본 논문에서는 Tsai-Wu 파손이론을 적용하여 Carbon/Epoxy 복합재 적층판으로 이루어진 자전거 휠의 경량화를 위한 적층수와 적층각에 대한 강도설계에 대하여 연구하였다. 복합재료는 적층수와 적층각에 따라 강도와 강성이 변하기 때문에 적용되는 설계 하중 조건에 따른 구조물의 최취약부에서 파손이 일어나지 않도록 최적의 적층각과 최소의 적층수를 찾아야한다. 따라서 유한요소해석을 이용하여 복합재 자전거 휠에 부가되는 수직, 복합하중조건에 대하여 가장 안정적인 적층수 및 적층각을 구하였다. 휠에 적용되는 적층각은 $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$으로 적층수를 변화시켜가며 유한요소해석을 수행하였다. 해석 결과로부터 $[0/{\pm}45/90]_{3s}$의 적층각이 파손에 안정적인 적층각 임을 제안하였다. 또한 이를 통하여 휠의 최취약부를 알 수 있었다.
본 논문에서는 Tsai-Wu 파손이론을 적용하여 Carbon/Epoxy 복합재 적층판으로 이루어진 자전거 휠의 경량화를 위한 적층수와 적층각에 대한 강도설계에 대하여 연구하였다. 복합재료는 적층수와 적층각에 따라 강도와 강성이 변하기 때문에 적용되는 설계 하중 조건에 따른 구조물의 최취약부에서 파손이 일어나지 않도록 최적의 적층각과 최소의 적층수를 찾아야한다. 따라서 유한요소해석을 이용하여 복합재 자전거 휠에 부가되는 수직, 복합하중조건에 대하여 가장 안정적인 적층수 및 적층각을 구하였다. 휠에 적용되는 적층각은 $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$으로 적층수를 변화시켜가며 유한요소해석을 수행하였다. 해석 결과로부터 $[0/{\pm}45/90]_{3s}$의 적층각이 파손에 안정적인 적층각 임을 제안하였다. 또한 이를 통하여 휠의 최취약부를 알 수 있었다.
The strength design for the lightweight bicycle wheel made of the Carbon/Epoxy composite laminates has been discussed in this paper. For bicycle wheel design, lightness of the wheel is important. Also, it has to satisfy the required strength under specific loading cases. Two testing methods for the ...
The strength design for the lightweight bicycle wheel made of the Carbon/Epoxy composite laminates has been discussed in this paper. For bicycle wheel design, lightness of the wheel is important. Also, it has to satisfy the required strength under specific loading cases. Two testing methods for the bicycle wheel, i.e. vertical and complex loadings, are adopted in this study. Because the strengths of composite wheel is different in relation to the stacking sequence and the number of plies, it is important to decide an appropriate stacking sequence and number of layers for the composite wheel. From the finite element analysis results, the most stable sequence orientation and number of layers are determined. The stacking sequence $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ (n=1,2,3,4)are performed for finite element analysis. From results, $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ lay-up is a good selection for the composite bicycle wheel. Also, the weakest point and layer are found in this study.
The strength design for the lightweight bicycle wheel made of the Carbon/Epoxy composite laminates has been discussed in this paper. For bicycle wheel design, lightness of the wheel is important. Also, it has to satisfy the required strength under specific loading cases. Two testing methods for the bicycle wheel, i.e. vertical and complex loadings, are adopted in this study. Because the strengths of composite wheel is different in relation to the stacking sequence and the number of plies, it is important to decide an appropriate stacking sequence and number of layers for the composite wheel. From the finite element analysis results, the most stable sequence orientation and number of layers are determined. The stacking sequence $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ (n=1,2,3,4)are performed for finite element analysis. From results, $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ lay-up is a good selection for the composite bicycle wheel. Also, the weakest point and layer are found in this study.
