Dynamic Analysis of Railway Structures using Multibody Contacts

Rhee, In kyu; Roh, Young Sook

Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation 2015;15(6):293-299.
Published online December 30, 2015.

다중물체 접촉법을 이용한 철도구조물 동적해석

이인규, 노영숙

Dynamic Analysis of Railway Structures using Multibody Contacts

In kyu Rhee, Young Sook Roh

Abstract

Contact responses due to 3D wheel-rail interaction and rail deflection were investigated. The comparison of rail deflection and contact pressure were discussed regarding on contact area/shape and different loading method. Three different simulation models were examined; (1) strong format of dynamic equilibrium equations using Eulerian beam and Timoshenko beam theories, (2) moving load simulation with 3D rail-sleeper-soil model by assuming the contact area upon train axle load and similarly, and (3) moving mass simulation model by surface-to-surface contact of rigid wheel and elastic rail under angular velocity control for forward rolling. The contact geometry shaped with 20~27 mm width and 93 mm long with ellipsoidal area and its value ranged from 1,850~2,500㎟. This shows the similar behavior pattern of Song et al. (2014) and reaches maximum 490 MPa of unsymmetric contact pressure.

Key Words: Wheel-rail-soil interaction; Wheel-rail Contact; Finite element modeling

요지

본 연구에서는 3차원 차륜-레일 유한요소 모델을 이용하여, 시뮬레이션 주행에 따른 차륜-레일의 접촉면적/모양, 접촉응력, 위치에 따른 레일의 처짐 변화를 확인하고자 하였다. 이 때, 차륜의 질량에 따른 회전속도와 질량2차모멘트, 객차 질량 등을 고려하였다. 접촉시 접촉면 응력, 접촉면 모양과 면적, 궤도 처짐 등을 검토하였다. 지반부분은 감쇠가 있는 1차원 스프링 요소와 3차원 탄성 Brick요소를 각각 사용하였다. 기존의 미분방정식의 전개에 의한 해와 차륜모델과 객차모델이 없는 이동 집중하중 형식의 재하에 따른 레일의 수직변위와도 각각 비교하여, 그 차이를 비교하였다. 차륜-궤도 접촉면은 타원형 (폭 20~27 mm, 길이 93 mm)으로 계산되었으며, 접촉면적은 1,850~2,500 ㎟ 사이에 이동에 따라 변화가 있었다. 접촉응력도 종접촉모델과 송기석 외 (2014)모델과 유사하였고, 최대 490 MPa의 비대칭 응력을 나타냈다.

핵심용어: 차륜-레일-지반 상호작용; 차륜-레일 접촉; 유한요소해석