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[국내논문] 복합재 코일스프링 개발을 위한 수치해석 및 실험적 연구
Analytical and Experimental Study for Development of Composite Coil Springs 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.38 no.1, 2014년, pp.31 - 36  

오성하 (맥소프트(주)) ,  최복록 (강릉원주대학교 기계자동차공학부)

초록
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본 연구에서는 자동차 코일스프링을 대상으로 CFRP 복합재 재료의 적용가능성을 제시하였다. 기존 강재료를 복합재로 대체해서 대폭적인 경량화를 추구하기 위해서는 재료특성 뿐만 아니라 스프링의 설계인자들도 함께 최적화를 해야 할 것이다. 따라서 먼저 복합재 코일스프링의 전단특성을 고려해서 최대 비틀림강성을 나타내도록 45도로 와인딩한 봉 구조물을 구성하였으며, 예측된 전단탄성계수를 시험결과와 비교한 결과 매우 근사한 값을 나타내었다. 다음으로 45도로 와인딩된 CFRP 복합재 스프링의 소선직경을 결정하기 위해서 비틀림 강성을 강재와 복합재 두 재료에 대해서 동일하게 하였으며, 그 결과, 소선직경은 11.0 mm에서 17.5mm로 재료가 복합재로 변경됨에 따라서 증가되어야 한다. 마지막으로 이 같이 구성된 복합재 코일스프링의 유한요소모델을 구성해서 스프링상수를 계산하였으며, 시험결과와 비교 평가하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper shows the feasibility of using carbon-fiber-reinforced polymer (CFRP) composite materials for manufacturing automotive coil springs. For achieving weight reduction by replacing steel with composite materials, it is essential to optimize the material parameters and design variables of the ...

Keyword

#코일스프링   #스프링 상수   #탄소섬유강화 플라스틱   #비등방성   #유한요소법  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 CFRP 복합소재를 자동차 부품에 적용하기 위해서 가장 먼저 고려해야 할 재료특성 시험과 이를 통해 재료의 기계적성질을 결정하는 과정을 나타내었다. 그리고 승용차 코일스프링을 대상으로 CFRP를 적용하기 위해서 강으로 된 스프링과 등가의 스프링 상수를 가질 수 있도록 복합재 스프링의 설계변수들을 결정하는 과정을 제시하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 기본모델로서 고려한 강 스프링과 등가의 스프링 상수를 가질 수 있도록 위에서 나타낸 식들을 이용해서 복합재 코일스프링의 설계변수들을 결정하고자 한다.
  • 본 연구에서는 경량화를 목표로 승용차 코일스프링을 대상으로 해서 복합소재 적용을 위한 설계변수 추출 과정과 해석 및 검증시험 등을 나타낸 것이며, 요약하면 다음과 같다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
복합소재의 기계적 성질을 크게 변하게 할 수 있는 요소는 무엇인가? 복합소재는 제조방법 뿐만 아니라 FVR(Fiber Volume Ratio), VVR(Void Volume Ratio) 등과 같은 fiber와 matrix의 구성 성분비와 직조방법 등에 따라서 재료의 기계적 성질이 크게 변할 수 있다. 따라서 기본적인 재료시험을 통해 목표로 하는 기계적 성질을 얻을 수 있도록 성분비뿐만 아니라 섬유의 적층방향과 두께, 그리고 직조방법 등을 설계자가 결정해야 할 것이다.
자동차 재료를 경량재료로 대체하기 위해서 검토해야 하는 것들은 무엇인가? 한편, 자동차관련 업계에서도 구동계 및 샤시 부품들을 대상으로 구조최적화와 제조방법의 개선, 또는 알루미늄이나 마그네슘과 같은 경량 ·고강도 소재로의 대체에 의해 중량을 줄이고자 하는 연구가 오래전부터 수행되어 왔다.(1) 이와 같이 경량재료로 대체하기 위해서는 환경적 요인뿐만 아니라 재료의 비강도나 비강성과 같은 기계적 성질, 그리고 비용과 제조공정 등 많은 문제점들을 검토해야 할 것이다. 특히, 복합소재의경우 비등방성 성질을 가지고 있으며 제조성분의 종류나 비율, 그리고 섬유방향 등에 따라서 기계적 성질이 크게 변할 수 있으므로 재료특성의 최적화 분야가 매우 중요한 요소라 할 수 있다.
ASTM 시험은 어떤 시험들로 구성되어 있는가? 5%) 을 통해서 Ply의 성질들을 얻기 위한 ASTM 시험 종류를 나타낸 것이다. 표에서와 같이 섬유방향의 인장 및 압축시험, 섬유와 직각방향의 인장및 압축시험, 그리고 전단특성을 얻기 위한 전단 시험의 5가지로 구성되어 있다. Table 2는 단방향 복합재 시편을 이용해서 앞에서 언급한 시험을 통해 직접 얻은 기계적 성질들을 나타낸 것이다.
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참고문헌 (9)

  1. Kim, K. S., Bae, K. M., Oh, S. Y. and Seo, M. K., 2012, "Trend of Carbon Fiber-Reinforced Composites for Lightweight Vehicles," Elastomers and Composites, Vol. 47, No. 1, pp. 65-74. 

    원문보기 상세보기 crossref

  2. Kang, M. S., Park, H. S., Choi, J. H. and Koo, J. M., 2012, "Prediction of Fracture Strength of Woven CFRP Laminates According to Fiber Orientation," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No. 8, pp. 881-887. 

    원문보기 상세보기 crossref

  3. Hull, D., 1981, An Introduction to Composite Materials, Cambridge Univ. Press, pp. 102-124. 

  4. ASTM Annual Book of Standards, 2001. 

  5. GENOA Technical Manual. Ver. 5. 2013, AlphaStar, 

  6. Lekhnitskii, S. G., 1963, Theory of Elasticity of an Anisotropic Elastic Body, Holden-Day, San Francisco, pp. 175-191. 

  7. Byun, J. H., Lee, S. K., Um, M. K., Kim, T. W. and Bae, S. W., 2002, "Characterization and Prediction of Elastic Constants of Twisted Yawn Composites," Trans. of Korean Society of Composite Materials, Vol. 15, No. 6, pp. 30-37. 

  8. ABAQUS Inc., 2010, ABAQUS Analysis User's Manual. Ver. 6.10. 

  9. Buda, A. D. and Manjunata, T. S., 2010, "Investigation on the Feasibility of Composite Coil Spring for Automotive Applications," World academy of science, Engineering and Technology 70, pp. 663-667. 

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