난연 폴리우레탄폼을 이용한 철도차량용 다기능 패널의 강도 해석

A Study on Strength Properties of Sandwich Panels Including Flame Resisting Polyurethane Foam Cores for Application to Rolling Stocks

Article information

J. Korean Soc. Hazard Mitig. 2017;17(6):227-234
Publication date (electronic) : 2017 December 31
doi : https://doi.org/10.9798/KOSHAM.2017.17.6.227
** Member, Senior Researcher, Korea Railroad Research Institute
*** Principal Researcher, Korea Railroad Research Institute
**** Principal Researcher, Korea Railroad Research Institute
***** Professor, Department of Polymer Science and Engineering, Korea National University of Transportation
****** M.S. Candidate, Department of Polymer Science and Engineering, Korea National University of Transportation
*Corresponding Author, Member, Senior Researcher, Korea Railroad Research Institute (Tel: +82-31-460-5588, Fax: +82-31-460-5358, E-mail: hjang@krri.re.kr)
Received 2017 September 26; Revised 2017 September 27; Accepted 2017 October 10.

Abstract

최근 철도차량의 고속화 및 이용객의 기대수준이 높아짐에 따라 높은 난연성으로 승객의 안전을 보호하고, 뛰어난 단열효과로 차량에너지효율을 높임과 동시에 차음성능의 개선을 통해 객실 내 승객의 쾌적성을 향상시킬 수 있는 철도차량용 다기능 내장패널의 개발이 요구된다. 이에 본 연구에서는 단열 및 차음효과가 높은 연질 폴리우레탄폼 재료를 심재로 이용하는 철도차량용 다기능 패널에 대해 소개한다. 난연성을 보완하기 위해 난연재의 후함침을 통해서 난연 폴리우레탄폼을 제조하고, 철도차량 내장패널 적용가능성을 살펴보기 위해 강도 해석을 수행하였다. 재료시험결과에 기반한 초탄성재료 모델을 이용하여 비선형 유한요소 해석을 수행하였으며, 다양한 다른 폼 심재와 비교 분석하였다.

Trans Abstract

Recently, development of multi-functional interior panels for application to rolling stocks including flame resistant, heat and sound insulation properties is required to provide comfort and convenience for passengers. In this research we introduced new interior panels including flame resisting polyurethane (FR-PU) foam core and performed strength analysis of the panels for application to rolling stocks. To obtain flame resistant properties in PU foam, we impregnated the PU foam with flame retardants so that the FR-PU foam specimens are fabricated. Mechanical behaviours of the panels under the compressive and bending loads are studied by using finite element analysis where a hyperelastic model fitted from test data is considered. The results are compared to the various commercial foam core materials to study the applicability of the FR-PU foam core sandwich panel.

1. 서론

일반적으로 철도차량의 객실 내장재는 철도차량 기술기준(Ministry of Land, Infrastructure and Transport in Korea, 2017)의 화재안전항목에 제시된 조건을 만족하여 높은 난연성을 충족하게 제작되고 있다. 하지만 차량의 고속화와 더불어 이용객의 기대수준이 높아짐에 따라 기존 내장재의 기능화를 통한 객실내 공간의 쾌적성 및 안전성의 향상이 요구되고 있다. 따라서 화재사고 발생과 같은 유사시에는 높은 난연성으로 승객의 안전을 보호하고 평상시에는 뛰어난 단열효과로 차량공조설비의 부하를 경감하여 차량에너지효율을 높임과 동시에 차음성능 개선을 통해 객실 내 승객의 쾌적성을 향상시킬 수 있는 다기능 내장패널의 개발이 요구된다. 현재 철도차량 내장패널로 가장 많이 사용되는 것은 Fig. 1과 같이 허니콤(honeycomb) 심재를 이용한 Nomex 내장패널 구조로써, Nomex® 허니콤 코어는 미국 듀폰사의 특허제품으로 수입에 의존 중이며 패널가격의 약 50% 가량이 Nomex® 코어이다. 심재의 허니콤 구조를 Fig. 2와 같이 난연, 단열 및 차음효과가 높은 재료구조로 대체하고 내장패널 판재를 항균 처리할 경우 하나의 내장패널로 난연, 단열, 차음의 모든 효과를 구현 가능함으로 기존 철도차량내장재의 성능을 보완할 수 있을 것으로 예상된다.

