본 논문에서는 Tsai-Wu 파손이론을 적용하여 복합재료 자전거 프레임의 경량화를 위한 강도설계에 대하여 연구하였다. 설계에 있어서 자전거 프레임의 경량화는 중요한 문제이며, 동시에 요구 강도를 만족시켜야 한다. 하중조건으로 유럽표준위원회의 EN14764 규격에 의거하여 페달, 수직, 레벨 하중조건을 적용하였다. 복합재료는 이방성을 가지므로 적절한 적층수 및 적층 순서를 결정하는 것이 중요하다. 따라서 $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ 의 적층에 대하여 적층수를 변화시켜가며(n=1,2,3,4) 연구를 수행하였다. 연구 결과로부터 하중 조건에 따른 자전거 프레임의 취약부와 취약적층을 확인하였고, $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ 이 가장 적절한 적층각 모델임을 제안하였다.
본 논문에서는 Tsai-Wu 파손이론을 적용하여 복합재료 자전거 프레임의 경량화를 위한 강도설계에 대하여 연구하였다. 설계에 있어서 자전거 프레임의 경량화는 중요한 문제이며, 동시에 요구 강도를 만족시켜야 한다. 하중조건으로 유럽표준위원회의 EN14764 규격에 의거하여 페달, 수직, 레벨 하중조건을 적용하였다. 복합재료는 이방성을 가지므로 적절한 적층수 및 적층 순서를 결정하는 것이 중요하다. 따라서 $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ 의 적층에 대하여 적층수를 변화시켜가며(n=1,2,3,4) 연구를 수행하였다. 연구 결과로부터 하중 조건에 따른 자전거 프레임의 취약부와 취약적층을 확인하였고, $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ 이 가장 적절한 적층각 모델임을 제안하였다.
Strength design for a lightweight bicycle frame made of carbon/epoxy composite laminates was studied using Tsai-Wu's failure criterion. For the design of bicycle frames, reducing the weight of the frame is of great importance. Furthermore, the frame should satisfy the required strength under specifi...
Strength design for a lightweight bicycle frame made of carbon/epoxy composite laminates was studied using Tsai-Wu's failure criterion. For the design of bicycle frames, reducing the weight of the frame is of great importance. Furthermore, the frame should satisfy the required strength under specific loading cases. In accordance with the European EN 14764 standard for bicycle frames, three loading cases-pedaling, vertical, and level loadings-were investigated in this study. Because of the anisotropic characteristics of composite materials, it is important to decide the appropriate stacking sequence and the number of layers to be used in the composite bicycle frame. From finite element analysis results, the most suitable stacking sequence of the fiber orientation and the number of layers were determined. The stacking sequences of $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ (n = 1, 2, 3, 4) were used in the analysis. The results indicated that the $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ lay-up model was suitable for a composite bicycle frame. Furthermore, the weakest point and layer were investigated.
Strength design for a lightweight bicycle frame made of carbon/epoxy composite laminates was studied using Tsai-Wu's failure criterion. For the design of bicycle frames, reducing the weight of the frame is of great importance. Furthermore, the frame should satisfy the required strength under specific loading cases. In accordance with the European EN 14764 standard for bicycle frames, three loading cases-pedaling, vertical, and level loadings-were investigated in this study. Because of the anisotropic characteristics of composite materials, it is important to decide the appropriate stacking sequence and the number of layers to be used in the composite bicycle frame. From finite element analysis results, the most suitable stacking sequence of the fiber orientation and the number of layers were determined. The stacking sequences of $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ (n = 1, 2, 3, 4) were used in the analysis. The results indicated that the $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ lay-up model was suitable for a composite bicycle frame. Furthermore, the weakest point and layer were investigated.
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문제 정의
J.(4)는 Carbon/Epoxy 자전거 프레임의 강성 설계에 관한 연구를 수행하였다. 하지만 자전거 프레임의 강도 설계를 위한 적층각 결정에 대한 연구는 미비한 실정이다.
