최근 경량 자전거에 대한 요구가 지속적으로 증가함에 따라 탄소섬유 복합재료가 자전거 프레임 및 부품 제작에 널리 활용되고 있다. 복합재료는 일반적인 등방성 재료와는 달리 적층판의 방향과 순서에 따라 그 구조적인 특성이 변화하기 때문에 복합재료 자전거의 디자인을 검증하기 위해서는 구조 해석을 수행하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 CFRP 소재를 적용하여 자전거 프레임을 설계하였고, 유한요소해석을 통하여 그 구조적 성능을 분석하였다. 다양한 적층 순서와 하중조건 하에서 섬유와 매트릭스의 파손지수를 측정함으로써 복합재의 적층 조건이 자전거의 구조 강도에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 취약 부분은 추가적인 복합재 적층판을 이용하여 보강함으로써 자전거 프레임의 구조적 안전성을 확보할 수 있었다.
최근 경량 자전거에 대한 요구가 지속적으로 증가함에 따라 탄소섬유 복합재료가 자전거 프레임 및 부품 제작에 널리 활용되고 있다. 복합재료는 일반적인 등방성 재료와는 달리 적층판의 방향과 순서에 따라 그 구조적인 특성이 변화하기 때문에 복합재료 자전거의 디자인을 검증하기 위해서는 구조 해석을 수행하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 CFRP 소재를 적용하여 자전거 프레임을 설계하였고, 유한요소해석을 통하여 그 구조적 성능을 분석하였다. 다양한 적층 순서와 하중조건 하에서 섬유와 매트릭스의 파손지수를 측정함으로써 복합재의 적층 조건이 자전거의 구조 강도에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 취약 부분은 추가적인 복합재 적층판을 이용하여 보강함으로써 자전거 프레임의 구조적 안전성을 확보할 수 있었다.
With the continuing demand for lightweight bicycles, carbon fiber composite materials have been widely used in manufacturing bicycle frames and components. Unlike general isotropic materials, the structural characteristics of composite materials are strongly influenced by the staking directions and ...
With the continuing demand for lightweight bicycles, carbon fiber composite materials have been widely used in manufacturing bicycle frames and components. Unlike general isotropic materials, the structural characteristics of composite materials are strongly influenced by the staking directions and sequences of composite laminates. Thus, to verify the design process of bicycles manufactured using composites, structural analysis is considered essential. In this study, a carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) bicycle frame was designed and its structural behavior was investigated using finite element analysis (FEA). By measuring the failure indices of the fiber and matrix under various stacking sequences and loading conditions, the effect of the stacking condition of composite laminates on the strength of the bicycle structure was examined. In addition, the structural safety of the bicycle frame can be enhanced by reinforcing weak regions prone to failure using additional composite laminates.
With the continuing demand for lightweight bicycles, carbon fiber composite materials have been widely used in manufacturing bicycle frames and components. Unlike general isotropic materials, the structural characteristics of composite materials are strongly influenced by the staking directions and sequences of composite laminates. Thus, to verify the design process of bicycles manufactured using composites, structural analysis is considered essential. In this study, a carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) bicycle frame was designed and its structural behavior was investigated using finite element analysis (FEA). By measuring the failure indices of the fiber and matrix under various stacking sequences and loading conditions, the effect of the stacking condition of composite laminates on the strength of the bicycle structure was examined. In addition, the structural safety of the bicycle frame can be enhanced by reinforcing weak regions prone to failure using additional composite laminates.
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문제 정의
적층 방향과 순서에 따라 강도와 강성이 달라지는 복합재료의 특성상 다양한 하중에 대한 최적의 적층 조건를 찾는 것이 중요하다. 본 연구에서는 0, -45, 45, 90 도의 4 가지 설계 변수를 8 개의 층에 적용하여 적절한 적층 방법을 찾고자 하였다. 모든 경우의 수를 고려할 경우에는 시뮬레이션 횟수가 48 개로 너무 많기 때문에 다구찌 실험계획법의 직교행렬(orthogonal array)를 활용하여 Table 3 과 같이 균형적인 해석조건을 결정하였다.
