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다양한 형상비를 갖는 사각 CFRP 튜브의 굽힘 및 비틀림 특성
Bending and Torsional Characteristics of Rectangular CFRP Tubes with Various Aspect Ratios 원문보기

Composites research = 복합재료, v.27 no.2, 2014년, pp.37 - 41  

이용성 (서울과학기술대학교 NID 융합기술대학원) ,  정성균 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

초록
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섬유강화복합재료는 비강도와 비강성이 뛰어나 여러 분야에 걸쳐 사용량이 증가하고 있으며 자전거와 같은 스포츠 용품에도 사용량이 점점 증가하고 있다. 복합재료는 다양한 형상의 구조부품으로 만들어져 사용되고 있다. 특히 자전거 프레임의 일부에는 사각형 복합재 튜브 형태로 제작되어 사용되고 있으나 이에 관한 연구는 많지 않다. 사각 복합재 튜브의 경우에 모서리에 적절한 라운드 값을 주어 굽힘과 비틀림에 견디도록 설계된다. 본 연구에서는 모서리의 곡률반경이 R5, R10, R15인 세 개의 그룹에 가로-세로 1:1, 1:1.5, 1:2의 형상비를 갖는 아홉 종류의 사각 복합재 튜브를 제작하였다. 탄소섬유강화복합재료가 튜브제작에 사용되었으며 단면적은 모두 같도록 설계되었다. $[0/90/{\pm}45]s$으로 적층하여 제작한 사각 복합재 튜브에 굽힘과 비틀림 하중을 가하여 실험평가를 수행하였다. 실험결과 사각 복합재 튜브의 R 값과 형상비에 따라서 굽힘 및 비틀림 특성이 크게 다름을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Fiber reinforced composite materials have outstanding specific strength and specific stiffness. So the use of composite materials increases in various kinds of industrial fields including sports goods such as bicycles. Composite materials are used to make structural parts with various kinds of shape...

주제어

#탄소섬유강화복합재료   #사각 튜브   #형상비   #라운드   #굽힘   #비틀림  

AI 본문요약
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제안 방법

  • 5. 1:2의 비를 갖는 사각 튜브 아홉 종에 대해 형상비와 모서리 값에 따라 굽힘과 비틀림 특성을 비교 분석하였다.
  • EN 시험규격에 의해 자전거 프레임 튜브는 시트 로드와 프론트 로드에 의한 굽힘과 페달 로드에 의한 비틀림이 발생하며 자전거 프레임의 튜브에 대한 기초연구로서 원형 또는 매우 단순한 형태의 사각형 단면을 갖는 복합재 튜브에 대한 3점 굽힘 시험을 통한 굽힘 강도나 비틀림 시험을 통한 비틀림 강도 평가를 수행한 연구가 몇 편 보고된 바 있다[6-9]. 본 연구에서는 사각 튜브가 같은 단면적과 적층 순서를 갖도록 설계 제작하였으며 자전거 프레임에 사용되는 수많은 형상과 크기를 비교할 수는 없기에 기본적으로 사각 튜브 모서리의 곡률반경 R 값 R5, R10, R15의 세 그룹에 가로-세로 형상비가 각각 1:1, 1:1.5. 1:2의 비를 갖는 사각 튜브 아홉 종에 대해 형상비와 모서리 값에 따라 굽힘과 비틀림 특성을 비교 분석하였다.
  • 프리프레그는 튜브 형태의 형틀에 감을 때 10% 겹쳐지도록 크기를 정하였으며, 0도, 90도, ±45도의 각도로 각각 절단하여 [0/90/±45]s의 적층 순서로 형틀에 8층(ply) 적층하였다.

