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[표지] 1

제출문 3

보고서 요약서 5

요약문 7

목차 11

제1장 연구개발과제의 개요 19

제1절 연구개발 배경 및 필요성 19

1. 연구개발 배경 19

2. 연구개발 필요성 21

제2절 연구개발 목표 및 내용 23

1. 연구개발의 최종목표 23

2. 연차별 연구목표 및 내용 23

제2장 국내외 기술개발 현황 27

제1절 선진국의 기술개발 동향 27

1. 미국 교통부 연방철도국 R&D 프로그램 27

2. 유럽 LNG 탱크화차 29

3. 유럽 크래쉬버퍼 31

제2절 연구개발 현황 34

1. 철도차량 충돌연구 34

제3장 연구개발 수행내용 및 결과 39

제1절 국내 위험물 운송 탱크화차 충돌안전 시뮬레이션 및 결과분석 39

1. 위험물 운송화차 표준충돌사고 시나리오 도출 39

2. 국내 탱크화차에 대한 충돌사고 시뮬레이션 모델 개발 51

3. 유럽기준 탱크화차 충돌 시뮬레이션 및 결과 분석 56

4. 국내 위험물 운송 탱크화차 충돌안전 향상 방안 도출 69

제2절 중앙연결기 타입 화차 충돌에너지 흡수 장치 설계안 도출 75

1. 화차 중앙연결기 완충장치의 완충용량 개선방안 검토 75

2. 화차용 연결기 쉬어오프 메커니즘 및 타고오름 방지장치 개념설계 80

3. 화차 중앙연결기 충돌안전장치 설계안 도출, 시제품 제작 및 단품성능시험 84

제4장 목표 달성도 및 관련분야에의 기여도 95

제5장 연구개발결과의 활용계획 101

제1절 기대효과 및 파급효과 101

1. 정량적 기대효과 101

2. 정성적 기대효과 101

제2절 성과활용 및 확산계획 102

1. 성과활용 계획 102

2. 성과확산 계획 102

참고문헌 103

판권기 105

표목차 12

표 1-1-1. 국내 탱크화차 차령별 보유 현황 21

표 3-1-1. 북미 탱크화차 설계 기준(49CFR Subpart C, D, F) 41

표 3-1-2. 화차 분류(EN 12663 –2) 42

표 3-1-3. 화차의 압축하중 분석 42

표 3-1-4. 국내 화물철도차량 사고사례 47

표 3-1-5. 해외 화물철도차량 관련 규격 47

표 3-1-6. 1차원 충돌해석 시나리오 48

표 3-1-7. 화차 편성에 대한 질량정보 48

표 3-1-8. 탱크화차 모델 상세정보 51

표 3-1-9. Buffing test 모델 상세정보 56

표 3-2-1. 완충용량 개선방안 77

표 3-2-2. 타입별 최대하중 및 충돌가속도 비교 78

그림목차 13

그림 1-1-1. 2017년 창원터널 화물차 폭발사고 19

그림 1-1-2. 2013년 캐나다 탱크화차 폭발사고 20

그림 2-1-1. 미국 교통부 연방철도국/Volpe 센터의 위험물 운송 탱크화차 연구 이력 28

그림 2-1-2. 탱크화차 측면 충돌시험 충격체 28

그림 2-1-3. 측면 충돌시험 전 탱크화차 29

그림 2-1-4. 측면 충돌시험 후 탱크화차 29

그림 2-1-5. 미래 연료로서의 LNG 장점 30

그림 2-1-6. LNG 운송 마켓 30

그림 2-1-7. 유럽 LNG 탱크화차 개발 컨소시엄 사례 31

그림 2-1-8. 유럽 LNG 운송용 초저온 탱크화차 31

그림 2-1-9. 유럽 크래쉬버퍼 제품 사례 32

그림 2-1-10. 유럽 탱크화차 연결부에 적용된 크래쉬버퍼 32

그림 2-1-11. 2009년 네덜란드 바렌드레츠 충돌사고 32

그림 2-1-12. 바렌트레츠 충돌사고 시작동한 크래쉬버퍼 33

그림 2-1-13. 2010년 폴란드 비아위스토크에서 발생한 탱크화차 충돌사고 33

그림 2-2-1. 한국철도기술연구원 철도차량 충돌시험시설(충북 영동 소재) 34

그림 2-2-2. 충돌에너지흡수장치 개발 사례 : 기관차용 타고오름 방지장치 35

그림 2-2-3. 국내 LNG 탱크컨테이너 충돌시험 사례(2012년 9월 11일 ~ 13일) 35

그림 3-1-1. 북미 및 유럽 탱크화차 관련 규격 39

그림 3-1-2. 대각방향 하중 예시 42

그림 3-1-3. 1차원 철도차량 질량 모델 45