본 연구에서는 경량 자전거의 필요성에 따라 CFRP 소재를 적용한 자전거 프레임을 설계하였고, 유한요소해석을 이용하여 그 구조적 안정성을 검증하였다.
가설 설정
5 도 기울기의 하중 1100N 이 브라켓 끝부분에 부가된다. 리어 엔드와 가상의 프론트 엔드는 고정된다.
제안 방법
(1) 체인 스테이를 고탄성 복합재 적층판으로 대체하여 산악 등 험난 지형 주행시 우수한 충격흡수능력을 가지는 CFRP 자전거 프레임을 설계하였다.
(2) 프론트 로드, 시트 로드, 페달 로드 등 다양한 하중 조건과 적층 조건 하에서 유한요소해석을 실시하여 가장 적절한 적층방법을 결정하였다. 시트 로드와 페달 로드의 경우에는 적층 방법에 관계없이 프레임의 안정성을 확보할 수 있었지만 프론트 로드의 경우에는 파손지수가 커서 보강이 필요하였다.
본 연구에서는 CFRP 소재를 적용한 자전거 프레임을 설계하였고, 유한요소해석을 활용하여 그 구조적 성능을 분석하였다. 다양한 적층 순서와 하중 조건 하에서 섬유와 매트릭스의 파손 지수를 측정하였고, 복합재의 적층 순서가 자전거의 구조 강도에 미치는 영향을 고찰하였다. 취약 부분은 복합재료 적층판을 이용하여 보강함으로써 자전거 프레임의 안전성을 확보할 수 있었다.
상기에 언급한 것처럼 페달 로드와 시트 로드에 대해서는 파손지수가 1 미만으로 프레임의 안정성은 확보할 수 있었으나, 프론트 로드에 대해서는 보강이 필요한 것으로 판명되었다. 따라서 해석결과 가장 적절한 방법인 10 번(-45, 45, 0, 90, -45, 45, 0, 90 도) 적층 방법을 선정하였으며, Fig. 6 을 참고하여 취약부분인 헤드튜브의 두께를 2배로 보강하였다.
본 연구에서는 CFRP 소재를 적용한 자전거 프레임을 설계하였고, 유한요소해석을 활용하여 그 구조적 성능을 분석하였다. 다양한 적층 순서와 하중 조건 하에서 섬유와 매트릭스의 파손 지수를 측정하였고, 복합재의 적층 순서가 자전거의 구조 강도에 미치는 영향을 고찰하였다.
이와 같이 본 연구에서는 유한요소해석을 활용하여 자전거 프레임의 디자인을 검증하였다. 다양한 하중에서 파손에 취약한 부분을 찾아내어 보강함으로써 자전거 프레임의 구조 안정성을 효율적으로 확보할 수 있다.
자전거 프레임의 파이프 형상은 0.125mm 두께의 프리프레그(prepreg)를 8 층으로 적층하여 2mm의 두께가 되도록 모델링 하였다. 프리프레그는 U SN 200 Carbon/Epoxy 를 사용하였으며 물성치는 T able 1 에 나타나 있다.
1 에 나타난 것처럼 자건거 프레임 형상은 3D 모델러인 Pro-E 를 사용하여 모델링 하였다. 헤드 튜브(head tube), 시트 튜브(seat tube), 탑 튜브(top tube) 다운 튜브(down tube), 보텀 브라켓 (bottom bracket), 시트 스테이(seat stay), 체인스테이(chain stay) 등 총 7 개의 주요 부분으로 구성되었고, 쇼크 업소버(shock absorber)를 설치하여 외부에서 운전자에게 가하는 충격을 최소화 하고자 하였다. 또한 본 모델은 Fig.
대상 데이터
5mm 두께의 카본 층 사이 사이에 1mm 두께의 폼이 6 층 들어가도록 모델링 하였고, 인장 실험에 의하여 측정한 폼의 물성치는 Table 2 에 나타내었다. 메쉬는 4-노드 메쉬로 483003 개, 엘리먼트는 30861 개가 사용되 었으며 복합재 해석을 위한 3D 쉘(shell) 181 엘리먼트가 사용되었다. 해석은 Ansys 13 을 이용하여 수행하였다.
