A Study of an Evaluation Method of the Structural Integrity and a Lightweight Design for an EMU Carbody by Material Substitution

본 논문에서는 전동차의 에너지 효율을 증가시키기 위하여 기존의 금속재 차체를 탄소섬유 적층 복합재와 샌드위치 복합재로 대체하는 경량 구조설계 기술에 대해 연구를 수행하였다. 탄소섬유 적층 복합재는 기존의 금속재 차체 대비 굽힘과 비틀림 강성 및 강도를 동등 수준 이상으로 유지해야 하므로 다양한 적층 패턴을 고려하여 설계를 수행하였다. 적층 패턴에 따른 물성 예측과 구조해석을 통해 [0°/45°/90°/-45°]2s의 적층패턴을 선정하였다. 선정된 복합재 적층 패턴은 기존의 금속재 차체 구조물 중에서 제작 공정이 단순하고 모듈화 설계가 가능한 지를 고려하여 루프, 켄트레일 및 캡 모듈에 적용되었다. 탄소섬유 적층 복합재와 샌드위치 복합재로 소재 대체가 이루어진 전동차 차체는 EN12663-1 규정에 의거하여 구조안전성 평가를 수행하여 기존의 금속재 차체 대비 동등 이상의 구조안전성을 확인하였다. 또한, 소재 대체에 의한 차체 경량화 설계에서는 루프와 켄트레일 구조물은 약 40.34% 그리고 캡 모듈 구조물은 약 64%의 무게 절감 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.