그림 3-1-4. 철도차량 연결기 완충특성 (a) 화차용 완충기 (b) 기관차용 완충기 46

그림 3-1-5. 1차원 화차용 충돌해석 모델 46

그림 3-1-6. 차량별 최대 가속도 분석(Scenario #1) 49

그림 3-1-7. 연결기 최대하중 분석(Scenario #1) 49

그림 3-1-8. 차량별 최대평균가속도 분석(Scenario #2) 50

그림 3-1-9. 차량별 최대연결기하중 분석(Scenario #2) 50

그림 3-1-10. 차량별 최대 평균가속도 분석(Scenario #3) 50

그림 3-1-11. 탱크화차 유한요소 모델 52

그림 3-1-12. 탱크 및 상부 도면-모델 비교 52

그림 3-1-13. 탱크화차 측면 도면-모델 비교 52

그림 3-1-14. 탱크화차 전면부 도면-모델 비교 53

그림 3-1-15. 언더프레임 하부 도면-모델 비교 53

그림 3-1-16. 차체 재료별 응력-변형율 선도 53

그림 3-1-17. 차체 압축강도 정하중 해석 모델 54

그림 3-1-18. 압축하중 정하중 해석결과(측면) 54

그림 3-1-19. 압축하중 정하중 해석결과(하부) 54

그림 3-1-20. 응력집중부 해석결과 55

그림 3-1-21. EN Buffing test 개요 56

그림 3-1-22. 화차 고무완충기 특성 57

그림 3-1-23. Buffing test 해석모델 57

그림 3-1-24. 속도별 연결기 하중 및 변위 57

그림 3-1-25. 차체 측면부 Von mises stress (충돌속도 6km/h) 58

그림 3-1-26. 차체 하부의 Von Mises stress (충돌속도 6km/h) 58

그림 3-1-27. 차체 측면부 Von mises stress(충돌속도 10km/h) 58

그림 3-1-28. 차체 하부 Von mises stress(충돌속도 10km/h) 58

그림 3-1-29. 속도별 선적화물 무게중심에서의 가속도 59

그림 3-1-30. 속도별 연결기 최대하중 59

그림 3-1-31. 속도별 차체 최대 가속도 59

그림 3-1-32. 화차 고무완충기 특성 60

그림 3-1-33. 고정벽 충돌해석 모델 60

그림 3-1-34. 연결기 하중-변위 선도 61

그림 3-1-35. 10km/h 고정벽 충돌 해석결과(Von mises stress) 61

그림 3-1-36. 10km/h 고정벽 충돌 해석결과(Plastic strain) 62

그림 3-1-37. Puncture test simulation 모델 개요 63

그림 3-1-38. Tank Puncture test 해석결과(변형양상) 63

그림 3-1-39. Tank puncture test 해석결과(Von mises stress) 64

그림 3-1-40. 이중 쉘 구조 및 보강재를 이용한 운송탱크 64

그림 3-1-41. 추가 장착을 위한 탱크 보호패널(USDOT) 64

그림 3-1-42. Head shield를 장착한 DOT117 spec' tank car 65

그림 3-1-43. 건널목 충돌해석 모델 66

그림 3-1-44. 분개기 충돌해석 모델 66

그림 3-1-45. 건널목 충돌해석 결과(변형양상) 67

그림 3-1-46. 건널목 충돌해석결과(Von mises stress) 67

그림 3-1-47. 분개기 충돌해석 결과(변형양상) 68

그림 3-1-48. 분개기 충돌해석 상세 변형부 결과 68

그림 3-1-49. 분개기 충돌해석결과(Von mises stress) 68

그림 3-1-50. 화물차량 연결기 및 충돌에너지 흡수부재 하중-변위 선도 69

그림 3-1-51. 연결기 완충기 모델과 완충기+에너지흡수부재 모델의 최대 평균 가속도 비교 (Scenario #2) 70

그림 3-1-52. 연결기 완충기 모델과 완충기+에너지흡수부재 모델의 최대 연결기 하중 비교(Scenario #2) 70

그림 3-1-53. 연결기 완충기 모델과 완충기+에너지흡수부재 모델의 최대 평균 가속도 비교(Scenario #3) 70

그림 3-1-54. Deformable tube 적용시 coupler 하중 변화(6kph) 71

