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문제 정의
- 따라서 고속을 견뎌야 하며 외부의 충격 또한 잘 견디도록 만들어져야한다. 따라서 본 연구는 자동차 못지않은 인기를 끌고 있는 오토바이의 안전을 위해서 정확한 각도와 형상별 강도를 주어 시뮬레이션6-8)을 하여 주행중인 오토바이의 프레임에 대한 진동9)에 따른 내구성과 변형량을 해석하였다. 또한 본 연구의 결과를 종합하여 오토바이 프레임의 설계에 응용한다면 내구성 및 파손 방지를 검토, 예측하는데 용이할 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 주행 중인 오토바이의 프레임에 대한 진동에 따른 내구성과 변형량을 해석하였다. 이에 대한 연구결과는 다음과 같다.
제안 방법
- Model 1, 2, 3, 4의 경계조건은 Fig. 2와 같으며 뒷바퀴가 조립되는 부분은 움직일 수 없음을 고려하여 완전히 고정을 시켰으며 안장과 엔진이 장착될 지점에 힘을 가하였다. Fig.
- Model 1의 경계조건은 Fig. 2와 같이 연결부의 뒷면에 완전히 고정을 시켜서 각 프레임에 대하여 6차까지의 고유진동수 해석을 하였다.
- Model 2의 경계조건은 Fig. 9와 같이 연결부의 뒷면에 완전히 고정을 시켜서 각 프레임에 대하여 6차까지의 고유진동수 해석을 하였다.
- Model 3의 경계조건은 Fig. 2와 같이 연결부의 뒷면에 완전히 고정을 시켜서 각 프레임에 대하여 6차까지의 고유진동수 해석을 하였다.
- Model 4의 경계조건은 Fig. 2와 같이 연결부의 뒷면에 완전히 고정을 시켜서 각 프레임에 대하여 6차까지의 고유진동수 해석을 하였다.
- 그리고 실제적으로 Fig. 2에서와 똑같이 안장과 엔진 장착부분의 프레임에 Force를 각 600N과 200N의 구속을 주어, 프레임에 생기는 하모닉 진동에 대하여 해석해 보았다. 진동수의 범위는 110Hz까지로 설정하였다.
- 본 연구에서는 오토바이의 각종 부품들과 연결되는 프레임을 모델로 삼고 프레임에 힘을 주었을 때 나타나는 변형량과 응력을 구한다. 모델의 형상은 가로 세로 및 높이가 100, 862, 402.5 mm인 실제 오토바이 프레임의 모양을 참조하여 CATIA를 이용하여 모델링 한 후 ANSYS를 이용하여 해석하였다.10) 각 모델에 대한 메시 모양은 Fig.
- 1이다. 모델의 형상을 자동으로 인식하여 최적화된 Mesh를 구성해 주도록 4면체 요소로 생성하였다. 절점 수 및 요소 수는 Model 1이 20375, 9291 Model 2가 23082, 10658 Model 3가 11820, 5466 Model 4가 7014, 3268 이다.
- 본 연구 모델에 대한 정적인 구조해석을 하였다. 등가응력과 최대 변형량을 나타낸 그림이다.
- 본 연구에서는 오토바이의 각종 부품들과 연결되는 프레임을 모델로 삼고 프레임에 힘을 주었을 때 나타나는 변형량과 응력을 구한다. 모델의 형상은 가로 세로 및 높이가 100, 862, 402.
- 진동수의 범위는 1000Hz까지로 설정하였다. 앞에 Modal 해석의 결과를 보게 되면 6차 모드의 고유진동수가 1000Hz범위 내에 있기 때문에 가진 주파수 영역을 맞춰 공진 주파수를 확인하였다. 진동수 응답을 본 Fig.
- 진동수의 범위는 110Hz까지로 설정하였다. 앞에 Modal 해석의 결과를 보게 되면 6차 모드의 고유진동수가 110Hz범위 내에 있기 때문에 가진 주파수 영역을 맞춰 공진 주파수를 확인하였다. 진동수 응답을 본 Fig.