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문제 정의
[6] 하지만 기존 연구는 휠의 형상 디자인에 한정되어 있으며, 복합재 휠의 적층각 배열에 대한 연구는 발표된 바가 없다. 따라서 본 논문에서는 경기용 자전거 휠에 하중을 고려한 유한요소해석을 이용하여 적절한 적층각을 도출하였고 이를 통하여 복합재 자전거 휠의 초경량, 고강도의 적층각 디자인을 제안하였다.
[0]24, [90]24, [0/90]6s, [±45]6s, [0/±45/90]3s의 5가지 적층 배열로 수직하중조건과 복합하중조건에 대해 각각 해석을 수행하여 최대 F.I. 를 비교하였다.
[0]8n, [0/90]2ns, [±45]2ns, [0/±45/90]ns을 기준으로 F.I.가 8층, 16층에서는 2 이상으로 상대적으로 높고 32층에서는 1미만으로 적층각 변수에 관계없이 안정성을 나타내므로, 추가적인 복합하중조건 하의 비교 해석을 위해 수직하중 조건하에서 F.I.가 1에 가장 근접한 24층을 적층수로 적용하여 해석을 하였다.
연구에 사용된 하중조건 및 경계조건은 ASTM F2680 규격에 의거하여 Primary retention test와 Secondary retention test를 반영한 수직하중조건과 복합하중조건을 독립적으로 적용하였다.[7] 수직하중조건은 사람의 체중과 자전거 주행 시 발생되는 하중을 고려하여 지면과 자전거 휠의 접합부에 2300N을 부가하였으며, 복합하중조건은 주행 시 수직 및 측면에서 발생되는 하중으로 지면에 자전거 휠이 맞닿는 위치에 각 100N, 200N으로 부가하여 해석을 진행하였다. 경계조건은 두 하중 조건 모두 그림과 같이 휠의 중심에 x축 변위, y축 변위, z축 변위, x축 회전, y축 회전, z축 회전을 구속하였고,림 안의 스포크는 ABAQUS 6.
[7] 수직하중조건은 사람의 체중과 자전거 주행 시 발생되는 하중을 고려하여 지면과 자전거 휠의 접합부에 2300N을 부가하였으며, 복합하중조건은 주행 시 수직 및 측면에서 발생되는 하중으로 지면에 자전거 휠이 맞닿는 위치에 각 100N, 200N으로 부가하여 해석을 진행하였다. 경계조건은 두 하중 조건 모두 그림과 같이 휠의 중심에 x축 변위, y축 변위, z축 변위, x축 회전, y축 회전, z축 회전을 구속하였고,림 안의 스포크는 ABAQUS 6.10의 MPC (Multi Point Constraint) beam으로 구현하였다.
또한 휠의 적층각 배열은 제작생산성을 고려하여 0º, ±45º와 90º로 제한하였고, [0]8n, [90]8n, [0/90]2ns, [±45]2ns, [0/±45/90]ns의 적층각에 대하여 적층수를 변화해가며 해석을 수행하였다.
복합하중조건은 수직하중조건에 비하여 낮은 하중부하가 발생하기 때문에 최대 F.I.가 수직하중에 비하여 상대적으로 낮으므로 수직하중조건을 기준으로 적층수를 결정하였으며, 결정된 적층 수에서 복합하중조건 하에서 [0]8n, [90]8n, [0/90]2ns, [±45]2ns, [0/±45/90]ns 적층각에 대한 해석을 통해 최대 F.I.를 비교하였다.
복합재료는 이방성 재질로써 해석 시 각 요소에 대하여 섬유 방향의 기준을 위한 국부좌표계를 설정해야한다. 본 논문에서 휠에 적용된 Carbon/Epoxy 일방향 프리프레그의 섬유방향은 원기둥 좌표계를 이용하여 Fig. 3과 같이 휠의 반지름방향을 0도 방향, 휠의 둘레 방향을 90도 방향으로 정하였으며 휠의 바깥쪽 표면을 첫 번째 층으로, 휠의 내부 표면을 마지막 층으로 설정하였으며, 적용된 복합재 층의 두께는 0.125mm이다. 또한 휠의 적층각 배열은 제작생산성을 고려하여 0º, ±45º와 90º로 제한하였고, [0]8n, [90]8n, [0/90]2ns, [±45]2ns, [0/±45/90]ns의 적층각에 대하여 적층수를 변화해가며 해석을 수행하였다.
