성 및 제작성을 향상시키기 위한 언더프레임, 로우 사이드 패널 모듈에 1차 부재인 알루미늄 압출재의 적용이 적절하고, 샌드위치 복합재는 무게를 최소화하기 위한 2차 부재로서 루프 및 미들 사이드 패널 모듈에 적용이 적합하다는 결론을 얻었다. 또한, 알루미늄 압출재와 샌드위치 복합재로 구성되는 하이브리드 차체 구조물의 무게는 샌드위치 복합재로만 만들어진 차체 구조물과 비교하여 최대 17.7%까지의 경량화 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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