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불규칙 피로 하중을 받는 자전거 프레임에 대한 연구
Study on Bike Frame due to Nonuniform Fatigue Loads 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.20 no.3, 2012년, pp.133 - 140  

한문식 (계명대학교 기계자동차공학과) ,  조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, 3 kinds of models about bike frame are simulated with static structural analysis, And fatigue life, damage and durability according to fatigue load are analyzed. A bike frame model with diamond type is compared with another model on the reinforced support with its type. In case of the...

주제어

AI 본문요약
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제안 방법

  • 해석에 사용된 세 종류의 프레임 모델은 동일한 크기의 헤드튜브, 다운튜브, 싯튜브, 싯스테이튜브, 체인스테이튜브를 갖고 있다. Fig. 2와 같이 기존 다이아몬드 프레임을 모델링 한 후, Fig. 3과 같이 탑튜브를 다운튜브와 가깝게 선형으로 설치하고 보강파이프를 설치하여 모델링 했다. 모델링에 사용한 설정값은 Table 1과 같다.
  • 본 해석은 프레임의 구조에 따른 강도해석이 목적이므로, 프레임에서 파이프의 용접 등에 대한 해석은 무시했다. 각 프레임은 하나의 부품으로 단순화 한 모델로 해석을 실시했다. 해석에 사용된 세 종류의 프레임 모델은 동일한 크기의 헤드튜브, 다운튜브, 싯튜브, 싯스테이튜브, 체인스테이튜브를 갖고 있다.
  • 2) 그 외에도 특수한 목적에 맞게 설계된 프레임들도 있다. 따라서 본 연구에서는 보강대를 설치한 자전거와도 비교하여 자전거 프레임 구조3)를 두 가지로 나누어 이에 따른 구조해석4)을 하고 시뮬레이션을 통한 피로 하중에 따른 수명 및 파손 등 내구성을 해석 하였다.5-7)
  • 모델의 경계 조건은 2.2절에서와 같으며, 자전거 프레임이 받는 피로하중에 의한 피로수명과 파손에 대해서 해석하였다. Fig.
  • 모델의 형상은 실제 자전거의 모양을 참조하여 CATIA를 이용하여 모델링한 후 ANSYS를 이용하여 해석하였다. 해석 대상의 메시 모양은 Fig.
  • 보강대를 설치하지 않은 경우와 설치한 경우에 대하여 모델의 경계조건은 Fig. 6 및 Fig. 7에서와 같이 Bottom bracket과 Drop outs를 원통형 내면을 각각 고정시켰으며, Fig. 8 및 Fig. 9에서와 같이 Seat tube 윗부분에 사람의 하중에 충격 하중을 고려하여 Force를 2000N을 주어 자전거 프레임 전체에 어떤 영향을 미치는지 알아볼 수 있도록 설정하였다.
  • 본 연구 모델들에 대한 정적인 구조해석을 하였다. 모델의 경계 조건은 2.
  • 본 연구에서는 2가지 형태의 자전거 프레임 모델을 서로 비교 해석하였다. 본 해석은 프레임의 구조에 따른 강도해석이 목적이므로, 프레임에서 파이프의 용접 등에 대한 해석은 무시했다.
  • 본 연구에서는 자전거 프레임을 세 가지 구조로 나누어 시뮬레이션하고 정적인 구조해석과 피로 하중에 따른 수명 및 파손 등 내구성을 해석하였다.

대상 데이터

  • 모델의 형상은 실제 자전거의 모양을 참조하여 CATIA를 이용하여 모델링한 후 ANSYS를 이용하여 해석하였다. 해석 대상의 메시 모양은 Fig. 4 및 Fig. 5와 같으며 Fig. 2의 경우 절점수 및 요소수는 각각 4,659 및 12,640이며 보강대를 설치한 Fig. 3의 경우는 4,818 및 13,200이다. 또한 이 모델은 보편적으로 알루미늄 합금으로 이루어져 있으며 그 물성치는 Table 2에 나타나 있다.
  • 각 프레임은 하나의 부품으로 단순화 한 모델로 해석을 실시했다. 해석에 사용된 세 종류의 프레임 모델은 동일한 크기의 헤드튜브, 다운튜브, 싯튜브, 싯스테이튜브, 체인스테이튜브를 갖고 있다. Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
친환경 이동수단들에 관심이 집중되는 원인은? 현재 전 세계적으로 지구온난화가 화두로 떠오르고 있고, 국제 유가는 지속적으로 상승하는 가운데 친환경 이동수단들에 관심이 집중되고 있다. 하이브리드 자동차 등과 같이 높은 기술력을 바탕으로 하는 사업들이 속속 등장하고 있지만 그 중 친환경 이동수단으로서 가장 대표적으로 알려져 있는 자전거에 대해서는 관심이 미비하고 그에 따른 연구 자료도 많이 부족한 상황이다.
‘Sample history’의 경우가 가장 안정된 경향을 보이는 이유는? 1) 보강대를 설치한 경우가 보강대를 설치하지 않은 다이아몬드형 자전거 프레임보다 최대 등가응력은 10%정도 더 커지고 최대 전변형량은 20%이상 더 커지는 것을 알 수 있어 보강대를 설치하는 경우가 더 취약해짐을 알 수 있어서 다이아몬드형 자전거 프레임의 경우가 더 안정적임을 알 수 있다.
자전거의 경량화를 위해 사용한 방법? 하이브리드 자동차 등과 같이 높은 기술력을 바탕으로 하는 사업들이 속속 등장하고 있지만 그 중 친환경 이동수단으로서 가장 대표적으로 알려져 있는 자전거에 대해서는 관심이 미비하고 그에 따른 연구 자료도 많이 부족한 상황이다. 또한 자전거의 경량화를 위해 그 소재를 알루미늄 뿐 아니라 카본, 티타늄 등을 사용하여 더 단단하고 가볍게 만드는 연구는 많이 활성화 되었으나1) 이와 다르게 자전거의 구조는 1980년대 이후로 다이아몬드 프레임의 형태가 주를 이루고 현재까지 Fig. 1에서와 같은 형태로 많이 사용되고 있다.2) 그 외에도 특수한 목적에 맞게 설계된 프레임들도 있다.
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참고문헌 (7)

  1. W. R. Bae, D. W. Shin, B. K. Shim, B. N. Kim, S. I. Shin and Y. K. Kwon, "Development of Localization Bicycle Frame Using Al 6061," Spring Conference Proceedings, KSPE, pp.853-854, 2010. 

  2. Y. H. Lee, S. I. Kim, M. W. Suh, H. S. Son and S. H. Kim, "Linearized Dynamic Analysis of a Four-wheel Steering Vehicle," Transactions of KSAE, Vol.2, No.5, pp.101-109, 1994. 

  3. S. B. Jeong, S. J. Lee, G. B. Lee and G. J. Park, "Design Process of A Bicycle Frame Using Structural Optimization," Fall Conference Proceedings, Production and Design Engineering Division, KSME, pp.11-12, 2010. 

  4. G. B. Lee, "Stress Analysis and Technology for Vehicles by the Finite Element Method," Transactions of KSME, Vol.26, No.2, pp.91-155, 1986. 

  5. J. W. Hur, "Study on Fatigue Life Estimation for Aircraft Engine Support Structure," Journal of KSME, Vol.34, No.11, pp.1555-1784, 2010. 

  6. K. N. Cho, "A Study on the Spectral Fatigue Analysis for Offshore Structures," Transactions of KSOE, Vol.4, No.2, pp.59-72, 1990. 

  7. J. Swanson, ANSYS 12.0, ANSYS Inc, U.S.A, 2009. 

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