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가설 설정
- 2와 같고, 안장과 연결되는 윗면(면A)을 고정하고 앞바퀴와 연결되어있는 부분(면B)에 직접 하중이 가해지므로, 앞바퀴에 가해지는 사람의 무게를 하중으로 변환하면 기준무게를 80 kg 으로 했을 때, 그 40% 정도가 전달된다고 하여 30 kg으로 하였다. 따라서 약 300 N이 작용한다고 가정하였다. 이러한 조건으로 구조 해석결과 각 모델들의 전변형량과 등가 응력은 각각 Fig.
제안 방법
- Fig. 2에서의 구속조건 중 고정 조건만을 가하여 지면에서 수직으로 작용하는 Y축 방향으로의 변형량을 1～6까지의 모드로 설정하여 Modal해석인 고유 진동해석을 하였다. Fig.
- 각 모델의 경계조건은 Fig. 2와 같으며, 모델 전체 부분을 피로 하중에 의한 피로수명과 파손에 대해서 해석하였다. Fig.
- 1은 Model 1, 2 및 3에 대한 메시들을 나타낸 것이다. 또한 각 모델들의 구속조건에 대한 그림들은 Fig. 2와 같고, 안장과 연결되는 윗면(면A)을 고정하고 앞바퀴와 연결되어있는 부분(면B)에 직접 하중이 가해지므로, 앞바퀴에 가해지는 사람의 무게를 하중으로 변환하면 기준무게를 80 kg 으로 했을 때, 그 40% 정도가 전달된다고 하여 30 kg으로 하였다. 따라서 약 300 N이 작용한다고 가정하였다.
- Model 2가 가장 작은 진동수가 나타나서 Model 2가 Model 1이나 Model 3보다 진동에 대한 내구성에 약한 것을 알 수 있다. 또한 실제적으로 외부 구속상태에 따라 그 위험 진동수가 다르게 나타나는데 이러한 Fig. 2에서와 같은 구속 조건들을 가하여 Harmonic 해석을 하였다.
- 본 연구에서는 자전거 프레임의 형상과 방향에 따른 구조적 내구성 해석을 통하여 변형량과 응력, 피로 및 진동해석을 통하여 다음과 같은 연구결과를 보였다.
- 연구 모델들에 대해서는 자동차 못지않은 인기를 끌고 있는 자전거의 안전을 위해서 정확한 각도와 형상별 강도를 주어 시뮬레이션을 하였다[3,4]. 본 연구에서는 주행중인 자전거 프레임의 형상에 따라 피로 및 진동 해석[5]을 하여 모델들에 대한 내구성과 변형량을 조사하였다[6,7]. 또한 본 연구의 결과를 종합하여 자전거 프레임의 설계에 응용한다면 내구성 및 파손 방지를 검토, 예측하는데 용이할 것으로 사료된다.
- 평소에 자주 볼 수 있는 평범한 자전거가 거의 하드레일 프레임이다. 연구 모델들에 대해서는 자동차 못지않은 인기를 끌고 있는 자전거의 안전을 위해서 정확한 각도와 형상별 강도를 주어 시뮬레이션을 하였다[3,4]. 본 연구에서는 주행중인 자전거 프레임의 형상에 따라 피로 및 진동 해석[5]을 하여 모델들에 대한 내구성과 변형량을 조사하였다[6,7].
성능/효과
- 결과적으로 Model 1, 2 및 3 공히 최대의 하모닉 진동 해석을 통하여 그 위험진동수들은 20내지 30 Hz이내에서 일어남을 보이고 있다. 그리고 Model 2가 전변형량과 등가응력에 있어서 다른 모델보다 3배 이상 큰 것을 알 수 있어 진동에 대한 내구성이 가장 저하가 됨을 알 수 있었다.
- 결과적으로 Model 1, 2 및 3 공히 최대의 하모닉 진동수들은 20내지 30 Hz이내에서 일어남을 보이고 있다. 그리고 Model 2는 전변형량과 등가응력에 있어서 다른 모델보다 3배 이상 큰 것을 알 수 있어 진동에 대한 내구성이 가장 저하가 됨을 알 수 있었다.
