궤도차량의 흙제거기조립체 균열·파손현상 분석 연구

서론

흙제거기조립체(이하, 흙제거기)는 2024년 다빈도 고장·결함장비로 소요제기된 구성품으로, 흙제거기는 기동륜 인근에 부착된 구조로, 파손 시 궤도의 정상작동을 방해할 가능성이 있으며, 후방 또는 인근 차량에 대한 진로방해 및 인명피해 발생 가능성에 대한 우려 의견이 제기되었다. 형상 사진은 그림 1, 2와 같다.

흙제거기는 형상이 변경된 바 있었으나 군의 추가 분석요청에 따라 분석을 진행하였다. 야전에서의 고장품 확인 시 확인한 고장품들의 균열 상황은 그림 3과 같다. 먼저, 흙제거기의 균열이 과도한 외력에 의한 파손인지, 피로로 인한 파손인지 여부를 확인하였다.

그림 3. 야전에서 확인한 고장품 균열 상황

원인 분석

파단면 분석

흙제거기의 파손이 과도한 외력에 의한 파손인지, 누적된 피로에 의한 파손인지를 확인하기 위해 손상 시료에 대한 파단면 분석을 수행하였다. 파단면 분석, 성분 분석 등 재료 분석은 한국재료연구원에서 수행하였다.

흙제거기의 재질이 규격에서 정한 SCM440인지 여부를 확인하기 위하여 성분 분석을 수행하였으며, 기준 재료의 규격이 충족됨을 확인하였다. 또한, 모재와 용접 부위의 경도 역시 규격을 충족함을 확인하였다. 파단면 분석 결과 파단면에서는 붉은 산화층이 관찰되었으며, 1차 균열과 2차 균열이 발생한 것을 확인하였다. 또한, 피로 파손의 흔적인 beach mark와 striation이 관찰되었다. 상세 미세조직관찰 결과에서는 용접부 끝단 코너 표면 부위에서 균열이 시작되었음을 확인할 수 있었으며, 균열의 진행 방향은 표면에서 내부로 진행되고 있었음을 확인하였다. 용접 중앙부위에서 용접 결함인 용접 기공이 발견되었으며, 기공에서도 일부 균열이 진전되고 있었다.

그림 4. 균열 시작점 파악 및 파단

그림 5. 1차 균열 시작점 파단면 관찰 결과(SEM-EDS)

전산구조해석[1] : 모드 해석

전산구조해석은 Dassault사의 Abaqus를 사용하였으며, 형상이 개선된 형상을 기준으로 수행하였다. 먼저 고유 진동수와 모드해석을 수행하고 진동/충격 시 취약부위를 식별하였다. 고윳값 분석은 1차~5차 내에서의 모드 형상을 확인하였으며, 결과는 그림 6과 같다. 1차 모드와 3차 모드에서 기존 균열 부위에 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있으며, 진동이나 충격 시 가진력에 의해 기존 균열 부위에 하중이 집중될 수 있음을 예측할 수 있다.

그림 6. 모드별 형상

전산구조해석[2] : 정적하중 해석

다음으로 정적하중에 대한 해석을 수행하였다. 하중의 크기와 인가 방법은 형상변경 시 검토된 조건과 같이 0.2 MPa의 면압을 흙제거기 날에 인가하였다. 이 경우에 형상변경 이전과 같이 균열 부위에 하중이 집중되는 것을 확인하였으며, 최대응력은 534.3 MPa 임을 확인하였다. 이는 SCM440의 항복강도(621.15 MPa)보다는 작지만 피로한계(343 MPa)보다는 크게 작용하는 것이다[2].

전산구조해석[3] : 흙 충돌 모사 해석

마지막으로 흙제거기에 흙이 충돌하였다고 가정하고 충돌해석을 수행하였다. 흙의 거동을 반영하기 위해서 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics) 기법을 적용하여 전산구조해석을 수행하였다. 체계개발업체의 담당 부서 의견에 따라 흙의 이동속도는 15 km/h와 30 km/h인 경우에 대하여 해석을 검토하였다. 적용된 해석 조건은 표 1과 같으며, 형상변경 이전과 같이 균열 부위에서 표 2와 같이 최대응력이 발생하였다.

해석 결과

흙 이동속도	최대 응력	최대 응력 작용 위치
15 km/h	325.969 MPa
30 km/h	615.267 MPa

표 2. 해석 결과

고장 원인 검토

형상 변경된 흙제거기를 기준으로 주행속도 30 km/h 해석결과에서는 형상변경 전 동일 파손 부위에서 피로한계 이상의 응력이 발생될 수 있음을 확인하였다. 파단면 분석결과를 통해 형상변경 전 흙제거기의 파손 원인으로 피로 파손 가능성이 확인되었으며, 개선된 흙제거기 형상에 대한 전산구조해석 결과에서 유사부위에 피로 파손의 가능성을 확인하였다.