따라서 자전거 프레임의 안전성을 결정하기 위한 주행 시 하중조건을 적절하게 반영한 복합재료 자전거 프레임의 적층각 결정에 대한 연구가 필요하다. 따라서 본 논문에서는 유한요 소해석을 통해, Carbon/Epoxy 복합재 라미네이트로 구성된 자전거 프레임에 대하여 자전거 주행 시 발생되는 하중조건들을 독립적으로 요구 강도를 만족시키며 경량화가 가능한 가장 적합한 적층 수 및 적층 순서를 제안하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 유럽 표준위원회의 규격에 의거한 세 가지 하중 조건 하에서 Carbon/Epoxy 복합재료 라미네이트 자전거 프레임의 자전거 프레임의 경량화 및 강도 설계에 대한 연구를 수행하였다. 복합재료 프레임의 파손 예측을 위하여 복합재료 파손이론 중 하나인 Tsai-Wu Failure Index를 이용하였으며, 제작생산성을 고려한 다양한 적층각 모델에 대한 해석을 통해 자전거 프레임이 요구하는 최소 적층수 및 최적 적층 순서를 제안하였고, 적층각 변수에 따른 복합 재료 자전거 프레임의 파손형태와 Tsai-Wu Failure Index 분포에 대한 분석을 통해 하중 조건 별 취약부를 예측하였다.
가설 설정
)이론을 적용하였다.(6) Tsai-Wu 파손이론은 응력장(Stress Space)내에서 파손면(Failure surface)이 식 (1)과 같은 형태로 존재한다고 가정한다.
제안 방법
5 도 기울기로 1000N 이 가해진다. 경계조건은 헤드튜브 하단의 x 축 변위, y 축 변위, z 축 변위, x 축 회전, y 축 회전, z 축 회전방향을 구속하고, 시트 스테이와 체인 스테이가 만나는 드랍아웃의 중심의 x 축 변위, y 축 변위, z 축 변위를 구속하여 해석을 수행하였다. 수직 하중조건에서 하중은 시트튜브 상단 중심에서 시트 튜브의 국부좌표계의 x 방향으로 -70mm 떨어진 곳에서 절대좌표계의 Z 축 방향으로 -1200N 를 부가하였으며, 경계조건은 헤드튜브 하단의 중심에서 헤드 튜브의 국부좌표계의 x 방향을 따라 400mm 떨어진 위치에 ABAQUS 의 MPC(Multi Point Constraint)기능을 이용하여 가상 포크를 형성하여 그 하단의 y 축변위, z 축 변위를 구속하며, 드랍아웃의 중심의 x 축변위, y 축 변위, z 축 변위, x 축 회전, y 축 회전방향을 구속하였다.
4 와 같다. 또한 각 요소의 바깥 표면을 첫 번째 층으로, 내부 표면을 마지막 층으로 설정하였다.
본 연구에서는 유한요소해석을 이용하여 유럽 표준위원회의 규격에 의거한 세 가지 하중 조건 하에서 Carbon/Epoxy 복합재료 라미네이트 자전거 프레임의 자전거 프레임의 경량화 및 강도 설계에 대한 연구를 수행하였다. 복합재료 프레임의 파손 예측을 위하여 복합재료 파손이론 중 하나인 Tsai-Wu Failure Index를 이용하였으며, 제작생산성을 고려한 다양한 적층각 모델에 대한 해석을 통해 자전거 프레임이 요구하는 최소 적층수 및 최적 적층 순서를 제안하였고, 적층각 변수에 따른 복합 재료 자전거 프레임의 파손형태와 Tsai-Wu Failure Index 분포에 대한 분석을 통해 하중 조건 별 취약부를 예측하였다. 연구 결과를 통하여 수직하중, 레벨하중, 페달하중을 부가하였을 경우, 프레임의 경량화를 이루면서 요구하는 강도를 세 하중조건에서 모두 만족하는 가장 안정적인 적층각 모델이 [0/±45/90]3s 임을 보였다.
본 논문에서는 ABAQUS 6.10 (Dassult Systems SIMULIA, Inc.)를 이용하여, 17797 개의 감차적분을 적용한 선형 쉘요소(S4R)로 유한요소해석 모델을 생성하였다.
본 연구에 적용한 복합재료의 물성시험은 ASTM D 3039, ASTM 3210 과 ASTM D 3518 규격을 의거하여 인장, 압축 및 전단시험을 수행하였다. 물성시험을 위해 SK 사의 USN 125 Carbon/Epoxy 일방향 프리프레그로 시편을 제작하였으며, 시험 장비로 재료시험기(MTS 810)를 이용하였다.
