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문제 정의
- UCI regulation 에서는 Frame 의 단면형상을 원형, 타원, 눈방울모양(tear drop)을 허용하고 있다. 본 논문에서는 주행 시 공기저항이 최소가 되는 최적의 타원형 단면형상을 제시하기 위하여 2 차원 유동해석을 실시하였다. 항력을 줄이기 위해 Fig.
- (bottom bracket) 까지의 거리, 자전거의 무게, Seat stay 와 Chain stay 단면의 단축과 장축 비 등의 규격을 제시하고 있다. 본 연구는 주행 시 Frame 의 공기역학적 설계를 위하여 UCI regulation 에서 제시하는 Front wheel 부터 B.B.까지의 거리, Rear wheel 부터 B.B. 까지의 거리 등, 완성된 자전거에 대한 규격을 제외한 Frame 의 전체 길이 및 단면 형상에 관한 규격을 고려하였다. Frame 형상, 튜브형상에 관련된 UCI regulation 은 각각 Fig.
제안 방법
- (2) 시합 중 공기저항을 줄이는 것은 승패를 좌우하는 요소 중 하나로 선정할 만큼 중요한 요소라고 할 수 있다.(3) 본 논문에서는 2009년 국내에서 발표된 저탄소 녹생성장을 위한 자전거 육성 정책(4)과 더불어 성장하고 있는 자전거 시장의 추세에 맞추어 트랙경기용 자전거 Frame 설계를 실시하였다. 이를 위해 유동해석을 통하여 자전거 Frame에서 항력이 가장 많이 발생하는 Frame 튜브를 선정하였고 이를 줄이기 위한 단면형상을 국제 사이클연맹 규격(Union Cycliste Internationale regulation : UCI regulation)에 맞는 범위 내에서 제시하였다.
- UCI regulation 에서 제시하고 있는 수평하중(Level loading), 수직하중(Vertical loading), 페달하중(Pedal loading) 해석을 기존 H-frame 과 개선된 모델 Ha-frame 에 관하여 수행하였다. 수평하중 테스트는 Rear end 를 수평방향으로 회전만 가능하게 하고 Head tube 는 회전과 수평방향 움직임이 가능케 하기 위하여 Dummy fork 로 고정하였고 포크를 Frame 방향으로 1000N 의 수평하중을 부여하여 해석하였다.
- 5 도 기울기로 1000N 의 하중을 부여하여 해석을 실시하였다. 각 실험에 의한 최대 응력 및 최대 변위를 H-frame 과 Ha-frame 에 대하여 비교하였다. Table 4 와 같이 Ha-frame 이 H-frame 보다 부피는 감소하였지만 Table 5 에서 각각의 해석결과를 살펴보면 응력에 있어서는 기존프레임에서의 최대응력보다 감소하여 향상된 결과가 나온 것을 확인할수 있다.
- 이를 위해 H-frame 에서 주행 시 가장 많은 항력이 발생하는 Frame 요소를 선정하였다. 그 결과 Head tube 와 Down tube 에서 공기저항이 가장 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었고 이때 발생하는 공기저항을 줄이고 주행 시 성능을 향상시키기 위하여 ANSYS Fluent parametric study를 통해 주행 시 최적의 Frame tube 형상을 도출하였다. 이를 통해 자전거 Frame 의 항력계수를 감소시켜 결과적으로 공기저항을 감소시키는 Haframe 설계를 수행하였다.
- 에서 130MPa 의 정압이 발생한다. 따라서 UCI regulation 을 만족하는 범위 내에서 공기저항이 최소가 되는 단면형상을 찾기 위해서 파라미터 설계(parametric design)를 수행하였다.
- 이 비율을 고려하여 항력을 줄이기 위해 Down tube 및 Seat tube 의 타원 형상의 비율을 동일한 2:1 로 설정하여 설계하였다. 또 B.B.에서의 항력을 최소화하기 위하여 ANSYS Fluent 를 이용 하여 Down tube 로부터 유선형으로 이어지도록 B.B.형상을 도출하였다.