개선

최적 형상 설계 및 개선안 도출

외팔보 형태의 흙제거기 형상으로 인해서 기존 손상 부위에서 응력이 집중되고 있으며, 해당 부위에서 피로 한계 이상의 하중이 발생할 가능성도 확인되었다. 흙제거기는 한 차례 형상변경이 완료되었으며, 형상변경 후 현재 시점까지 새로운 흙제거기에 대한 동일한 고장이 대두되고 있지 않다. 추후 본 품목의 유사 고장이 발생할 경우에 본 연구 결과를 기술자료로 활용 가능할 수 있도록 형상 개선(안)을 도출하였다.

Abaqus의 Topology optimization을 통해 형상 최적화를 수행하였다. 형상 최적화의 구속조건은 아래와 같으며, 최적화 결과는 그림 7과 같다.

• 흙제거기와 차량이 결합되는 블록은 형상을 유지
• 흙제거기의 날에 0.2 MPa의 면압이 작용
• 최초 가정 형상에서 20 % 이하의 부피로 형상 최적화
• 최대 600 MPa까지 견딜 수 있도록 형상 최적화

그림 7. 형상 최적화 결과

Topology optimization의 결과는 하중을 견디는데 기여하지 않는 부분들을 모두 제거하기 때문에 그림 7과 같은 형상을 유지하게 된다. 그림 7의 우측 그림과 같은 형상은 제작성이 없으므로 그림 7의 해석결과를 바탕으로 주요 구조 요소를 확인한 후 그림 8과 같이 새로운 개선 형상을 검토하였다.

개선안 검증

도출된 개선 형상을 기준으로 2.3절의 조건과 동일하게 0.2 MPa의 면압을 동일하게 인가하여 정적하중 해석을 수행하였다. 해석결과 항복강도의 약 20%, 피로한계의 약 36%인 최대 122.9 MPa이 발생됨을 확인하였으며, 그 위치는 기존 균열 부위가 아님을 알 수 있다(그림 9). 새로운 형상으로 장착 시 간섭 여부에 대하여 제조사의 검토가 이루어졌으며, 길이, 체결 부위 등이 동일하게 유지됨에 따라 간섭은 없을 것으로 예상된다.

그림 9. 형상 개선안 검증 결과

결론

2024년 다빈도 고장·결함장비 고장원인분석 과제 대상으로 소요제기된 흙제거기의 균열 및 파손 현상에 대한 분석을 수행하였다. 파단면 분석 및 전산구조해석을 통해 균열 부위의 형상적 특징과 하중 작용 조건에 따른 구조물의 응답 거동을 검토하였으며, 형상 개선(안)을 도출 및 검증을 수행하였다.

시료 분석결과 재질 및 경도는 SCM440 규격을 충족하였으나, 파단면 분석에서 피로 파손의 전형적인 흔적인 beach mark와 striation이 관찰되었다. 특히 용접부 끝단 코너 표면에서 균열이 시작되었음을 확인하였으며, 내부에서 발견된 용접 기공과 산화층에서도 피로 균열의 진전을 확인하였다. Abaqus를 이용한 전산구조해석 결과, 1차 및 3차 고유 모드에서 기존 균열 발생 부위에 응력이 집중되는 특성을 보였다. 또한 0.2 MPa의 정적하중 인가 시 발생 응력은 534.3 MPa, 30 km/h 속도의 흙 충돌 모사 시에는 최대 615.267 MPa의 응력이 발생하여 재료의 피로한계인 343 MPa를 크게 상회하는 것으로 나타났다.

이러한 분석결과를 바탕으로, 추후 본 품목의 유사 고장이 발생할 경우 기술자료로 활용할 수 있도록 Topology optimization 기법을 적용하여 형상 개선(안)을 도출하였다. 도출된 형상 개선(안)을 대상으로 정적하중 해석 조건과 동일한 조건으로 하중 인가 해석을 수행한 결과, 피로한계 이하의 최대응력이 발생하는 것을 확인하였으며, 기존 균열 부위와 다른 부위에 응력이 집중되는 것을 확인하였다.

흙제거기는 형상변경 후 현재 시점까지 동일한 고장이 대두되고 있지 않으나, 추후 본 품목의 유사 고장이 발생할 경우 본 연구 결과를 기술자료로 활용 가능할 수 있을 것으로 사료된다.