그림 3-1-55. Von Mises stress(6kph with deformable tube / 측면) 71

그림 3-1-56. Von Mises stress(6kph with deformable tube / 하부) 71

그림 3-1-57. Deformable tube 적용시 가속도 변화(6kph) 72

그림 3-1-58. Deformable tube 적용시 coupler 하중 변화(10kph) 72

그림 3-1-59. Von Mises stress(10kph with deformable tube / 측면) 72

그림 3-1-60. Von Mises stress(10kph with deformable tube / 하부) 72

그림 3-1-61. Deformble tube 적용시 가속도 변화(10kph) 73

그림 3-1-62. Deformable tube 적용효과(Coupler force) 73

그림 3-1-63. Deformable tube 적용효과(Coupler force) 73

그림 3-1-64. Deformable tube 적용효과(Acceleration) 73

그림 3-1-65. Deformable tube 적용효과(Acceleration) 73

그림 3-2-1. 화차용 연결기 몸체 및 완충기 형태 75

그림 3-2-2. 국내 화차용 고무완충기 사례(D사) 75

그림 3-2-3. M사 화차용 완충기 작동원리 및 특성 곡선 예시 76

그림 3-2-4. 유럽 화차 크래쉬버퍼(E사) 76

그림 3-2-5. 하중과 stroke를 고려한 완충용량 개선방안 77

그림 3-2-6. 연결기 하중-변위 선도 비교 78

그림 3-2-7. 충돌 가속도 변화 비교 78

그림 3-2-8. 시간별 고정벽 충돌해석결과(Von mises stress) 79

그림 3-2-9. 타입별 최대응력 집중부(Von mises stress) 79

그림 3-2-10. 기존 탱크화차 언더프레임 및 연결기 구조 80

그림 3-2-11. 기존 탱크화차 언더프레임 및 완충장치 분석 80

그림 3-2-12. Crash buffer를 활용한 기존화차 완충구조 개선방안 81

그림 3-2-13. Coupler head 삽입형 crash buffer 설계안 81

그림 3-2-14. 언더프레임 사이드실 구조 분석 82

그림 3-2-15. 사이드 버퍼와 모듈식 사이드버퍼 장착구조물 설계안 83

그림 3-2-16. 기존 화차 완충구조와 모듈식 사이드버퍼를 장착한 개선안 비교 83

그림 3-2-17. 국내 화차용 AAR 연결기 예시 84

그림 3-2-18. 화차용 연결기 몸체 및 완충기 형태 84

그림 3-2-19. M사 화차용 완충기 예시 84

그림 3-2-20. M사 화차용 완충기 취부 형태 84

그림 3-2-21. M사 화차용 완충기 작동원리 및 특성 곡선 예시 85

그림 3-2-22. 생크부 에너지흡수식 변경 개략도 85

그림 3-2-23. 홈형 튜브의 설계변수 영향 및 형상 예시 86

그림 3-2-24. 홈형 튜브 유한요소해석 거동 (straight) 87

그림 3-2-25. 홈형 튜브 유한요소해석 거동 (slanted) 87

그림 3-2-26. 홈형 튜브 FEA 결과(하중-변위) 88

그림 3-2-27. 홈형 튜브 FEA 결과(에너지-변위) 88

그림 3-2-28. 홈형튜브 및 지그 가공품 89

그림 3-2-29. 홈형튜브 CAD 설계안 89

그림 3-2-30. 홈형튜브 정하중 시험 셋팅 89

그림 3-2-31. 홈형튜브 정하중 시험 순차변형 형상 89

그림 3-2-32. 홈형튜브 준정적 압축시험 하중-변위 커브 90

그림 3-2-33. 시험차량 및 시험체 형상 90

그림 3-2-34. 계측장비 셋팅 전경 90

그림 3-2-35. 홈형튜브 충돌시험 셋팅 형상 91

그림 3-2-36. 홈형튜브 충돌시험 순차 변형 형상 91

그림 3-2-37. 홈형튜브 충돌시험 하중-변위 커브 92

그림 3-2-38. 홈형튜브 준정적, 충돌, FEA 결과 비교 92

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