경계조건은 헤드튜브 하단의 x 축 변위, y 축 변위, z 축 변위, x 축 회전, y 축 회전, z 축 회전방향을 구속하고, 시트 스테이와 체인 스테이가 만나는 드랍아웃의 중심의 x 축 변위, y 축 변위, z 축 변위를 구속하여 해석을 수행하였다. 수직 하중조건에서 하중은 시트튜브 상단 중심에서 시트 튜브의 국부좌표계의 x 방향으로 -70mm 떨어진 곳에서 절대좌표계의 Z 축 방향으로 -1200N 를 부가하였으며, 경계조건은 헤드튜브 하단의 중심에서 헤드 튜브의 국부좌표계의 x 방향을 따라 400mm 떨어진 위치에 ABAQUS 의 MPC(Multi Point Constraint)기능을 이용하여 가상 포크를 형성하여 그 하단의 y 축변위, z 축 변위를 구속하며, 드랍아웃의 중심의 x 축변위, y 축 변위, z 축 변위, x 축 회전, y 축 회전방향을 구속하였다. 레벨 하중조건에서 하중은 가상 포크의 하단부에서 절대 좌표계의 x 축 방향으로 1200N 을 가하였으며, 경계조건은 수직하중과 동일하게 적용하였다.
프레임의 적층 순서 및 적층수에 따른 프레임의 파손에 대한 영향을 알아보기 위하여 적층각의 대칭성를 고려하여 [0]8ns , [90]8ns , [0/90]4ns , [±45]4ns , [0/ ±45/90]2ns 의 적층 순서에 대하여 적층수를 8 층, 16 층, 24 층, 32 층(n=1, 2, 3, 4)으로 변화시켜가며 페달 하중조건, 수직 하중조건, 레벨 하중조건에 대하여 각각 유한요소해석을 수행한 뒤, 최대 F.I.를 비교하여 복합재 프레임의 적층 수 및 적층 순서를 결정하였다.
대상 데이터
본 연구에 적용한 복합재료의 물성시험은 ASTM D 3039, ASTM 3210 과 ASTM D 3518 규격을 의거하여 인장, 압축 및 전단시험을 수행하였다. 물성시험을 위해 SK 사의 USN 125 Carbon/Epoxy 일방향 프리프레그로 시편을 제작하였으며, 시험 장비로 재료시험기(MTS 810)를 이용하였다. 복합재 단일 층의 두께는 0.
이론/모형
본 연구에서는 이방성 재료의 일반적인 파손이론 중의 하나인 Tsai-Wu Failure Index(F.I.)이론을 적용하였다.(6) Tsai-Wu 파손이론은 응력장(Stress Space)내에서 파손면(Failure surface)이 식 (1)과 같은 형태로 존재한다고 가정한다.
하중 및 경계조건은 유럽 표준 위원회의 EN 14764 규격(5)에 의거하여 Fig. 4와 같이 페달 하중 조건, 수직 하중조건, 레벨 하중조건에 대해 독립적으로 해석을 수행하였다. 페달 하중조건에서 하중은 크랭크 중심으로부터 절대좌표계의 z 방향으로 -150mm 떨어진 위치에서 z 방향에 대해 7.
성능/효과
가 가장 높은 취약적층이다. 또한 수직 하중조건 하에서 시트 튜브와 시트스테이가 만나는 연결부위가 취약부임을 확인할 수 있으며, (Fig. 6) [0]24 , [90]24 , [0/90]6s , [0/±45/90]3s 모델에서 1 번째 적층, [±45]6s 모델에서 2 번째 적층이 최대 F.
복합재료 프레임의 파손 예측을 위하여 복합재료 파손이론 중 하나인 Tsai-Wu Failure Index를 이용하였으며, 제작생산성을 고려한 다양한 적층각 모델에 대한 해석을 통해 자전거 프레임이 요구하는 최소 적층수 및 최적 적층 순서를 제안하였고, 적층각 변수에 따른 복합 재료 자전거 프레임의 파손형태와 Tsai-Wu Failure Index 분포에 대한 분석을 통해 하중 조건 별 취약부를 예측하였다. 연구 결과를 통하여 수직하중, 레벨하중, 페달하중을 부가하였을 경우, 프레임의 경량화를 이루면서 요구하는 강도를 세 하중조건에서 모두 만족하는 가장 안정적인 적층각 모델이 [0/±45/90]3s 임을 보였다.
