탄소섬유/에폭시 복합재료를 이용한 금속-복합재료 하이브리드 전력 전달구조의 설계
저자
발행사항
서울 : 중앙대학교 대학원, 2017
학위논문사항
학위논문(석사)-- 중앙대학교 대학원 : 기계시스템엔지니어링학과 기계시스템엔지니어링전공 2017. 2
발행연도
2017
작성언어
한국어
주제어
발행국(도시)
서울
기타서명
Design of a metal-composite hybrid electric power transmission using high stiffness carbon/epoxy composites
형태사항
vi, 69장 : 삽화 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: 장승환
참고문헌수록
DOI식별코드
소장기관
In this study, research on the mass reduction of KTX was conducted by improving pantograph, one of main parts in KTX, through the substitution of an aluminum-carbon fiber composite hybrid pantograph utilizing CFRP (Carbon Fiber Reinforced Plastics) for conventional steel. CFRP (URN300) was grafted into the main pipe of pantograph in consideration of outdoor environmental conditions and the like which occurred when a train operated. A minimum lamination condition implementing the mechanical performance or better one of conventional steel pantograph was set. And in order to maximize the mass reduction effect, improvement was made by the substitution of aluminum (6061-T6) for steel. Because CFRP was used, a structure was designed by using two fitting methods, i.e., Adhesive fitting method and Friction layer & thermal fitting method, not being conventionally welded. The adhesive fitting method was a design that didn't consider the manufacturing process. So, various problems occurred in the process. In order to improve this, the Friction layer & thermal fitting method was suggested. In order to check the improved mechanical performance of 2 types of structure, their stiffness, torsional angle, natural frequency(Modal analysis) and mass reduction was deduced through FEA(Finite Element Analysis). The structural stability of aluminum-carbon fiber composite hybrid was verified by not only carrying out a thermal-stress analysis of adhesive part and but also examining the stress of composite part for pantograph of which the temperature difference between winter (25 ℃ → -35 ℃) and summer (25 ℃ → 65 ℃(40 ℃)) was big after actually installing it at the outside of KTX. From these results, a geometric condition of aluminum-carbon fiber composite hybrid pantograph improving the previous mechanical performance was suggested.
더보기본 연구에서는 고속철도(KTX)의 주요 부품 중 하나인 팬터그래프를 기존의 강철에서 탄소섬유 복합재료를 활용한 알루미늄-탄소섬유 복합재료 하이브리드 팬터그래프로 개선하여 고속철도의 경량화 연구를 수행하였다. 열차의 운행 시 발생하는 외부환경 조건 등을 고려하여 팬터그래프의 메인파이프 내부에 탄소섬유 복합재료(URN300)를 접목시켰다. 기존 강철 팬터그래프의 기계적 성능 이상을 구현하는 최소 적층 조건을 결정하였으며, 경량화 효과를 극대화하기 위해 강철을 알루미늄으로 개선하였다. 탄소섬유 복합재료를 사용하였기 때문에 기존의 용접 체결방식이 아닌 접착제 체결법과 감쇠층 삽입 및 열압착 체결법 두 가지의 체결법을 이용하여 체결시켰다. 접착제 체결법은 제작 공정을 고려하지 않은 이상적인 설계이므로 공정상의 여러 가지 문제가 발생하였고, 이를 개선하기 위해 감쇠층 삽입 및 열압착 체결법을 제안하였다. 개선된 기계적 성능을 확인하기 위해 강성과 비틀림 각, 고유진동수(Modal analysis), 경량화를 유한요소해석을 통해 도출하였다. 실제 KTX 외부에 장착되어 겨울철(25 ℃ → -35 ℃)과 여름철(25 ℃ → 65 ℃(40℃))의 온도차가 큰 팬터그래프에 대해 접착제 파트의 열응력 해석을 수행하였고, 복합재료 파트의 열응력 역시 살펴보아 알루미늄-탄소섬유 복합재료 하이브리드 팬터그래프의 구조적 안정성을 검증하였다. 이러한 결과로부터 기존의 기계적 성능을 개선한 알루미늄-탄소섬유 복합재료 하이브리드 팬터그래프의 형상 조건을 제안하였다.
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