Fig. 1

Nomex® Honeycomb Core

Fig. 2

All-in-One Panel for Rolling Stocks

폴리우레탄폼(Polyurethane Foam, 이하 PU foam)은 기계적 강도가 우수하고 단열 및 흡차음효과가 높은 재료로써, 선박과 차량용 내장재의 소재로 많이 이용되고 있다. 폴리우레탄폼은 제조과정에서 혼합비율에 따라 크게 경질(rigid)과 연질(flexible)로 구분되는데, 특히 연질 폴리우레탄폼(Flexible Foam)은 쿠션성과 신율, 인장강도 등의 기계적 강도가 뛰어남과 동시에 Open Cell 구조를 가짐으로써 배합 처방에 따라 다양한 물성 및 광범위한 비중 조절이 용이하다는 장점을 가지므로, 앞서 언급한 철도차량용 다기능 내장패널 대체 심재로 활용 가능하다 볼 수 있다.

폴리우레탄폼의 철도차량시스템 적용을 위한 연구는 많이 수행되지는 않았으며, 특히 폼 재료에 추가 배합을 통해 물성을 조절한 경우에 대한 연구는 보고되지 않았다. Park et al. (2015)은 철도차량의 주요 구조체 중 하나인 철도차량 바닥구조물에 대하여 경량화와 설치의 용이성을 위하여 알루미늄 폼 샌드위치 판넬과 폴리우레탄폼 단열재를 조합 및 적용하여 내화성능을 평가하였다. Kang(2014)은 철도차량의 시트 재료로 이용되는 폴리우레탄폼의 진동 특성 해석에 관한 연구를 수행하였다. 정방형 폴리우레탄폼 시편에 대한 1축 압축시험을 통해 얻은 재료 비선형성과 점탄성 특성으로부터 단순 1자유도계를 고려하여 차량에 적용된 경우에 대한 동적 특성 분석을 하였고, 승객 승차감을 위한 설계 변수로 폴리우레탄폼의 점탄성이 고려되어야 한다는 결론을 얻었다. 본 연구에서는 단열 및 차음 효과가 높은 Open Cell 구조의 연질 폴리우레탄폼에 난연 재료를 함침시켜 난연 폴리우레탄폼(Flame Resisting Polyurethane Foam, 이하 FR-PU foam)을 제조한 후, 철도차량 다기능 내장패널의 대체 심재로 적용하기 위해 압축과 굽힘 시험에 대한 강도해석을 수행하였다.

압축 하중 하의 폴리우레탄폼의 응력-변형률 거동은 Fig. 3과 같이 Linear elastic, Plateau, Densification의 3가지 단계를 보인다고 알려져 있으며, 이러한 비선형 특성을 반영하여 모델링 및 해석을 하기 위한 연구가 자동차(Lyn and Mills, 2001), 선박(Lee et al., 2015; Lee et al., 2016), 의류(Patel et al., 2008; Petre et al., 2006), 의학(Zhang et al., 2011) 등 다양한 분야에서 수행되어 왔다. Briody et al. (2011, 2012)은 휠체어 쿠션의 적용을 위해 연질 폴리우레탄폼에 대해서 시험을 통해 재료 모델을 구축하였고, 이를 이용한 해석결과와 시험결과가 잘 일치함을 확인하였다. 본 연구에서는 1축 압축과 단순전단시험을 각각 수행하여 초탄성재료모델 중 하나인 Ogden 2차 모델을 이용하여 모델링하였고, IFD indentation 시험을 통해 검증하였다. Ju et al. (2015)은 밀도가 서로 다른 3가지 폴리우레탄폼 시편에 대하여 압축시험을 수행하여 Ogden, Mooney-Rivlin 및 Neo-Hookean model을 이용한 해석결과와 비교하였고, 그들의 시험결과를 가장 잘 예측하는 수치해석모델은 Ogden model이라고 보고하였다. Petre et al. (2006)은 상품화 되어 있는 12가지 폴리우레탄폼 재료에 대해 1축 압축, 단순 전단, 체적 압축 시험을 수행하였고, Ogden model 생성 시의 차수에 따른 영향과 어떤 시험데이터를 우선적으로 쓰는 것이 좋은지 연구하였다. Ogden model의 차수를 높일수록 해석을 통한 예측 결과의 신뢰도는 향상되지만, 늘어나는 계산 비용에 비해 그 차이는 크지 않다고 보았으며, 지배적인 역학적 거동의 유형에 따라 시험데이터를 확보해야 한다고 결론지었다.

