차세대 고속철도의 동역학 해석 및 휠- 레일 접촉 프로그램 개발

Abstract

차세대 고속철도는 시속 400km를 목표로 개발중인 차량이며, KTX와 KTX-산천과 달리 동력 분산형 기술이 적용된 차량이다. 동력 분산형 기술이란, 각각의 대차에 동력원을 두어 견인력을 높인 방식을 말한다. 이러한 새로운 기술을 적용한 차량은 설계 단계에서 컴퓨터를 이용한 시뮬레이션을 통해 안전성을 검증하는 것이 매우 중요하다. 특히 설계 문제점을 발견하고, 보완할 수 있으며, 주행성능을 확인함으로써 최대속도로 주행시 차량의 안전을 확인할 수 있다. 본 연구에서는 차세대 고속철도의 주행성능 해석과 철도차량을 해석하기 위한 휠-레일 접촉 프로그램의 개발을 수행하였다. 먼저 주행성능 해석에서는 안정성 해석과 가진응답 해석 그리고 안전성 해석을 통하여 차세대 고속철도의 동적 성능을 예측하였다. 안정성 해석은 국제기준인 UIC 518에 따라 답면구배 0.15에서 임계속도를 계산하여 최대속도 400km/h로 주행이 가능한 것을 확인하였다. 다음으로 가진응답 해석을 일정구간 심한 불규칙도 구간을 주행하고, 이후 불규칙도가 없는 구간을 주행하면서 차량의 진동 수렴여부를 파악하는 해석이다. 차량의 진동이 발산하기 전까지의 속도를 임계속도로 하며, 500km/h까지 주행이 가능한 것을 시뮬레이션을 통해 확인하였다. 마지막으로 안전성 해석은 실제 트랙의 불규칙도를 적용하여 최대속도 440km/h에서 시뮬레이션을 수행하여 가속도 값을 얻어낸다. 이 가속도 값을 후처리하여 평가값으로 계산하고, 국제기준 UIC 518의 한계값과 비교하여 안전하다는 것을 확인하였다. 다음으로 휠-레일 접촉 프로그램은 FASTSIM 이론을 이용하여 접촉력을 계산하였다. 먼저 접촉 테이블을 계산하고, 횡변위에 따른 정보를 테이블에서 참조하여 최종 힘을 계산하는 방식이다. 개발된 코드를 이용하여 직선주행을 수행하였으며, 상용프로그램과 문헌의 값을 이용하여 신뢰성을 검증하였다. 또한 횡방향 불규칙도와 수직 불규칙도를 동시에 적용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 휠셋의 변위가 불규칙도를 따라 적절히 움직이는 것을 확인하였다.