페달 하중조건 하에서 탑튜브와 다운튜브, 헤드 튜브가 만나는 연결부위가 취약부임을 확인할 수 있으며, (Fig. 5) [0]24 , [90]24 , [±45]6s , [0/90]6s 모델에서 1 번째 적층, [0/±45/90]3s, 모델에서 5 번째 적층이 최대 F.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복합재료를 이용한 고성능의 경량화 스포츠 용품의 수요가 커지는 이유는 무엇인가?
섬유강화 복합재료는 고강도 및 고강성, 우수한 피로특성을 가지고 이방성의 기계적 물성을 가지기 때문에 제품 설계 시 요구되는 강도, 강성 등에 맞추어 설계가 가능한 설계유연성을 가지므로, 경량화가 요구되는 우주항공 산업·방위 산업·자동차 산업 등의 제조업 전반에 걸쳐 널리 이용되고 있다.(1) 특히 스포츠 산업에서의 복합재료의 이용은 세계적으로 빠르게 증가하는 추세로 국내에서도 2004 년부터 단계적으로 시행에 들어간 주 5 일근무제의 영향으로 레저 스포츠 산업이 크게 성장하면서 복합재료를 이용한 고성능의 경량화 스포츠 용품 시장에 대한 요구가 커지고 있는 실정이다. 그 중 자전거 시장은 지속되는 고유가의 영향과 웰빙 열풍의 영향으로 빠르게 성장하고 있다.
섬유강화 복합재료의 장점은 무엇인가?
섬유강화 복합재료는 고강도 및 고강성, 우수한 피로특성을 가지고 이방성의 기계적 물성을 가지기 때문에 제품 설계 시 요구되는 강도, 강성 등에 맞추어 설계가 가능한 설계유연성을 가지므로, 경량화가 요구되는 우주항공 산업·방위 산업·자동차 산업 등의 제조업 전반에 걸쳐 널리 이용되고 있다.(1) 특히 스포츠 산업에서의 복합재료의 이용은 세계적으로 빠르게 증가하는 추세로 국내에서도 2004 년부터 단계적으로 시행에 들어간 주 5 일근무제의 영향으로 레저 스포츠 산업이 크게 성장하면서 복합재료를 이용한 고성능의 경량화 스포츠 용품 시장에 대한 요구가 커지고 있는 실정이다.
섬유강화 복합재료의 자전거 프레임은 어떤 것을 고려하여 설계하여야 하는가?
자전거 프레임은 경량성을 지니는 동시에 주행 중에 발생하는 하중조건들에 대해 요구 강도를 만족시켜야 한다. 특히 복합재 프레임의 경우 이방성을 지니므로 적층 수 및 적층 순서에 따라 각 하중 조건 하에서 파손 경향이 다르게 나타날 수 있으므로, 이를 고려한 강도 설계가 요구된다.
참고문헌 (6)
Kwon, K. B. and Jung, S. K., 2007, Report of the Development Strategy for Bicycle Industry, Korea Institute of Sport Science.
Peterson, L. A. and Londry, K. J., 1986, "Finite- Element Structural Analysis: A New Tool for Bicycle Frame Design," Bike Tech, Vol. 5, pp. 1-9.
Lessard, L. B. and Nemes, J. A., 1995, "Utilization of FEA in the Design of Composite Bicycle Frames," Composites, Vol. 26, No. 1, pp.72-74.
Liao, C. J., 2007, "Stiffness Analysis of Carbon Fiber Bicycle Frame," Master thesis of Department of Mechanical and Computer Aided Engineering, Feng Chia University.
CEN, 2005, "EN 14764:2005 City and Trekking Bicycles - Safety Requirements and Test Methods," CEN.
Daniel, I. M. and Ishai O., 1994, Engineering Mechanics of Composite Materials, Oxford University Press, New York.
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