재료강도학 자전거 설계

목차

자전거에서 가장 무게를 많이 차지하는 부분
재료의 선정에 따르는 제한
제품의 목적

본문내용

기의 타 재료와 비교했을 때, 알루미늄의 60% 정도밖에 되지 않는 무게에 탄성계수는 스틸보다 10%정도 강하다.
카본프레임의 제작은 카본섬유에 폴리머재료를 이용하여 접착하는 형태를 지니고 있다. 폴리머재료를 추가하면서 연성은 많이 떨어지지만 충분한 강성을 얻을 수 있기 때문에 이러한 형태로 사용이 된다.
다른소재와의 물성치 비교
탄소섬유프레임은 각종 물성치에서 가장 뛰어고 다양한 디자인이 가능하다는 점에서 많은 장점이 있지만 한 가지 모자란 점이 있다.
바로 신장성이다. 휘어지는 성질이 약한만큼 피로가 쌓인 상태에서 충격이 지속적으로 가해지면 따로 거동을 보이지 않고 파괴가 일어나게 된다. 이러한 경우에는 따로 수리나 복구가 불가능하다. 하지만 이런 것을 감수하고라도 워낙에 장점이 많기 때문에 점차 카본소재를 이용한 소재가 늘어나고 있는 추세이다. 하지만 아직까지는 스틸이나 알루미늄에 비하면 고가이나 티타늄보다는 저렴하다는 장점역시 존재한다.
소재들의 비교
※위 그래프는 크로몰리스틸을 기준(100)으로 그려진 그래프이다.
재료의 가공성 평가
가공성을 평가할 때는 여러 가지를 고려할 수 있지만
가공성이 좋은 순대로 나열하면
고장력강, 크로몰리>알루미늄>카본소재>티타늄 순이라 할 수 있다.
카본소재와 티타늄은 가공의 어려움이 비슷한 수준으로 볼 수 있지만 티타늄의 경우는 특히 용접부분에서 많은 숙련도와 정확성이 필요하기 때문에 조금더 어렵다고 판단할 수 있다.
재료의 가격
재료의 가격과 가공하는데 필요한 노동력 등을 종합적으로 고려했을 때 가격이 높은 순대로 나열하면
티타늄>카본>크로몰리>알루미늄>고장력강 순서이다.
티타늄은 기본적으로 티타늄 소재 자체가 아주 비싸고
카본은 제품을 제작하기 위한 몰드 및 엔지니어링 비용이 많이 든다.
크로몰리의 경우 기본적으로 탄소강에 첨가되는 크롬, 몰리브덴 등의 기타 원소들이 고가로 거래되는 경우이기 때문에 알루미늄 프레임보다 가격이 높다.
알루미늄의 경우는 대량생산에 적합한 형태의 산업구조가 이루어져서 상대적으로 비용이 적게 들어간다. 고장력강은 가장 쉽게 구할 수 있는 재료이고 상대적으로 제작비용도 적게 소요되므로 가격이 가장 적게 든다.
최종재료선정
이번 과제에서 가장 크게 집중한 부분은 제품의 경량화와 가격부분이다.
기본적인 제품의 목적이 도심환경에서 근거리 이동을 위한 자전거의 제작이기 때문에 적절한 가벼움과 저렴한 가격을 생각하면 알루미늄 프레임 및 휠을 선택하는 것이 적절하다고 판단이 된다.
휠의 재료는 도로와 만난다는 것을 생각 했을 때도 알루미늄의 겉에 피막이 생기면 더 이상 부식이 진행되지 않는다는 점을 생각하면 무게가 상대적으로 많이 나가는 스틸이나 스테인리스 소재 보다는 알루미늄 휠이 경량화에 적합하다.
따라서 이번 과제에서 자전거의 주요소재로는 알루미늄합금재료(두랄루민 등)가 적합하다.
시중에서 판매중인 알루미늄 프레임 및 알루미늄 휠을 채용한 자전거
재료의 파괴역학적 강도와 재료역학적 강도
1. 설계 개요
이용할 수 있는 비파괴시험의 해상도 한계가 1mm라 가정하라. 이것은 균열을 탐지할 수 있는 길이가 1mm 혹은 그 이상을 의미한다. 여러분은 취성파괴 없이 재료가 균열을 허용하거나 더 작은 균열을 허용하는 것을 설계 탐구할 것이다.
길이 2c=1mm를 갖는 내부 균열에 대하여 를 y축에 막대도표로 작성하라. 항복강도 를 x축에 추가하라.
만일 이면, 재료는 인장으로 파괴가 일어날 것이다. 그리고 만일 이면, 균열의 존재에도 불구하고 재료는 항복할 것이다. 에 다른 기울기 1의 선을 그려라.
선 위의 모든 재료는 항복될 것이고, 선 아래 재료는 파괴될 것이다. 시효 경화된 알루미늄 합금은 선 위에 존재하는가? CFRP는 어떤가?
2. 설계 내용
1) 항복강도와 파괴강도의 선정
그림 1은 파괴인성과 항복강도를 나타낸 도표이다. 를 계산하여 각 재료에 대한 파괴강도와 항복강도를 표로 정리하면 다음과 같다.
재료
(MPa)
(MPa)
재료
(MPa)
(MPa)
Cu
110
883.1693
concrete
1.5
10.09336
Ni
250
2271.007
Stone
10
22.71007
Ti
700
1009.336
Brick
9
37.85011
steels
650
2018.673
PC
65
31.54176
W
600
1514.005
PP
20
31.28943
Cast Iron
300
1009.336
ABS
20
26.49508
Al
110
630.8352
Leather
7
32.29876
Zinc
100
504.6682
Ionomers
15
27.75675
Mg
103
378.5011
PTFE
20
26.74741
Lead
10
227.1007
PS
40
22.71007
Wood
40
176.6339
Epoxies
60
20.18673
CFRP
800
277.5675
P.u
40
7.065355
GFRP
150
328.0343
S.E
4
15.14005
Si3N4
700
151.4005
B.rubber
2.5
2.018673
WC
400
75.70023
r.p.f
1.2
0.252334
B4C
400
50.46682
F.p.f
0.2
1.26167
Al2O3
400
60.56018
Silicon
150
22.71007
Silicaglass
90
18.92506
Sodaglass
30
7.065355
이 때의 항복강도와 파괴강도를 그래프로 나타내면 아래 그래프와 같다.
이 그래프 위에 항복재료와 파괴재료의 구분을 위해, 의 그래프를 그려주면 아래와 같다.
재료에 응력이 가해질 때, 이 선 위의 모든 재료는 항복부터 될 것이고, 선 아래 모든 재료는 파괴부터 일어날 것이다.
3. 설계 결과
재료의 파괴역학적 강도와 재료역학적 강도를 비교하고 외부의 힘에 대해 각각의 재료가 어떠한 반응을 일으키는지 알기 위해, 각 재료의 파괴인성과 항복강도를 이용하여 그래프를 작성한 후, 그에 대해 탐구하였다.
Al의 경우 선 아래에 있으므로, 재료가 버티지 못하는 응력이 주어질 경우, 균열에서부터 파괴가 일어날 것이다.
CFRP의 경우 선 위에 있으므로, 재료가 버티지 못하는 응력이 주어질 경우, 항복 현상이 일어날 것이다.

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재료,   자전거,   자전거 설계