Design of Composite Laminate Bicycle Wheel considering Stacking Sequence

The strength design for the lightweight bicycle wheel made of the Carbon/Epoxy composite laminates has been discussed in this paper. For bicycle wheel design, lightness of the wheel is important. Also, it has to satisfy the required strength under specific loading cases. Two testing methods for the bicycle wheel, i.e. vertical and complex loadings, are adopted in this study. Because the strengths of composite wheel is different in relation to the stacking sequence and the number of plies, it is important to decide an appropriate stacking sequence and number of layers for the composite wheel. From the finite element analysis results, the most stable sequence orientation and number of layers are determined. The stacking sequence $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$ (n=1,2,3,4)are performed for finite element analysis. From results, $[0/{\pm}45/90]_{3s}$ lay-up is a good selection for the composite bicycle wheel. Also, the weakest point and layer are found in this study.

적층각을 고려한 복합재료 라미네이트 자전거 휠의 설계

본 논문에서는 Tsai-Wu 파손이론을 적용하여 Carbon/Epoxy 복합재 적층판으로 이루어진 자전거 휠의 경량화를 위한 적층수와 적층각에 대한 강도설계에 대하여 연구하였다. 복합재료는 적층수와 적층각에 따라 강도와 강성이 변하기 때문에 적용되는 설계 하중 조건에 따른 구조물의 최취약부에서 파손이 일어나지 않도록 최적의 적층각과 최소의 적층수를 찾아야한다. 따라서 유한요소해석을 이용하여 복합재 자전거 휠에 부가되는 수직, 복합하중조건에 대하여 가장 안정적인 적층수 및 적층각을 구하였다. 휠에 적용되는 적층각은 $[0]_{8n}$, $[90]_{8n}$, $[0/90]_{2ns}$, $[{\pm}45]_{2ns}$, $[0/{\pm}45/90]_{ns}$으로 적층수를 변화시켜가며 유한요소해석을 수행하였다. 해석 결과로부터 $[0/{\pm}45/90]_{3s}$의 적층각이 파손에 안정적인 적층각 임을 제안하였다. 또한 이를 통하여 휠의 최취약부를 알 수 있었다.