- 진동수의 범위는 280Hz까지로 설정하였다. 앞에 Modal 해석의 결과를 보게 되면 6차 모드의 고유진동수가 280Hz범위 내에 있기 때문에 가진 주파수 영역을 맞춰 공진 주파수를 확인하였다. 진동수 응답을 본 Fig.
- 진동수의 범위는 370Hz까지로 설정하였다. 앞에 Modal 해석의 결과를 보게 되면 6차 모드의 고유진동수가 370Hz범위 내에 있기 때문에 가진 주파수 영역을 맞춰 공진 주파수를 확인하였다. 진동수 응답을 본 Fig.
성능/효과
- 1) 각 모델의 최대 등가응력은 모델 1이 410.39MPa 로 가장 높았으며, 가장 작은 값으로서의 13.467MPa의 모델 4보다 30배의 파손가능성이 있다고 예측 할 수 있다.
- 2) 고유진동해석을 통하여 Model 1, 2, 3 및 4가 각각 26.867, 201.45, 276.58 및 964.27Hz에서 변형량이 Model 1 및 2는 4차에서 Model 3 및 4는 6차에서 가장 높게 나타남을 알 수 있었다.
- 3) 실제 하중 조건에서의 Model 1, 2, 3 및 4가 각각 4, 38, 48 및 237Hz의 하모닉 진동수에서 최대 변형들을 일으킴을 보이고 있다. Model 1이 가장 진동의 영향을 많이 받음을 알 수 있다.
- 4) 실제 하중 조건에서의 하모닉 진동수에서는 Model 1, 2, 3 및 4가 공히 뒷바퀴 조립부근에서 최대의 응력이 걸리고 안장 조립부근에서 최대의 변형이 됨을 알 수 있었다.
- 02183mm가 변형된 것을 알 수가 있다. 각 모델의 최대 등가응력은 모델 1이 410.39MPa로 가장 높았으며, 가장 작은 13.467MPa의 모델 4보다 30배의 크기에 달하는 응력이 되어 그 파손가능성이 30배 커질 수 있다고 사료된다.
- 598mm가 변형된 것을 알 수가 있다. 그리고 고유진동해석을 통하여 Model 1, 2, 3 및 4가 각각 26.867, 201.45, 276.58 및 964.27Hz에서 변형량이 Model 1 및 2는 4차에서 Model 3 및 4는 6차에서 가장 높게 나타남을 알 수 있었다.
- Model 1이 가장 진동의 영향을 많이 받음을 알 수 있다. 그리고 이러한 최대의 변형의 진폭들은 Model 1, 2, 3 및 4가 공히 뒷바퀴 조립부근에서 최대의 응력이 걸리고 안장 조립부근에서 최대의 변형이 됨을 알 수 있었다. 하모닉 진동에서 최대의 변형이 생기는 진동수를 구한 것은 그 진동수가 위험 진동수를 보이고 이러한 진동수에서 그 최대의 변형의 진폭을 봄으로서 상대적인 위험 정도를 볼 수 있다고 사료된다.
후속연구
- 5) 본 연구의 결과를 종합하여 오토바이 프레임의 설계에 응용한다면 내구성 및 파손 방지를 검토, 예측하는데 용이할 것으로 생각된다.
- 따라서 본 연구는 자동차 못지않은 인기를 끌고 있는 오토바이의 안전을 위해서 정확한 각도와 형상별 강도를 주어 시뮬레이션6-8)을 하여 주행중인 오토바이의 프레임에 대한 진동9)에 따른 내구성과 변형량을 해석하였다. 또한 본 연구의 결과를 종합하여 오토바이 프레임의 설계에 응용한다면 내구성 및 파손 방지를 검토, 예측하는데 용이할 것으로 사료된다.
- 초창기 증기로 움직이던 시절부터 발전을 위한 여러 가지 노력 끝에 지금의 오토바이가 탄생할 수 있었다. 잦은 사고 등으로 많은 사람들이 기피하고 있으나 앞으로도 계속하여 매니아 및 여러 분야의 사람들에게 기본적인 이동수단 및 운송수단으로 활용도가 지속될 것이다. 오토바이의 안전한 이용을 증가시키려면 가장 기초가 될 수 있는 프레임의 종류와 강도 및 구조가 중요하다.
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