본 연구에서 Carbon/Epoxy 일방향 프리프레그 물성 값을 적용하여 자전거 휠의 유한요소해석을 통해 연구를 수행하였다. 이를 통하여 경량화와 요구되는 강도를 모두 만족하는 가장 적절한 자전거 휠의 적층각이 [0/±45/90]3s임을 제안하였고, 복합재 휠의 적층각 변수에 따른 F.
본 연구에서는 CATIA (Dassult Systems SIMULIA, Inc.)를 이용하여 3D모델링을 하였고. ABAQUS 6.
본 연구에서는 휠의 적층수를 결정하기 위하여 0도, ±45도, 90도의 기본적층을 사용하여 [0]8n, [90]8n, [0/90]2ns, [±45]2ns, [0/±45/90]ns 적층각을 8층, 16층, 24층 32층(n=1, 2, 3, 4)에서 적층 수에 따른 유한요소해석을 수행하였다.
이를 통하여 경량화와 요구되는 강도를 모두 만족하는 가장 적절한 자전거 휠의 적층각이 [0/±45/90]3s임을 제안하였고, 복합재 휠의 적층각 변수에 따른 F.I.분포를 비교하여 다양한 하중 조건 하에서의 파손 부위를 예측하였다.
자전거 휠에서, 비복합재료로 구성된 스포크(Spoke)와 허브(Hub)에 대한 해석은 수행하지 않고, 복합재료로 구성되고 자전거 주행 시 하중부하가 가장 높은 림(Rim)만을 고려하여 모델링하여 유한요소해석을 수행하였다. 경기용 자전거 휠은 지름 633mm로 모델링 하였으며, 휠의 형상은 Fig.
적층각을 8층, 16층, 24층 32층(n=1, 2, 3, 4)에서 적층 수에 따른 유한요소해석을 수행하였다. 최취약층의 F.I. 의 비교를 통하여 복합재 휠의 적층 수 및 적층각을 결정하였다. 복합하중조건은 수직하중조건에 비하여 낮은 하중부하가 발생하기 때문에 최대 F.
대상 데이터
자전거 휠에서, 비복합재료로 구성된 스포크(Spoke)와 허브(Hub)에 대한 해석은 수행하지 않고, 복합재료로 구성되고 자전거 주행 시 하중부하가 가장 높은 림(Rim)만을 고려하여 모델링하여 유한요소해석을 수행하였다. 경기용 자전거 휠은 지름 633mm로 모델링 하였으며, 휠의 형상은 Fig. 2에 보인 바와 같다.
이론/모형
)를 이용하여 3D모델링을 하였고. ABAQUS 6.10 (Dassult Systems SIMULIA, Inc.)를 이용하여 유한요소모델을 생성하였다.
본 연구에 적용된 복합재료의 물성시험은 ASTM D 3039, ASTM 3210 및 ASTM D 3518 시험 규격에 의거하여 재료 시험기(MTS 810)를 이용하여 수행하였으며, SK사의 USN 125 Carbon/Epoxy 일방향 프리프레그를 이용하였다. 재료의 물성 값은 Table 1과 같다.
본 연구에서는 이방성 재료의 일반적인 파손이론중의 하나인 Tsai-Wu Failure Index(F.I.)을 적용하였다. Tsai-Wu 파손이론은 응력장(Stress Space)내에서 파손면(Failure surface)이 식 (1)과 같이 존재한다고 가정한다.