대상 데이터

  • 5와 같이 제작된 비틀림 시험 지그를 설치하여 수행하였다. 사각 형상을 갖는 시험편 한쪽은 볼트로 고정하고 반대편에는 시험편 고정 지그에 베어링을 설치하여 자유로이 회전할 수 있도록 만든 축을 연결하고 시험편 중심에서 끝단 롤러까지 100 mm 거리의 외팔보를 설치하여 시험편의 한쪽을 회전시키며 토크-각도 데이터를 획득하였다.
  • 5, 1:2으로 만들기 위해 Table 2와 같이 각 모서리 R 값에 따라 가로-세로비를 계산하여 최종 크기를 설정하였다. 튜브 제작을 위하여 재료는 UD-CFRP 프리프레그(SK-Chemicals, USN125B series)를 사용하였으며, Table 1에 물성치를 나타내었다. 프리프레그는 튜브 형태의 형틀에 감을 때 10% 겹쳐지도록 크기를 정하였으며, 0도, 90도, ±45도의 각도로 각각 절단하여 [0/90/±45]s의 적층 순서로 형틀에 8층(ply) 적층하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
탄소섬유강화복합재료가 여러 구조물이나 산업 현장에 사용되는 이유는 무엇인가? 탄소섬유강화복합재료는 비강도와 비강성이 우수한 재료로서 기존의 금속재료를 대체하면서 경량화의 이득까지볼 수 있어 여러 구조물이나 산업 현장에 사용되고 있다. 특히 최근들어 복합재료는 자전거와 같은 스포츠 용품 제작에 많이 활용되고 있다.
최근 자전거 프레임의 제작 추세는 과거와 비교해 어떻게 바뀌고 있는가? 특히 최근들어 복합재료는 자전거와 같은 스포츠 용품 제작에 많이 활용되고 있다. 과거에 마그네슘이나 알루미늄으로 제작되던 자전거 프레임은 복합재료를 사용하여 제작 되는 추세로 바뀌고 있으며, 복합재료의 섬유방향과 적층 순서를 달리하여 구조적 안전성을 확보한다[1-5]. EN 시험규격에 의해 자전거 프레임 튜브는 시트 로드와 프론트 로드에 의한 굽힘과 페달 로드에 의한 비틀림이 발생하며 자전거 프레임의 튜브에 대한 기초연구로서 원형 또는 매우 단순한 형태의 사각형 단면을 갖는 복합재 튜브에 대한 3점 굽힘 시험을 통한 굽힘 강도나 비틀림 시험을 통한 비틀림 강도 평가를 수행한 연구가 몇 편 보고된 바 있다[6-9].
본 연구에서 탄소섬유강화복합재료를 사용한 사각 튜브 구조물에서 형상비와 R 값에 따른 굽힘과 비틀림 특성을 실험적으로 평가 분석한 결과는 어떠한가? (1) 비틀림 시험에서 곡률반경이 증가할수록 비틀림 특성이 우수하게 평가되었다. (2) 비틀림 시험에서 같은 R 값을 가질 경우 형상비가 커질수록 비틀림 특성은 감소하였다. (3) 굽힘 시험에서 R 값에 따른 굽힘 특성에는 큰 차이가 없었으며, 형상비가 커짐에 따라서 굽힘 특성이 우수하게 나타났다. (4) 실험결과로부터 비틀림 특성이 크게 요구되는 경우에는 형상비 1과 큰 R 값을 갖는 튜브 설계가 필요하고, 굽힘 특성이 크게 요구되는 경우에는 큰 형상비를 갖도록 튜브를 설계할 필요가 있다. 비틀림과 굽힘 특성이 동시에 요구되는 경우에는 실험결과를 참고하여 적절하게 선택 기준을 마련할 필요가 있다.
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참고문헌 (9)

  1. Deetz, J., "The Use of Wrought Magnesium in Bicycles," JOM Journal of the Minerals, Metals and Materials Society, Vol. 57, No. 5, 2005, pp. 50-53. 

  2. Cicero, S., Lacalle, R., Cicero, R., Fernandez, D. and Mendez, D., "Analysis of the Cracking Causes in An Aluminium Alloy Bike Frame," Engeening Failure Analysis, Vol. 18, 2011, pp. 36-46. 

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  3. Castejon, L., Miravete, A., Ullod, J. and Larrode, E., "Composite Monocoque Frame for a Mountain Bicycle: Testing and Calculation," Applied Composite Materials, Vol. 1, 1994, pp. 247-258. 

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  4. Lizotte, P.L., "Stress Analysis and Fabrication of Composite Monocoque Bicycle Frames," M.S. Thesis, McGill University, 1996. 

  5. Lee, Y.S., Shin, K.H., Cheong, S.K., Choi, U.J., Kim, Y.K., Park, K.R., and Kim, H.S., "Utilization of Finite Element Analysis in Design and Performance Evaluation of CFRP Bicycle Frames," Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers A, Vol. 37, No. 1, 2013, pp. 121-127. 

    원문보기 상세보기 crossref

  6. Lee, S.H., Kim, H.J., Chang, Y.W., and Choi, N.S., "Bending Performances and Collapse Mechanisms of Light-weight Aluminum- GERP Hybrid Square Tube Beams," Journal of the Korean Society for Composite Materials, Vol. 20, No. 3, 2007, pp. 8-16. 

  7. Yang, I.Y., Kim, J.H., and Kim, J.H., "The Characteristics of Flexure Strength and Rigidity in Light-weight CFRP Members," Journal of the Korean Society for Precision Engineering, Vol. 25, No. 11, 2008, pp. 95-99. 

  8. Abu Talib A.R., Ali Aidy, Mohamed A. Badie, Nur Azida Che Lah and Golestaneh A.F., "Developing a Hybrid, Carbon/glass Fiber-reinforced, Epoxy Composite Automotive Drive Shaft," Materials and Design, Vol. 31, 2007, pp. 514-521. 

  9. Jelf, P.M. and Fleck, N.A., "The Failure of Composite Tubes Due to Combined Compression and Torsion," Journal of Materials Science, Vol. 29, 1994, pp. 3080-3084. 

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