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문제 정의
- 본 연구에서, 고생산성 경량 탄소복합재 자전거 프레임의 설계와 유한요소 해석을 수행하고 시제품을 제작하였다.
제안 방법
- 12 바텀브라켓에서 측면으로 150 mm 떨어진 위치에서 아래방향으로 1000 N의 힘을 주어 변형량을 해석한다. 경계조건을 Fig.
- 12,13 바텀브라켓에서 측면으로 175 mm, 전방 아래 45° 방향 150 mm에서 수직 아래 방향으로 1200 N의 힘을 가하여 응력을 측정한다.
- 12,13 시트튜브에서 70 mm 떨어진 지점에 하중 1200 N을 수직 아래방향으로 힘을 가하여 응력을 측정한다. 경계조건을 Fig.
- 12,13 헤드튜브에 평행하며 앞 바퀴 축에서 전방으로 1200 N 하중을 가하여 응력을 측정한다. 경계조건을 Fig.
- 4,5 프레임에 적용할 탄소섬유 프리프레그의 적층 방법을 결정하기 위하여 물성시험을 하였다. 탄소섬유 프리프래그의 물성을 인장강도 600 MPa 이상, 굴곡강도 500 MPa 이상으로 설정하였다.
- 격자모양의 Carbon Matrix6 프리프래그와 단방향의 UDT3007 프리프래그를 2가지 방법으로 적층하여 제작하였다. 적층한 탄소섬유 프리프래그의 시편을 제작하여 인장시험 (ASTM D6388)과 굴곡시험 (ASTM D7909)을 실시하였다.
- 본 연구에서 설계하고자 하는 자전거 프레임의 형태는 일반 보급형 자전거의 프레임 디자인을 이용하였다. 금형을 이용한 탄소섬유 프리프래그 (Prepreg)의 압축성형이 가능하도록, 자전거 프레임을 좌우 분할형으로 설계하였다. 좌우 분할형 자전거 프레임을 성형 후, 에폭시 접작체를 이용하여 접합하고자 한다.
- 탄소복합재를 적용한 분할형 자전거 프레임을 설계하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 기존 일반 보급형 자전거 디자인에 대해, 금형을 이용한 탄소섬유 프리프래그의 압축성형이 가능하도록, 좌우 분할형 프레임을 설계하였다. 유한요소 해석을 통하여 분할형 프레임의 응력, 변형량 및 강성을 분석하였다.
- 금형의 특성상 두께가 갑자기 변하는 부분은 성형품의 불량이 발생하기 쉽다. 두께의 급격한 변화를 최소화 하기 위하여 폼 (Form) 형태의 에폭시 수지를 넣었다.
- 본 연구에서 설계하고자 하는 자전거 프레임의 형태는 일반 보급형 자전거의 프레임 디자인을 이용하였다. 금형을 이용한 탄소섬유 프리프래그 (Prepreg)의 압축성형이 가능하도록, 자전거 프레임을 좌우 분할형으로 설계하였다.
- 분할형 자전거 프레임 시제품의 신뢰성 평가를 진행하였다. 시제품의 신뢰성 평가 결과를 Table 5에 나타낸다.
- 프레임 접합면에서 발생한 최대 주응력으로부터 분할형 자전거 프레임의 접합에 사용할 적정 에폭시 접착제를 결정하였다. 분할형 자전거 프레임의 시제품을 제작하였고, 신뢰성 평가를 통하여 분할형 자전거 프레임의 취약부를 발견하였다. 프레임의 취약부을 보강한 후 신뢰성 평가를 진행하여 신뢰성을 확보하였다.
- 확정된 분할형 프레임의 설계로부터 탄소섬유 프리프래그의 압축성형을 위한 몰드를 개발하였다. 소재 선정, 금형 구조 설계, 가공, 조립 및 시제품 제작을 진행하였다. 금형의 특성상 두께가 갑자기 변하는 부분은 성형품의 불량이 발생하기 쉽다.
- 적층방법 1과 2는 모든 시험에서 인장강도와 굴곡강도를 만족하였다. 시험 결과를 바탕으로 적층방법 1과 2를 분할형 자전거 프레임 설계에 적용하였다.