Fig. 3

Compressive S-S Curve of PU Foam

본 논문은 다음과 같이 구성되었다. 2장에서는 난연 폴리우레탄폼을 제조하고, 시험결과로부터 재료 모델을 생성하는 과정에 대해서 다룬다. 3장에서는 생성된 난연 폴리우레탄폼의 수치재료모델을 이용하여 샌드위치패널을 모델링하고, 철도차량용 내장판에서 요구되는 압축과 굽힘강도에 대해 유한요소 해석을 수행하여 강도해석을 수행하였다. 난연 처리되지 않은 폴리우레탄폼과 문헌조사를 통해 고려한 상품화 된 폼 재료에 대해서도 해석을 수행하여 제작된 난연 폴리우레탄폼 심재와 비교 분석하였다. 4장에서는 본 연구를 통한 난연 폴리우레탄폼의 철도차량 내장패널 적용가능성에 대해 결론을 내린다. 연구 과정의 모든 시험에 대해서는 ISO 및 ASTM 국제표준을 이용하여 신뢰성을 확보하였다.

2. 난연 폴리우레탄폼 해석모델 구축

2.1 시편 제작

우레탄폼을 난연처리하는 방법은 크게 발포과정에서 난연재를 함유시켜 제작하는 방법과 발포폼 형성 이후 난연재를 함침시켜 난연성을 확보하는 두가지 방법이 존재한다. 첫 번째 발포과정에서 함침시켜 제조하는 방법은 투입되는 난연재로 인해 균일한 발포에 한계가 있다는 단점을 가지고 있다. 이에 반해 난연재를 후함침하여 난연화하는 방법은 보다 쉽게 난연화가 가능하나 경량화의 측면에서 어려움이 존재한다.

본 연구에서는 난연재를 후함침시켜 난연성을 확보하는 방향으로 난연우레탄폼을 제조하였다. 이를 위해 비난연 우레탄폼에 무기성난연재 및 난연재를 발포폼에 결합시키기 위한 바인더를 첨가하여 함침시킨 후 고온 건조과정을 거쳐 난연우레탄폼을 제조하였다(Fig. 4).

Fig. 4

Test Specimen of Foam

2.2 압축 및 전단 실험

제조된 난연 폴리우레탄폼과 비난연 폴리우레탄폼에 대하여 KS M ISO 3386-1:2013 “연질 발포 고분자 재료 - 압축 응력-변형 특성 측정방법” 표준에 따라 단축압축시험을 수행하였고, 동일한 재료에 대해서 KS M ISO 1827:2014 “가황 또는 열가소성 고무 - 단단한 판에 대한 접착 또는 전단 모듈러스 측정” 표준에 따라 단순전단시험을 수행하였다. 모든 시험은 Lloyd LR 50K 장비를 이용하여 수행되었다.

압축시험의 경우 Fig. 5(a)와 같은 형태로 시편을 장비에 취부하여 수행하였으며 시험속도는 5 mm/min으로 하였다. 100mm x 100mm x 50mm size의 시편 1개당 3회 압축 후 하중 제거를 반복한 후 4회째 힘-변위 데이터를 기록하여 응력-변형률 선도를 도시하였는데, 이는 고무나 폼과 같은 탄성중합체(Elastomeric) 재료에서 나타나는 멀린스 효과(Mullins effect)를 제거하기 위한 과정이다(Mullins, 1969; Diani et al., 2009).

