철도차량용 공기스프링 설계파라미터 변화에 따른 비선형 거동 특성 분석

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확장요약문

철도차량용 공기스프링은 압축공기의 탄성을 이용하여 차체 하중을 지지하고 주행 중 발생하는 진동을 완화하는 주요 현가장치이다. 공기스프링은 내부 공기의 압축과 고무 구조체의 대변형에 의해 비선형 하중–변위 특성을 나타내며, 이러한 거동은 고무의 재료 물성, 보강사의 배향, 구조적 형상 및 공기 체적 등 다양한 요인에 영향을 받는다. 따라서 설계파라미터 변화에 따른 공기스프링의 기계적 특성을 예측하기 위해서는 고무의 재료 비선형성과 대변형, 보강사의 구조적 특성 및 내부 공기의 압축 거동을 함께 고려한 해석 모델이 필요하다. 본 연구에서는 고무 벨로우즈에 초탄성 재료 모델을 적용하고, 보강사의 적층 및 배향 특성을 반영하였으며, 내부 공기의 압축 거동은 상용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus의 Fluid Cavity 기능을 이용하여 모사하였다. 또한 재료 물성 파라미터 4개가 공기스프링의 하중–변위 응답에 미치는 영향을 검토하고, 실험–해석 결과의 비교를 통해 재료 물성을 보정하였다. 이후 보정된 해석 모델을 기반으로 보강사 각도 및 위치, 형상, 보조체적을 설계파라미터로 선정하여 각 파라미터의 변화에 따른 비선형 거동 특성을 분석하였다. 설계파라미터별 수직 및 수평 방향의 하중–변위 관계와 강성 특성을 비교하여 공기스프링의 기계적 응답에 미치는 영향을 평가하고자 하였다. 이를 통해 설계파라미터와 공기스프링의 비선형 거동 사이의 관계를 검토하고, 향후 철도차량용 공기스프링의 성능 예측 및 설계 검토를 위한 기초자료를 제공하고자 한다.