본 논문에서는 전동차의 에너지 효율을 증가시키기 위하여 기존의 금속재 차체를 탄소섬유 적층 복합재와 샌드위치 복합재로 대체하는 경량 구조설계 기술에 대해 연구를 수행하였다. 탄소섬유 적층 복합재는 기존의 금속재 차체 대비 굽힘과 비틀림 강성 및 강도를 동등 수준 이상으로 유지해야 하므로 다양한 적층 패턴을 고려하여 설계를 수행하 였다. 적층 패턴에 따른 물성 예측과 구조해석을 통해 [0°/45°/90°/-45°] 2s 의 적층패턴을 선정하였다. 선정된 복합재 적층 패턴은 기존의 금속재 차체 구조물 중에서 제작 공정이 단순하고 모듈화 설계가 가능한 지를 고려하여 루프, 켄트레일및 캡 모듈에 적용되었다. 탄소섬유 적층 복합재와 샌드위치 복합재로 소재 대체가 이루어진 전동차 차체는 EN12663-1 규정에 의거하여 구조안전성 평가를 수행하여 기존의 금속재 차체 대비 동등 이상의 구조안전성을 확인하였다. 또한,소재 대체에 의한 차체 경량화 설계에서는 루프와 켄트레일 구조물은 약 40.34% 그리고 캡 모듈 구조물은 약 64%의무게 절감 효과를 얻을 수 있음을 확인하였다.
This paper presents a study of a lightweight structural design technology that replaces the existing metal carbody with carbon/epoxy laminate composites and sandwich composites to increase the energy efficiency of the EMU(Electric Multiple Unit) carbody. Carbon/epoxy laminate composites were designed in consideration of various stacking sequences because it is necessary to keep the bending and twisting rigidity and strength levels the same or higher compared to the existing metal carbody. A stacking sequence of [0°/45°/90°/-45°] 2s was finally selected through a prediction of the material properties and a structural analysis according to the stacking sequences. The selected composite stacking sequence was applied to the roof, cantrail, and cap module in consideration of simplification of the manufacturing process and flexibility of the modular design. The EMU carbody, which was replaced with carbon/epoxy laminate composites and sandwich composites, was evaluated in terms of structural integrity in accordance with the EN12663-1 specification. The structural integrity was confirmed to be equal to or higher than that of the existing metal carbody. In addition, it was found that a weight reduction effect of approximately 40.34% for the roof and cantrail structures and approximately 64% for the cap module structure could be obtained by a lightweight structural design through material substitution.