Fig. 5

Material Testing Set-up

단순전단시험의 경우는 Fig. 5(b)와 같이 플라스틱 판에 25×20×6 mm 크기를 가지는 두 개의 시편을 접착하여 100% 전단변형률까지 시험속도 4 mm/min로 수행하였다. 목표 전단변형 도달 이전에 판과 시편 사이의 접착이 떨어지는 경우의 시편은 파기하고 재시험을 수행하였다.

Fig. 6에서 1축압축과 단순전단시험에 대한 비난연 폴리우레탄폼(PU Foam, 점선)과 난연 폴리우레탄폼(FR-PU Foam, 실선)의 응력-변형률 곡선을 비교하였다. 난연재의 함침으로 인해 압축 강성 및 전단 강성이 모두 증가 하는 것을 확인할 수 있었는데, 압축 응력의 경우 80% 변형률에서의 응력값이 난연재를 함침한 결과 약 10배 증가한 데 비해 전단 응력의 경우는 약 1.5배 증가하였다. 이를 통해 난연재의 함침으로 인해 전단강도보다 압축강도가 크게 증가한다는 것을 알 수 있었다. 전반적인 응력-변형률 선도의 개형은 두 종류의 폼 모두 크게 다르지 않았으며, 난연재를 함침시킨 결과가 폴리우레탄폼 본연의 초탄성재료의 성질에 영향을 끼치지는 않는다고 볼 수 있다.

Fig. 6

Stress-Strain Curves

2.3 재료모델 생성

서론에서 조사한 문헌들에서 연질 폴리우레탄폼의 수치해석 재료모델 생성에 대해 연구되었으며, 1축 압축 단독 보다는 1축압축시험과 단순전단시험 데이터를 가지고 재료모델을 생성하는 것이 보다 정확한 모델을 생성하는 것으로 알려졌다. 또한 대다수의 문헌에서 Ogden model를 이용하였으며, 모델 차수를 높일수록 수렴성은 좋아지지만, 계산 비용의 증가를 고려하여 2차 함수로 근사하는 것이 최선이라고 보고된 바 있다. Ju et al. (2015)은 Ogden, Mooney-Rivlin, 그리고 Neo-Hookean model 각각에 대해 비교하였으며, 폴리우레탄폼의 압축 하중 하의 기계적 거동에 대한 밀도의 영향을 잘 표현하는 것은 2차의 Ogden model이라고 보고하였다. Petre et al. (2006)은 상용화된 폼재료 12가지에 대해 시험과 해석을 수행하였는데, Ogden model의 차수를 높여 얻는 이득보다 계산 비용의 손실이 더 크다고 보았으며, 실험데이터의 경우 목표하는 기계적 거동에 따라 탄력적으로 확보해야 한다고 하였다. Dupuis and Aubry(2008)는 자동차에 적용되는 쿠션용 폴리우레탄폼에 대하여 시험을 수행하고 Neo Hookean, Yeoh, 그리고 Ogden model에 대해 해석을 수행하였으며, 2차 Ogden model을 이용한 해석결과가 시험결과와 잘 일치함을 보였다. 본 연구에서 다루는 난연 폴리우레탄폼 역시 Open Cell 연질 폴리우레탄폼의 재료 특성을 지니고 있으므로, 1축압축과 단순 전단시험 데이터를 활용한 2차의 Ogden model을 생성하여 모델링을 수행하였다. Ogden model을 이용한 재료모델 생성과정에 대해서 간략하게 요약한다(Ogden, 1972; Hill, 1979; Storakers, 1986; de Souza Neto, 2011).

압축성 탄성중합체 폼 재료(Compressible Elastomeric Foam Material)에 대한 Strain energy potential은 Ogden model에 기반하여 principal stretch λi에 대한 함수로 Eq. (1)과 같이 주어진다.

(1)U=k=1N2μkαk2[λ1αk+λ2αk+λ3αk3+f(J)]

여기서, U는 strain energy density, N은 차수, f(J)는 volumetric function으로 Eq. (2)와 같은 형태로 주어진다.

(2)f(J)=1βk(Jαkβk1)

여기서, J는 J= λ1λ2λ3를 만족하는 elastic volume이며, Eqs. (1)과 (2)에서 μk, αk, βk가 재료 상수로써 시험데이터에 대한 fitting 과정을 통해 얻어내게 된다.