- 또 이렇게 개선된 Ha-Frame 의 구조적 안정성을 평가하기 위하여 UCI regulation 에서 제시하는 Level loading, Vertical loading, Pedal loading 조건을 통해 각각의 하중조건에 대한 강성해석을 수행하였다. 해석결과 Ha-Frame 은 H-Frame 보다 강성이 향상이 된 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 이렇게 개발된 자전거 Frame 에 대해 주행 시 선수로부터 페달, 안장, 핸들에 가해지는 하중을 고려하여 강성해석을 실시하였다. 강성해석을 위하여 상용소프트웨어 ANSYS 를 이용하였고 유동해석을 위해서는 ANSYS Fluent 를 이용하였다.
- 수평하중 테스트는 Rear end 를 수평방향으로 회전만 가능하게 하고 Head tube 는 회전과 수평방향 움직임이 가능케 하기 위하여 Dummy fork 로 고정하였고 포크를 Frame 방향으로 1000N 의 수평하중을 부여하여 해석하였다. 수직하중 테스트는 Seat tube 중심선에서 70mm 떨어진 지점에 1200N 의 수직하중을 부여하여 해석하였고 페달하중 테스트는 크랭크 중심으로부터 150mm 떨어진 위치에 수직으로부터 7.5 도 기울기로 1000N 의 하중을 부여하여 해석을 실시하였다. 각 실험에 의한 최대 응력 및 최대 변위를 H-frame 과 Ha-frame 에 대하여 비교하였다.
- UCI regulation 에서 제시하고 있는 수평하중(Level loading), 수직하중(Vertical loading), 페달하중(Pedal loading) 해석을 기존 H-frame 과 개선된 모델 Ha-frame 에 관하여 수행하였다. 수평하중 테스트는 Rear end 를 수평방향으로 회전만 가능하게 하고 Head tube 는 회전과 수평방향 움직임이 가능케 하기 위하여 Dummy fork 로 고정하였고 포크를 Frame 방향으로 1000N 의 수평하중을 부여하여 해석하였다. 수직하중 테스트는 Seat tube 중심선에서 70mm 떨어진 지점에 1200N 의 수직하중을 부여하여 해석하였고 페달하중 테스트는 크랭크 중심으로부터 150mm 떨어진 위치에 수직으로부터 7.
- 1, 2 와 같다. 이 때 각 튜브의 정량적인 규격은 Table 1 과 같고 이를 근거로 초기 자전거 Frame 은 UCI regulation 을 위배 하지 않는 범위에서 설계하였다.
- 이는 타원의 장축 X1 과 고정 파라미터인 장축 X2 의 비가 2:1 일 때 공기저항이 최소가 된다는 것을 나타낸다. 이 비율을 고려하여 항력을 줄이기 위해 Down tube 및 Seat tube 의 타원 형상의 비율을 동일한 2:1 로 설정하여 설계하였다. 또 B.
- 이렇게 설계된 Ha-frame 의 유동 해석을 H-frame 과 같은 조건으로 수행하면 Table 4 와 같이 항력이 초기 Frame 보다 약 8% 감소한 것을 확인할 수 있다. 이렇게 도출한 형상을 기존의 H-frame 모델의 Head tube 와 Down tube 에 적용하여 Fig. 7 과 같이 Frame 을 개선하였다. Frame 의 유한요소모델은 Fig.
- (3) 본 논문에서는 2009년 국내에서 발표된 저탄소 녹생성장을 위한 자전거 육성 정책(4)과 더불어 성장하고 있는 자전거 시장의 추세에 맞추어 트랙경기용 자전거 Frame 설계를 실시하였다. 이를 위해 유동해석을 통하여 자전거 Frame에서 항력이 가장 많이 발생하는 Frame 튜브를 선정하였고 이를 줄이기 위한 단면형상을 국제 사이클연맹 규격(Union Cycliste Internationale regulation : UCI regulation)에 맞는 범위 내에서 제시하였다.