125mm 두께의 프리프레그(prepreg)를 8 층으로 적층하여 2mm의 두께가 되도록 모델링 하였다. 프리프레그는 U SN 200 Carbon/Epoxy 를 사용하였으며 물성치는 T able 1 에 나타나 있다. 본 프리프레그는 일방향으로 직교이방성(orthotropic)을 가지며 ASTM D3039와 ASTM D659 규격을 참고하여 물성을 측정할 수 있다.
이론/모형
본 연구에서는 0, -45, 45, 90 도의 4 가지 설계 변수를 8 개의 층에 적용하여 적절한 적층 방법을 찾고자 하였다. 모든 경우의 수를 고려할 경우에는 시뮬레이션 횟수가 48 개로 너무 많기 때문에 다구찌 실험계획법의 직교행렬(orthogonal array)를 활용하여 Table 3 과 같이 균형적인 해석조건을 결정하였다.
프리프레그는 U SN 200 Carbon/Epoxy 를 사용하였으며 물성치는 T able 1 에 나타나 있다. 본 프리프레그는 일방향으로 직교이방성(orthotropic)을 가지며 ASTM D3039와 ASTM D659 규격을 참고하여 물성을 측정할 수 있다. 체인 스테이에는 0.
프레임의 파손여부는 하신(Hashin)(8)의 이론을 적용하여 파이버(Fiber)와 매트릭스(Matrix)를 구분하여 측정하였다. 파이버와 매트릭스의 인장 및 압축하중에 대한 파손지수는 다음과 같이 표시될 수 있으며 파손지수가 1 미만일 경우 파손에 대한 안전성이 확보된다.
메쉬는 4-노드 메쉬로 483003 개, 엘리먼트는 30861 개가 사용되 었으며 복합재 해석을 위한 3D 쉘(shell) 181 엘리먼트가 사용되었다. 해석은 Ansys 13 을 이용하여 수행하였다.
성능/효과
(3) 프레임의 파손이 일어나는 취약부분을 확인하여 보강한 결과 모든 하중조건에서 자전거 프레임의 안정성을 효율적으로 확보할 수 있었다.
62 로 가장 낮았으며 전방 600N 인가 시에는 10 번과 29 번이 파손지수가 낮았다. 따라서 10 번의 적층방법이 프론트 로드 조건에서 가장 적절한 것으로 판단되었다. 하지만 모든 조건에서 파손 지수가 1 이상이기 때문에 추가적인 보강이 필요함을 알 수 있다.
상기에 언급한 것처럼 페달 로드와 시트 로드에 대해서는 파손지수가 1 미만으로 프레임의 안정성은 확보할 수 있었으나, 프론트 로드에 대해서는 보강이 필요한 것으로 판명되었다. 따라서 해석결과 가장 적절한 방법인 10 번(-45, 45, 0, 90, -45, 45, 0, 90 도) 적층 방법을 선정하였으며, Fig.
시트 로드와 페달 로드의 해석결과 모든 적층 조건에서 파손지수가 1 미만으로 적층 방법에 상관없이 안정성을 확보할 수 있었다. Fig.
프론트 로드 조건시의 해석결과를 Table 4 에 나타내었다. 해석 결과 후방 -600N 하중 인가시 10 번 적층이 파손지수가 1.62 로 가장 낮았으며 전방 600N 인가 시에는 10 번과 29 번이 파손지수가 낮았다. 따라서 10 번의 적층방법이 프론트 로드 조건에서 가장 적절한 것으로 판단되었다.
후속연구
(4) 향후 추가 실험 및 검증, 각 파트마다 다른 적층 방법을 적용한 최적화 연구, 피로 수명 고려 등의 추가적인 연구가 필요하며, 이를 통해 복합재료 자전거 프레임 설계를 위한 효과적인 디자인 가이드라인을 제시할 수 있을 것으로 기대된다.