1-방향에 대한 1축압축 시험을 고려하면 λ23=0으로 무시된다. 이를 Eq. (1)에 대입하여 1-방향으로의 응력은 다음 식과 같이 계산된다.

(3)T1=δUδλ1=2λ1k=1Nμkαk[λ1αkJαkβk]

상수 βk의 경우 Eq. (4)로부터 계산하게 되며, 포아송 비 vk=0으로 가정하여βk=0으로 사용하였다.

(4)βk=vk12vk

단순전단시험에 대한 전단응력은 다음과 같이 구해진다.

(5)Ts=δUδγ=j=12[2γ2(λj21)γ2k=1Nμkαk(λjαk1)]

여기서, γ는 전단변형률이고, 전단면에 대한 principal stretch λ1과 λ2와의 관계는 다음의 식으로 유도된다.

(6)λ1,2=1+γ22±γ1+γ24

본 연구에서는 1축압축시험 데이터와 단순전단시험 데이터를 이용하여 Eqs. (3)과 (5)를 동시에 고려하여 최소자승방법(Least square method)에 의해 재료상수 μkαk를 구하였다. 도출한 재료상수를 검증하기 위하여 1축압축 및 단순전단시험에 대한 유한요소해석 모델을 생성하여 시험조건과 동일하게 응력-변형률 선도를 얻었다. 유한요소해석은 상용 프로그램인 ABAQUS를 이용하였으며, 시험과 동일한 size의 시편을 기하비선형을 고려한 3차원 Solid 요소를 이용하여 모델링하였고, 하중이 작용하는 면에 강체 제약조건을 부여한 후 변위 하중을 적용하여 해석을 수행하였다(Fig. 7).

Fig. 7

FE Analysis for Verification of Model

난연 폴리우레탄폼에 대해 도출한 Ogden 2차 모델에 대해 실험데이터와 비교한 그래프는 Fig. 8과 같다. 1축압축시험 데이터만을 이용한 모델(청색 실선)의 경우 1축압축시험에 대해서는 뛰어난 일치를 보여주지만(Fig. 8(a)), 단순전단시험의 경우는 발산하는 것을 볼 수 있다(Fig. 8(b)). 반면에 1축압축 및 단순전단시험 데이터를 모두 이용하여 근사한 모델(적색 실선)의 경우 두 가지 시험에 대하여 모두 다 시험 결과와 잘 일치하는 응력-변형률 선도를 보여주어 재료모델링이 잘 수행되었음을 확인할 수 있었다.

Fig. 8

Verification of Ogden Model

3. 내장패널 강도해석

3.1 모델링

이 장에서는 도출한 난연 폴리우레탄 폼의 재료상수를 이용하여 제작 예정인 샌드위치 패널의 압축 및 4점 굽힘시험을 전산모사하였다. 판재는 유리섬유강화플라스틱(gFRP)으로 이루어져 있으며, 직교이방성 재료로 모델링하였다. 심재는 앞 절에서 시험데이터로부터 구성된 2차의 Ogden model을 이용하였으며, 비난연 폴리우레탄폼, 난연 폴리우레탄폼에 더해 상품화되어 있는 서로 다른 밀도의 비난연 연질 폴리우레탄폼 3종을 추가로 고려하였다. 이는 제조된 난연 폴리우레탄폼의 강도 및 강성을 상용화된 타 폼 재료와 비교하기 위한 것이다. 기하비선형을 고려한 3차원 Solid 요소를 이용하여 요소망을 생성하였으며, 해석에 사용된 재료 물성치는 Tables 12에 정리하였다.