연구에 사용된 하중조건 및 경계조건은 ASTM F2680 규격에 의거하여 Primary retention test와 Secondary retention test를 반영한 수직하중조건과 복합하중조건을 독립적으로 적용하였다.[7] 수직하중조건은 사람의 체중과 자전거 주행 시 발생되는 하중을 고려하여 지면과 자전거 휠의 접합부에 2300N을 부가하였으며, 복합하중조건은 주행 시 수직 및 측면에서 발생되는 하중으로 지면에 자전거 휠이 맞닿는 위치에 각 100N, 200N으로 부가하여 해석을 진행하였다.
성능/효과
따라서 Fig. 7와 Table 4의 결과로부터 [0/±45/90]3s의 적층 배열이 복합재 휠의 설계에 있어 필요 설계조건을 충족시키며 휠의 경량화를 최대화하는 가장 적합한 적층임을 보여준다.
분포를 비교하여 다양한 하중 조건 하에서의 파손 부위를 예측하였다. 또한 연구에서 제안된 적층의 복합재 휠의 경우, 기존 알루미늄휠 대비 약 19%의 경량화가 가능함을 밝혔다.
수직하중조건에서 직접 하중을 받는 윗부분에서 최대 F.I.가 발생하였으며 5 가지 적층 순서 모두 첫 번째 층에서 가장 높은 F.I.를 보여 최취약층이 첫번째 층으로 나타났으며, [0/±45/90]3s 을 제외한 나머지 적층 배열의 경우 최대 F.I.가 1이상으로 파손이 발생하였고, [0/±45/90]3s 배열의 경우 최대 F.I.가 0.84로 나타나 안정성을 보인다.
수직하중조건의 경우와 유사하게 복합하중조건 하에도 직접 하중을 받는 부분에서 F.I. 집중이 발생하였으며, [0]24,[90]24 [0/90]6s와 [±45]6s 적층배열은 24층에서, [0/±45/90]3s 적층배열은 23층에서 가장 높은 F.I. 를 가지는 최취약층이 존재함을 확인할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자전거 휠은 어떻게 구성되는가?
[3] 복합재료는 경량성과 우수한 기계적 물성에 더불어 요구조건에 만족하는 강성 및 강도의 재료를 만들 수 있는 설계 유연성을 지녀, 자전거 구조물의 재료에 적합한 조건을 가지고 있다. 자전거 휠은 림(Rim), 스포크(Spoke), 허브(Hub)로 구성된다. 그 중 림(Rim)부분은 중량이 크고, 공기 저항에 민감하며, 자전거의 속도에 큰 영향을 미친다.
자전거 림의 구조물이 하는 역할은?
그 중 림(Rim)부분은 중량이 크고, 공기 저항에 민감하며, 자전거의 속도에 큰 영향을 미친다. 자전거 림(Rim)의 구조물은 타이어를 지지하고 브레이크의 지지대 역할을 하며, 스포크와 휠의 하중 조합을 지지하는 중요한 구조적 역할을 한다. 또한 출발 시와 급격한 코너를 주행할 시에 미세변형이 발생하고 직접하중을 가장 많이 받는 부분으로서, 충격을 흡수할 만큼 탄성력을 지녀야 하고 하중을 여러 스포크(Spoke)로 분산 가능해야하며 수직하중 및 측면하중을 만족하는 강도를 가져야한다.
섬유강화 복합재료가 갖는 섬유 종 방향의 기계적 물성이 섬유 횡 방향의 기계적 물성보다 매우 높은 이방성으로 인한 장점은?
섬유강화 복합재료는 섬유 종 방향의 기계적 물성이 섬유횡 방향의 기계적 물성보다 매우 높은 이방성을 보인다. 이러한 특성은 복합재료가 제품 설계 시 요구되는 강도와 강성에 맞게 설계가 가능한 설계유연성을 갖게 한다. 또한 비강도 및 비강성이 기존에 많이 이용되는 철이나 알루미늄 등의 단일 재료에 비해 크게 높고 우수한 피로특성 및 치수안정성 등의 재료 특성을 지녀, 고성능을 요구하는 우주항공, 자동차 등의 산업에서 널리 사용되고 있다.
참고문헌 (7)
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