다양한 하중에서 파손에 취약한 부분을 찾아내어 보강함으로써 자전거 프레임의 구조 안정성을 효율적으로 확보할 수 있다. 예비 실험결과 파손이 일어나는 부분은 해석결과와 일치하였으며, 향후 다양한 조건에서의 추가 실험 및 검증, 피로수명 고려 등 지속적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재료의 특성은?
최근 경량 자전거에 대한 요구가 지속적으로 증가함에 따라 탄소섬유 복합재료가 자전거 프레임 및 부품 제작에 널리 활용되고 있다. 복합재료는 일반적인 등방성 재료와는 달리 적층판의 방향과 순서에 따라 그 구조적인 특성이 변화하기 때문에 복합재료 자전거의 디자인을 검증하기 위해서는 구조 해석을 수행하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 CFRP 소재를 적용하여 자전거 프레임을 설계하였고, 유한요소해석을 통하여 그 구조적 성능을 분석하였다.
자전거의 프레임은 주로 어떤 것으로 되어 있는가?
건강에 대한 관심이 높아지면서 자전거를 이용하여 전국으로 연결된 자전거 도로를 누비는 사람들이 많아 지고 있다. 이들의 주된 관심은 튼튼하고 가벼운 자전거이며 이에 맞게 자전거 메이커에서는 무거운 스틸 프레임을 대체하여 가벼운 알루미늄이나 마그네슘을 이용한 자전거 프레임을 생산하고 있다. (1) 하지만, 이러한 자전거 프레임도 여전히 형상 가공의 어려움과 파손의 문제를 가지고 있어 획기적인 중량 감소에는 한계가 있는 것으로 판단되었다.
탄소섬유 복합재료로 자전거를 디자인할 때 구조해석을 수행해야 하는 이유는?
탄소섬유 복합재료는 높은 비강도와 비강성을가지고, 피로수명이 길며, 환경 안전성이 우수하기 때문에 항공, 국방, 자동차, 스포츠 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있다. (3,4) 하지만 일반적인 등방성(isotropic) 재료와는 달리 적층판의 방향과 적층 순서에 따라 그 구조적인 특성이 변화하기 때문에, 자전거의 디자인을 검증하기 위하여 구조 해석을 수행하는 것이 매우 중요하다. 1990 년 대에 이미 산악용 복합재 자전거의 강성 평가를 진행하였고, (5,6) Liu (7)는 적층 각도를 설계 변수로 대칭 구조의 적층 방법 24 개를 선정하여 최대응력 이론에 입각한 최적 적층각을 찾아 내었다.
참고문헌 (8)
Deetz, J., 2005, "The Use of Wrought Magnesium in Bicycles," JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, Vol. 57, No. 5, pp. 50-53.
Cicero, S., Lacalle, R., Cicero, R., Fernandez, D. and Mendez, D., 2011, "Analysis of The Cracking Causes in An Aluminium Alloy Bike Frame," Engeening Failure Analysis, Vol. 18, pp. 36-46.
Ko, H. Y., Shin, K. B. and Kim, J. S., 2010, "A Study on Improving the Fatigue Life for a Woven Glass Fabric/Epoxy Laminate Composite Applied to Railway Vehicles," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 34, No. 2, pp. 203-209.
Hong, S. W., Ahn, S. S., Koo, J. M. and Seok, C. S., 2012, "Analysis of Characteristics of CFRP Composites Exposed Under High-Temperature and High-Humidity Environment for a Long Period," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No. 8, pp. 889-895.
Castejon, L., Miravete, A., Ullod, J. and Larrode, E., 1994, "Composite Monocoque frame for a Mountain Bicycle: Testing and Calculation," Applied Composite Materials, Vol. 1, pp. 247-258.
Lizotte, P. L., 1996, "Stress Analysis and Fabrication of Composite Monocoque Bicycle Frames," M.S. Thesis, McGill University.
Liu, T. J. C. and Wu, H. C., 2010, "Fiber Direction and Stacking Sequence Design for Frame Made of Carbon/Epoxy Composite Laminate," Materials and Design , Vol. 31, pp. 1971-1980.
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