- 구조해석 결과, 1번 모델은 7.9279 m, 2번 모델은 13.95 mm, 3번 모델은 8.0373 mm 늘어남으로써 2번 모델이 다른 모델보다 더 변형되는 것을 알 수 있다. 그리고 모델 모두 안장과 연결되는 부위에서 등가응력이 커져서 그 강도가 약해질 수 있음을 알 수 있었고, 다양한 피로 하중을 받는 경우에 Model 2의 경우는 다른 Model 1과 Model 3와 달리 아래 부분까지도 수명이 더 짧아져 Model 2가 가장 불안정함을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 결과적으로 Model 1, 2 및 3 공히 최대의 하모닉 진동 해석을 통하여 그 위험진동수들은 20내지 30 Hz이내에서 일어남을 보이고 있다. 그리고 Model 2가 전변형량과 등가응력에 있어서 다른 모델보다 3배 이상 큰 것을 알 수 있어 진동에 대한 내구성이 가장 저하가 됨을 알 수 있었다.
- 결과적으로 Model 1, 2 및 3 공히 최대의 하모닉 진동수들은 20내지 30 Hz이내에서 일어남을 보이고 있다. 그리고 Model 2는 전변형량과 등가응력에 있어서 다른 모델보다 3배 이상 큰 것을 알 수 있어 진동에 대한 내구성이 가장 저하가 됨을 알 수 있었다. 따라서 본 연구의 결과를 종합하여 자전거 프레임의 설계에 응용한다면 내구성 및 파손 방지를 검토, 예측하는데 용이할 것으로 사료된다.
- 0373 mm 늘어남으로써 2번 모델이 다른 모델보다 더 변형되는 것을 알 수 있다. 그리고 모델 모두 안장과 연결되는 부위에서 등가응력이 커져서 그 강도가 약해질 수 있음을 알 수 있었고, 다양한 피로 하중을 받는 경우에 Model 2의 경우는 다른 Model 1과 Model 3와 달리 아래 부분까지도 수명이 더 짧아져 Model 2가 가장 불안정함을 보이고 있음을 알 수 있다.
- 구조해석 결과, Model 2가 다른 모델보다 더 변형되는 것을 알 수 있다. 그리고 모델 모두, 안장과 연결되는 부위에서 등가응력이 커져서 그 강도가 약해질 수 있음을 알 수 있었다.
- 두 모델 공히, ‘Sample history’의 경우는 피로 수명은 ‘SAE bracket history’의 경우보다 약 60배 정도 수명이 길고 ‘SAE transmission’의 경우는 ‘SAE bracket history’의 경우보다 3.5배 정도 수명이 길어짐을 알 수 있었다.
- 모드 1부터 6까지의 Modal 해석 결과, 최대의 고유 진동수를 나타내는 6차 모드에 대한 변형량들은 Model 1에서는 246.06 Hz 진동수에서 최대 39.147 mm로 가장 큰 변형이 일어났다. 그리고 Model 2에서는 135.
- 11에서와 같이 나타났다. 헤드튜브부근에서 최대의 변형이 나타나고 안장 조립부근에서 최대의 응력이 됨을 알 수 있었다.
후속연구
- 그리고 Model 2는 전변형량과 등가응력에 있어서 다른 모델보다 3배 이상 큰 것을 알 수 있어 진동에 대한 내구성이 가장 저하가 됨을 알 수 있었다. 따라서 본 연구의 결과를 종합하여 자전거 프레임의 설계에 응용한다면 내구성 및 파손 방지를 검토, 예측하는데 용이할 것으로 사료된다.
- 본 연구에서는 주행중인 자전거 프레임의 형상에 따라 피로 및 진동 해석[5]을 하여 모델들에 대한 내구성과 변형량을 조사하였다[6,7]. 또한 본 연구의 결과를 종합하여 자전거 프레임의 설계에 응용한다면 내구성 및 파손 방지를 검토, 예측하는데 용이할 것으로 사료된다.
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