Fatigue Analysis for Levitation Rail of Urban Maglev System

도시형 자기부상열차 부상레일의 피로해석

A levitation rail is placed on the top of track structure to operate Maglev vehicles and a part of track that link up with a sleeper is applied repeated load in Maglev vehicles operation. This paper aimed to verify validity of design for levitation rail, through the fatigue analysis about load which is applied to levitation rail in Maglev vehicles operation and impact load occurring in an emergency landing. Load conditions applied design load(23kN/m) in normal operation and skid drop load(24kN/m) in vehicle drop. And boundary conditions are consider bolt fixing and welding. Through static analysis, weak point and maximum stress of levitation rail could be obtained. S-N(stress-life) method was used in oder to predict fatigue life, and Goodman relationship was applied to consider a effect of mean stress. Also damage was calculated by using Miner's. As a result of fatigue analysis, levitation rail had a fatigue life which was more than requirement ($10^6$cycle) in all analysis conditions. Assumption that $10^8{\sim}10^9$cycles is infinite life, all analysis conditions had infinite life except a case under drop load and bolt fixing($1.21{\times}10^6$).

부상레일은 자기부상열차의 운행을 위한 선로구축물의 궤도상부에 설치되어 있으며, 열차의 주행시 레일과 침목의 연결부는 반복적인 피로하중을 받게 된다. 이에 본 연구에서는 자기부상열차의 주행시 부상레일이 부담하게 되는 피로하중 및 비상착지시 발생하는 충격하중에 대한 피로해석을 통하여 부상레일의 설계 건전성을 검증하고자 하였다. 하중 및 경계조건은 정상상태의 주행을 고려하여 설계하중인 23kN/m를 적용하였으며, 차량의 낙하 및 비상주행시를 고려하여 스키드 낙하하중인 24kN/m를 적용하여 레일과 침목의 체결방식에 따라 볼트체결과 용접체결의 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 정적해석시 응력집중은 볼트체결 및 용접체결의 두 경우 모두 침목의 선단부분에서 발생하였으며, 최대응력은 231MPa로서 볼트체결방식의 경우에서 발생하였다. 피로수명은 응력-수명방법을 사용하여 예측하였으며, 평균응력의 영향을 고려하기 위하여 Goodman 관계식을 적용하고 Damage 계산에는 Miner법칙을 이용한 피로해석 결과는 주어진 해석조건에서 모두 요구하는 피로수명 이상의 피로수명을 나타내었으며, $10^8{\sim}10^9$ 싸이클을 무한수명으로 가정하면 볼트체결방식의 낙하하중상태($1.21{\times}10^6$)를 제외하고 모두 무한수명을 갖는 것을 알 수 있었다.