레일내부 균열의 경사각에 따른 파괴모드 분석 (Fracture Mode Analysis according to Inclination Angle of Rail Internal Crack)

서지정보

· 발행기관 : 한국철도학회
· 수록지 정보 : 한국철도학회논문집 / 21권 / 7호 / 671 ~ 678페이지
· 저자명 : 김선석, 성덕룡, 강유송, 박용걸

초록

철도에서 열차의 주행안전성을 보장하기 위해서는 레일내부 균열에 대한 피로파단을 예측하는 것이 매우 중요하다. 레일내부 균열의 진전을 예측하기 위해서는 균열선단에서 발생하는 응력을 검토할 필요가 있고, 차륜과 레일의 접촉에 따른 레일내부 균열면의 거동에 대한 분석이 필요하다. 본 연구에서는 유한요소해석을 통해 레일두부 내 균열이 존재할 경우 차륜과 레일의 접촉하중으로 인한 균열면의 파괴모드를 분석하였다. 유한요소해석은 3차원 솔리드(solid)요소를 이용하여 차륜과 레일을 모사하였고, 레일두부 내 2mm 균열을 모사하였으며, 레일내부 균열의 경사각(0°, 45°, 90°)을 매개변수로 하였다. 해석모델은 이론식에 의한 결과와 비교하여 적절성을 확인하였다. 유한요소해석결과, 차륜과 레일의 접촉으로 인해 레일표면으로부터 약 5-7mm 깊이에서 최대응력이 발생하였으며, 레일내부에 균열이 존재할 경우 균열선단에서 최대응력이 발생한다. 또한, 레일내부 균열의 경사각에 따라 균열 상하면의 상대변위에 차이가 존재하였으며, 균열경사각이 수직에 가까울수록 균열열림(Mode I) 및 면내전단(Mode II)이 증가하고, 면외전단(Mode Ⅲ)은 감소하는 것으로 분석되었다. 최종적으로 레일두부 내 균열에 대한 진전예측을 위해서는 균열 경사각에 따라 주요 파괴모드가 상이하기 때문에 다축피로해석이 필요하다.

영어초록

To ensure the safe running of trains, it is very important to predict the fatigue failure of rail subject to internalcracks. In order to predict crack propagation inside the rail, it is necessary to investigate the stress generated at thecrack tip, and it is necessary to analyze the behavior of cracks that occur inside rails due to contact between wheel andrail. In this study, the fracture modes of subsurface cracks due to contact load between wheel and rail are analyzed usingfinite element analysis. The finite element analysis, which is used to simulate wheels and rails using 3-D solid elementsand parameterized 2 mm subsurface cracks of rails with tilt angles (0°, 45°, 90°). Results obtained using the analyticalmodel were confirmed as appropriate in comparison with results obtained by theoretical expression. As a result of thefinite element analysis, the maximum stress due to contact between wheel and rail was found to be generated at a depthof about 5-7 mm from the rail surface. When there is a crack in a rail, the maximum stress occurs at the crack tip. Asthe crack inclination approaches the vertical direction, mode I and mode II types of cracking increase, and mode IIIcracking decreases. Therefore, in order to predict the subsurface crack propagation of a rail due to different fracturemodes and depending on crack inclination angle, multi-axial fatigue analysis is required.

참고자료

· 없음