Abstract
With the continuing demand for lightweight bicycles, carbon fiber composite materials have been widely used in manufacturing bicycle frames and components. Unlike general isotropic materials, the structural characteristics of composite materials are strongly influenced by the staking directions and sequences of composite laminates. Thus, to verify the design process of bicycles manufactured using composites, structural analysis is considered essential. In this study, a carbon-fiber-reinforced plastic (CFRP) bicycle frame was designed and its structural behavior was investigated using finite element analysis (FEA). By measuring the failure indices of the fiber and matrix under various stacking sequences and loading conditions, the effect of the stacking condition of composite laminates on the strength of the bicycle structure was examined. In addition, the structural safety of the bicycle frame can be enhanced by reinforcing weak regions prone to failure using additional composite laminates.
최근 경량 자전거에 대한 요구가 지속적으로 증가함에 따라 탄소섬유 복합재료가 자전거 프레임 및 부품 제작에 널리 활용되고 있다. 복합재료는 일반적인 등방성 재료와는 달리 적층판의 방향과 순서에 따라 그 구조적인 특성이 변화하기 때문에 복합재료 자전거의 디자인을 검증하기 위해서는 구조 해석을 수행하는 것이 필수적이다. 본 연구에서는 CFRP 소재를 적용하여 자전거 프레임을 설계하였고, 유한요소해석을 통하여 그 구조적 성능을 분석하였다. 다양한 적층 순서와 하중조건 하에서 섬유와 매트릭스의 파손지수를 측정함으로써 복합재의 적층 조건이 자전거의 구조 강도에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 취약 부분은 추가적인 복합재 적층판을 이용하여 보강함으로써 자전거 프레임의 구조적 안전성을 확보할 수 있었다.