Engineering Constants for a Skin Material of gFRP

Ogden Model Parameters for Core Materials

3.2 압축 및 굽힘 실험 모사

압축강도해석을 위해 ASTM C365 / C365M - 16 “Standard Test Method for Flatwise Compressive Properties of Sandwich Cores”에서 제안하는 방법을 전산모사하여 수치해석을 수행하였다. Sandwich Panel의 size는 100×100×10 mm이고, 심재와 판재의 두께는 각각 8 mm와 1 mm이다. 계산 비용의 효율을 위해 1/4 Quarter model을 생성하여 대칭 경계조건을 부여하였다. 비선형 탄성 해석을 수행하여 64% 압축되었을 때의 압축응력을 강도로 하였으며, Fig. 9에서 변형 후의 판재와 심재의 내부응력분포를 각각 살펴 볼 수 있다. 판재의 경우 최대주응력, 심재의 경우 von-Mises 응력을 Contour하여 응력분포를 살펴보았다. 모든 종류의 심재에 대해서 압축변형은 심재부위에서 지배적으로 나타났는데, 이는 판재의 강성이 심재보다 높기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 9

Results of Compression Test

최종 압축 단계(64% 압축)에서의 압축 응력은 Fig. 10과 같이 4가지 심재의 경우 모두 다르게 나타났으며, 밀도에 따라 비례하는 경향을 보임을 알 수 있다. 본 연구에서 제조한 난연 폴리우레탄폼(FR-PU Foam)의 경우 압축 변형하에서의 응력 거동은 Kayfoam과 유사한 형상을 보이다가 최종 64% 압축시의 압축응력은 밀도가 64 kg/m3인 British Vita과 40 kg/m3인 Kayfoam의 중간 정도의 압축강도를 보인다. 이를 통해 난연재 pillar 함침에 의해 밀도가 증가한 난연 폴리우레탄폼은 비슷한 밀도의 발포 폴리우레탄폼에 비해서 강도가 비슷하거나 적게 나타나는 것을 유추해 볼 수 있다.

Fig. 10

Comparison of Compressive Behaviour for Various Core Materials

ASTM C393 / C393M - 16 “Standard Test Method for Flexural Properties of Sandwich Constructions”에서 제안하는 방법을 모사하여 4점 굽힘시험에 대해 수치해석을 수행하였다. Sandwich panel 의 size는 표준에서 제시하는 바에 따라 330×40×10 mm이고, 역시 대칭성을 고려하여 1/4 Quarter model을 생성하였다. 하중을 가하는 Punch는 반지름 5 mm인 강체(Rigid body)로 모델링하였으며, 25 mm의 변위 하중을 주었을 때의 반력을 구하여 각기 다른 심재에 대하여 그 강도를 비교하였다. Fig. 11에서 변형 후의 판재와 심재의 내부응력분포를 각각 살펴 볼 수 있다. 압축시험에 비해 굽힘시험의 경우 complex loading이 작용하므로, 판재와 심재에 고르게 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며 최대응력이 발생하는 지점은 각각 다르게 나타나는 것을 알 수 있었다. 판재의 경우 하중이 직접 작용하는 펀치 하단부에서 최대주응력의 최대값이 나타나는 데 반해 심재의 경우 양 끝단에서 최대 von Mises 응력이 나타나는 것으로 확인되었고, 이러한 현상은 심재의 종류에는 무관하였다.

Fig. 11

Results of Bending Test

Fig. 12에서 각기 다른 5가지 심재의 굽힘하중에 대한 거동을 살펴볼 수 있다. 모든 경우에 대해 굽힘하중-변위의 선형적 관계를 살펴볼 수 있었으며, 밀도가 240 kg/m3인 Poron foam을 제외한 4 가지 폼 심재의 경우 그 강성이 비슷한 값을 보였다. 본 연구에서 제조한 FR-PU foam의 경우 밀도가 40 kg/m3인 Kayfoam과 흡사한 거동을 보이는 경향을 알 수 있다.

Fig. 12

Comparison of Bending Behaviour for Various Core Materials

Table 3에서 다양한 폼 심재 패널의 압축 및 굽힘강도를 비교하였다. 압축과 굽힘 모두 FR-PU Foam의 경우 Kayfoam 과 British Vita의 중간정도의 강도를 보유하고 있음을 확인하였다. FR-PU Foam을 제외한 다른 연질 발포폼의 경우 밀도에 비례하는 강도 수치를 보여주었다. Nomex® 허니콤 코어의 경우 같은 시험에 대해 압축강도 1.5 Mpa 이상, 굽힘강도 1,000 N 이상으로 나타나므로 본 연구에서의 해석 결과를 토대로 연질 난연 폴리우레탄 폼을 그대로 심재로 이용하여 철도차량용 내장패널에 적용할 경우 강도의 문제가 발생할 것이라는 것을 유추해 볼 수 있으며, 보강재 삽입 및 심재 재료의 다양화 등의 구조설계가 추가로 필요하다 볼 수 있다.