- 기존 일반 보급형 자전거 디자인에 대해, 금형을 이용한 탄소섬유 프리프래그의 압축성형이 가능하도록, 좌우 분할형 프레임을 설계하였다. 유한요소 해석을 통하여 분할형 프레임의 응력, 변형량 및 강성을 분석하였다. 프레임 접합면에서 발생한 최대 주응력으로부터 분할형 자전거 프레임의 접합에 사용할 적정 에폭시 접착제를 결정하였다.
- 프리프래그를 2가지 방법으로 적층하여 제작하였다. 적층한 탄소섬유 프리프래그의 시편을 제작하여 인장시험 (ASTM D6388)과 굴곡시험 (ASTM D7909)을 실시하였다. 시험 결과를 Table 1에 나타낸다.
- 보강한 자전거 프레임을 사용하여 신뢰성 평가를 진행 한 결과 모든 평가 항목을 만족하였다. 제작된 분할형 자전거 프레임 시제품에 상용 부품들을 적용하여 탄소복합재 자전거 완제품을 제작하였다.
- 금형을 이용한 탄소섬유 프리프래그 (Prepreg)의 압축성형이 가능하도록, 자전거 프레임을 좌우 분할형으로 설계하였다. 좌우 분할형 자전거 프레임을 성형 후, 에폭시 접작체를 이용하여 접합하고자 한다. Fig.
- 탄소복합재를 적용한 분할형 자전거 프레임을 설계하기 위하여 유한요소해석을 수행하였다. 기존 일반 보급형 자전거 디자인에 대해, 금형을 이용한 탄소섬유 프리프래그의 압축성형이 가능하도록, 좌우 분할형 프레임을 설계하였다.
- 4,5 프레임에 적용할 탄소섬유 프리프레그의 적층 방법을 결정하기 위하여 물성시험을 하였다. 탄소섬유 프리프래그의 물성을 인장강도 600 MPa 이상, 굴곡강도 500 MPa 이상으로 설정하였다.2
- 유한요소 해석을 통하여 분할형 프레임의 응력, 변형량 및 강성을 분석하였다. 프레임 접합면에서 발생한 최대 주응력으로부터 분할형 자전거 프레임의 접합에 사용할 적정 에폭시 접착제를 결정하였다. 분할형 자전거 프레임의 시제품을 제작하였고, 신뢰성 평가를 통하여 분할형 자전거 프레임의 취약부를 발견하였다.
- 분할형 자전거 프레임의 시제품을 제작하였고, 신뢰성 평가를 통하여 분할형 자전거 프레임의 취약부를 발견하였다. 프레임의 취약부을 보강한 후 신뢰성 평가를 진행하여 신뢰성을 확보하였다. 제작된 분할형 자전거 프레임에 상용 부품을 적용하여 완제품을 제작하였다.
- 확정된 분할형 프레임의 설계로부터 탄소섬유 프리프래그의 압축성형을 위한 몰드를 개발하였다. 소재 선정, 금형 구조 설계, 가공, 조립 및 시제품 제작을 진행하였다.
대상 데이터
- 프레임의 취약부을 보강한 후 신뢰성 평가를 진행하여 신뢰성을 확보하였다. 제작된 분할형 자전거 프레임에 상용 부품을 적용하여 완제품을 제작하였다.
성능/효과
- 9(a)와 같이 시트튜브에 1 mm 두께의 탄소섬유 프리프레그를 보강하였다. 보강한 모델을 사용한 수직 하중시험의 유한요소해석 결과, Fig. 9(c)와 같이 시트튜브는 최대 등가응력 274.6 MPa로 안전율 3.25을 나타내었다.
- 819 MPa을 나타내었다. 보강한 자전거 프레임을 사용하여 신뢰성 평가를 진행 한 결과 모든 평가 항목을 만족하였다. 제작된 분할형 자전거 프레임 시제품에 상용 부품들을 적용하여 탄소복합재 자전거 완제품을 제작하였다.
- 유한요소해석 결과, 프레임에 걸리는 최대 등가응력은 311.02 MPa로 CFRP 인장강도의 34.91%이다. 접합면에서 발생한 최대 인장 주응력은 52.
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