- 그 결과 Head tube 와 Down tube 에서 공기저항이 가장 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었고 이때 발생하는 공기저항을 줄이고 주행 시 성능을 향상시키기 위하여 ANSYS Fluent parametric study를 통해 주행 시 최적의 Frame tube 형상을 도출하였다. 이를 통해 자전거 Frame 의 항력계수를 감소시켜 결과적으로 공기저항을 감소시키는 Haframe 설계를 수행하였다.
- 트랙경기의 경기력 향상을 위한 Frame 설계를 수행하였다. 경기력을 향상시키기 위해서는 주행시 Frame 으로 인하여 발생하는 항력을 고려한 설계가 필요하다.
- 본 논문에서는 주행 시 공기저항이 최소가 되는 최적의 타원형 단면형상을 제시하기 위하여 2 차원 유동해석을 실시하였다. 항력을 줄이기 위해 Fig. 5 와 같이 Head tube 의 장축을 X1, 단축을 X2 로 설정하여 파라미터 설계를 실시하였다. Head tube 에 Front wheel 과 연결해주는 Fork 를 삽입해야 하기 때문에 X2 를 고정 파라미터로 설정하였다.
대상 데이터
- 경기력을 향상시키기 위해서는 주행시 Frame 으로 인하여 발생하는 항력을 고려한 설계가 필요하다. 이를 위해 H-frame 에서 주행 시 가장 많은 항력이 발생하는 Frame 요소를 선정하였다. 그 결과 Head tube 와 Down tube 에서 공기저항이 가장 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었고 이때 발생하는 공기저항을 줄이고 주행 시 성능을 향상시키기 위하여 ANSYS Fluent parametric study를 통해 주행 시 최적의 Frame tube 형상을 도출하였다.
데이터처리
- 또한 이렇게 개발된 자전거 Frame 에 대해 주행 시 선수로부터 페달, 안장, 핸들에 가해지는 하중을 고려하여 강성해석을 실시하였다. 강성해석을 위하여 상용소프트웨어 ANSYS 를 이용하였고 유동해석을 위해서는 ANSYS Fluent 를 이용하였다.
성능/효과
- (1) 주행 시 선수로 인하여 발생하는 저항은 주로 공기저항과 마찰저항이 있는데 실제로 25mph(40km/h)의 고속 주행 시에 발생하는 저항 중 90%이상이 주행방향으로부터 발생하는 공기저항이다.(2) 시합 중 공기저항을 줄이는 것은 승패를 좌우하는 요소 중 하나로 선정할 만큼 중요한 요소라고 할 수 있다.(3) 본 논문에서는 2009년 국내에서 발표된 저탄소 녹생성장을 위한 자전거 육성 정책(4)과 더불어 성장하고 있는 자전거 시장의 추세에 맞추어 트랙경기용 자전거 Frame 설계를 실시하였다.
- 또 Pedal loading 의 결과에서는 Dropout 을 제거하면 Bottom bracket 에서 최대응력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 3 가지 조건하에서 수행한 구조해석결과 모두 H-frame 의 결과보다 향상되었다. 이는 H-frame 의 Down tube 폭을 줄이고 Bottom bracket 의 길이는 늘리는 설계를 하여 응력이 집중되는 부분을 제거했기 때문이다.
- 는 Frame 의 투영면적, ρ 는 공기의 밀도, V 는 공기의 유속이다. UCI regulation 에 위배되지 않는 조건으로 H-frame 을 설계하고 이를 통해 주행속도 15 m/s(54 km/h)의 조건하에 유동해석을 수행한 결과 Fig. 3 과 같이 Head tube 와 B.B.에서 가장 큰 항력이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 유동해석의 결과를 보면 Frame 의 최대항력계수는 1.
- 또 이렇게 개선된 Ha-Frame 의 구조적 안정성을 평가하기 위하여 UCI regulation 에서 제시하는 Level loading, Vertical loading, Pedal loading 조건을 통해 각각의 하중조건에 대한 강성해석을 수행하였다. 해석결과 Ha-Frame 은 H-Frame 보다 강성이 향상이 된 것을 확인할 수 있었다.
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