Comparison of Strength Properties with Various Foam Core Sandwich Panels

4. 결론

본 논문에서는 단열, 차음 성능이 뛰어난 연질 폴리우레탄폼을 대체 심재로 고려한 내장패널을 소개하고, 난연 폴리우레탄 폼의 철도차량용 다기능패널 적용을 위한 강도해석에 관한 연구를 수행하였다. 연질 폴리우레탄폼에 난연재를 후함침시켜 난연 폴리우레탄폼을 제조하고, 국제표준에 따른 시험을 통해 수치해석용 초탄성 재료 모델을 구축하였고, 이를 이용하여 난연 폴리우레탄폼을 심재로 고려한 내장패널의 압축 및 굽힘시험에 대한 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 이를 통해 난연 폴리우레탄폼 재료의 강성 및 강도 특성을 도출하고 상용 비난연 연질 폴라우레탄폼에 대한 추가해석을 수행하여 심재의 차이에 따른 내장 패널의 압축 및 굽힘강도를 비교분석하였다. 본 연구에서 재료시험을 통해 구축한 난연 폴리우레탄폼의 Ogden 모델은 추후 난연 폴리우레탄폼을 심재로 사용한 내장패널의 강성 및 강도를 보완하기 위한 Case Study 및 최적구조설계는 물론, 실제 철도차량에 장착된 경우를 고려한 진동피로해석에 활용이 가능할 것으로 생각된다. 또한 본 연구에서 제시하는 일련의 시편제작, 요소시험을 통한 모델구축 및 이를 활용한 시스템의 유한요소해석 과정은 비단 발포폼 뿐만 아니라 고무 등의 탄성중합체 초탄성재료가 주로 이용되는 철도차량의 시트, 완충기, 패킹 등의 연구, 개발에도 활용 가능할 것으로 기대된다.

감사의 글

본 연구는 한국철도기술연구원 주요사업의 연구비 지원에 의해 수행되었습니다.

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Fig. 1

Nomex® Honeycomb Core

Fig. 2

All-in-One Panel for Rolling Stocks

Fig. 3

Compressive S-S Curve of PU Foam

Fig. 4

Test Specimen of Foam

Fig. 5

Material Testing Set-up

Fig. 6

Stress-Strain Curves

Fig. 7

FE Analysis for Verification of Model

Fig. 8

Verification of Ogden Model

Table 1

Engineering Constants for a Skin Material of gFRP

Material Name EL ET GL GT v
gFRP (Mukhopadhyay et al., 2015) 23GPa 18GPa 9.2GPa 9GPa 0.25

Table 2

Ogden Model Parameters for Core Materials

Material name Density (kg/m3) i μi αi
PU Foam 17 1 1.465E-01 5.050E+00
2 -1.386E-01 4.856E+00
FR-PU Foam 70 1 1.260E-02 6.473E+00
2 3.452E-06 -6.102E+00
Kayfoam FS-40 (Briody et al., 2011; Briody et al., 2012) 40 1 1.274E-02 7.281E+00
2 2.746E-06 -5.731E+00
British Vita (Lyn and Mills, 2001) 64 1 1.800E-02 8.000E+00
2 1.200E-03 -2.000E+00
Poron 4708:Cushioning (Petre et al., 2006) 240 1 1.440E-01 4.013E+00

Fig. 9

Results of Compression Test

Fig. 10

Comparison of Compressive Behaviour for Various Core Materials

Fig. 11

Results of Bending Test

Fig. 12

Comparison of Bending Behaviour for Various Core Materials

Table 3

Comparison of Strength Properties with Various Foam Core Sandwich Panels

Compressive Stress (Mpa) Bending Load (N)
FR-PU Foam 0.124 24.062
PU Foam 0.005 19.076
Kayfoam FS-40 0.066 23.442
British Vita 0.166 26.967
Poron 4708:Cushioning 0.358 80.743