Abstract
This paper describes the study on a method for improving the structural durability of bolted joints applied to a composite bogie frame. In this study, three bolted joints with and without inserts and screw threads were selected for determining the effect of the inserts, using experiment and analysis. The structural performances of the proposed bolted joints were compared and evaluated using the test method prescribed by the ASTM D5961 standard. The results revealed that the bolted joint having an insert shape without the screw thread offered improved durability for application to a composite bogie frame. Furthermore, the structural integrity of the frame comprising the bolted joints was evaluated using finite element analysis according to the JIS E 4207 standard. The Tasi-Wu and Von-Mises failure criteria were used for determining the failure of the composite structure and bolted joints, respectively. A sub-modeling technique was introduced for investigating the performance of the bolted joints in greater detail. The analysis results demonstrated that the Tasi-Wu failure index of the composite structure near the bolted joints was reduced by approximately one-half after applying an insert without the screw thread. This implies that the structural durability of the bolted joints of a composite bogie frame could be improved by using a metal insert without the screw thread.
본 논문에서는 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성 향상 방안에 대한 연구를 다루고 있다. 이를 위해, 인서트와 나사산 유무에 따른 3가지 경우를 고려하여 볼트 체결부에 대한 시험 및 해석을 통해 인서트 형태 및 유무에 미치는 영향을 평가하였다. 제안된 볼트 체결부의 구조 성능은 ASTM D5961에 의거한 시험을 통해 비교 평가하였다. 시험결과, 나사산이 없는 인서트를 갖는 볼트 체결부가 가장 적합한 것으로 확인되었다. 또한, 볼트 체결부를 고려한 복합재 대차프레임에 대한 구조 안전성 평가를 JIS E 4207에 의거하여 유한요소해석을 통해 평가하였다. 복합재 구조물은 Tsai-Wu 파손기준식에 의해 파손평가를 적용하였고, 볼트 체결부와 같은 금속재 구조물은 Von-Mises 파손기준식에 의해 평가하였다. 이때, 볼트 체결부의 경우에는 상세한 구조해석 결과 검토를 위해 서브모델링 기법을 적용하였다. 구조해석결과, 나사산이 없는 인서트가 적용된 볼트 체결부의 경우에는 볼트 체결부 주위의 복합재 구조물에 발생하는 Tsai-Wu 파손지수가 다른 경우에 비해 약 50% 감소하는 경향을 보였는데, 이는 나사선이 없는 인서트 형상이 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.
