안녕하세요. 로운입니다.
지난 주말에 인터넷을 다니던 중, Extralite 홈페이지에서 UL2라는 스템을 FEM(Finite Element Method: 유한요소법) 해석한 사진을 보고 궁금증이 생겨서 제가 비슷하게 모델링하고 해석을 해 보았습니다.
제가 사용한 프로그램은 Catia라는 프로그램으로서 연구자들에게는 그 결과값을 인정받지는 못하지만 전체적인 모양새 및 어느 정도 오차 범위 안에서는 믿을 만한 값을 도출한다고 여겨지는 프로그램입니다. 실제로는 이 프로그램이 모델링부터 해석까지 간단하게 끝낼 수 있어서 선택을 하였고 더 실질적으로는 그 날 집에 모델링부터 해석까지 가능한 프로그램이 이것밖에 없었습니다.
스템의 각 부분은 아래와 같습니다. <이 부분은 http://blog.naver.com/sejinc 에서 발췌하였습니다.>
* A(Length): Handle Stem의 길이는 전체 길이가 아니고 A 부분, 즉 양쪽 축의 중심간의 거리이다. 신장과 체형을 고려하여 적당한 길이의 Handle Stem을 선택한다.
* B(Degree): 체형에 따라 원하는 각도의 스템을 고를 수 있다. 각도에 따라 핸들바의 높이가 달라지며 상체를 숙이는 정도, 공기저항 등에 영향을 미친다. 종류로는 수평(0°), 5°, 10°, 15° 등 여러가지가 있으며 스템을 뒤집어서 달면 마이너스 각도로도 사용할 수 있다(원래 - 각도로 나오는 제품도 있다). 특히 경기용자전거에서 공기저항을 줄이기 위해 상체를 많이 숙일 수 있는 마이너스 각도로 스템을 설정하는 경우가 종종 있다.
* C(Height): 포크(MTB의 앞샥)의 스티어러튜브(Steerer Tube)를 조이는 부분이다. 새 포크는 스티어러튜브가 너무 길기 때문에 파이프컷터(Pipe Cutter)를 사용하여 적당한 길이로 잘라 사용하는데, 너무 짧을 경우 C 부분이 충분히 물지 못해 포크를 사용할 수 없게 되고, 길이에 여유가 있는 경우 스페이스링으로 높이를 올린다. C가 조이는 최소한의 스티어러 튜브 길이는 C의 위쪽 나사위치 이상, C 길이의 80% 이상 등을 권장한다. 2/3 이상을 권장하는 경우도 있는데 가벼운 도로주행 정도에서는 가능하지만 험한 산악주행에서는 위험할 수 있다.
* D(Face Plate Width): 핸들바를 조이는 부분의 길이
* E(Shaft Diameter): 스티어러 튜브의 지름. 대부분의 MTB에서는 28.6mm(1,1/8"=1.125") 이고 일부 경기용자전거에서 1"(25.4mm), 캐논데일MTB나 다운힐MTB 일부는 1.5"를 사용한다.
* F(Clamp diameter): MTB는 보통 25.4mm(1"), 싸이클은 보통 26.0mm를 사용한다. 오버사이즈 핸들바를 사용하는 경우는 MTB와 싸이클 공히 1,1/4"(31.8mm or 31.7mm)를 사용하고 BMX의 경우 22.2mm를 사용하기도 한다. 오버사이즈가 아닌 MTB와 싸이클 핸들바의 경우 핸들바 굵기가 다르기 때문에 핸들스템을 호환해서 사용하면 좋지 않고 카본 핸들바의 경우 부서질 위험이 있으니 가급적 용도에 맞는 핸들스템을 사용해야 한다.
제가 모델링한 스템은 L=100mm, C=37mm, D=37mm를 적용하였습니다. 재료는 알루미늄 7075-T6를 사용하였고 하중은 Extralite의 홈페이지에서 주어진 하중과 같은 값을 사용하였습니다.
아래 사진은 Extralite사에서 CNC가공을 한 UL2를 FEM 해석한 결과입니다.
아래 사진은 제가 모델링하고 해석한 결과입니다. 전체적으로 봤을 때 하중의 형태가 유사하게 나온 것으로 봤을 때 모델링 및 해석에 오차가 적음을 알 수 있습니다. 위의 사진과 조금 오차가 나는 부분은 아마도 스템의 몸통의 두께가 제가 모델링 한 것이 좀 더 두꺼웠던 것 같습니다.
힘이 집중되는 부분을 확해하면 아래 그림과 같습니다.
빨간 색이 힘의 집중이 생기는 곳을 나타냅니다. 즉, 무리한 힘이 가해졌을 때 그 부분이 가장 먼저 깨질 확률이 높다는 얘기지요. 여러분들께서 실험적으로 겪으셨을 때도 저 부분이 많이 부러질 것이라고 생각이 되어집니다. 특히, Extralite의 UL2 제품은 steerer tube를 조이는 부분이 위 그림과 같아서 그 곳에 하중의 집중을 보였습니다만, 그 집중된 하중을 분산하는 트릭을 사용한 것을 보고선 이 제품을 만드는데 무척 신경을 많이 썼다는 것을 알 수 있었습니다.
이 제품을 모델링하면서 Extralite사의 설계 및 CNC제작을 참 잘하는 회사라는 것을 느꼈고 경량화를 추구하면서도 제품의 성능 및 안전성을 극대로 올리는 설계를 하는 것에 대해 다시한번 감탄을 하였습니다.
UL2와 비교해 보고자 제가 재료, 스펙 및 하중 등 모든 조건은 동일하지만, 원기둥 세개를 용접으로 붙여서 만드는 공정으로 모델링을 한 후 해석 해 보았습니다. 단, 실제로는 용접을 하면 용접한 부분은 용접하지 않은 부분과 재료의 성질이 틀려지지만 여기서는 같다는 조건으로 해석을 하였습니다.
이 그림에서 최대 집중하중값은 CNC로 가공한 UL2의 경우는 5.7e+8이고 세 원기둥을 용접 조립한 stem의 경우는 1.18e+9을 보임으로서, 같은 하중을 주었을 때, CNC로 가공한 경우의 stem에서 하중의 집중이 상대적으로 적음을 알 수 있습니다.
두가지를 비교해 봄으로서, 제가 사용한 해석 프로그램이 신뢰할 수 있는 프로그램이 아니지만, 이 정도 값의 차이가 나는 것으로 봐서 확실히 가공 형태 및 방법에 따라서 제품의 강도차가 나는 것으로 사료가 됩니다. 즉, 설계가 틀려지고 그 설계에 따라서 집중 하중의 차이가 나므로 결과적으로는 내구성에도 영향을 미칠 것으로 생각되어집니다.
아쉬웠던 점은 정확한 치수가 없어서 제 눈대중으로 했습니다. 그래서 자전거 부품 중 가장 간단해 보이는 스템의 해석을 시도했는데 생각보다 많은 시간이 걸렸습니다. 앞으로는 시간이 날 때, 버니어 캘리퍼스를 들고 모델링과 해석을 시도해 볼 생각입니다.
지난 주말에 인터넷을 다니던 중, Extralite 홈페이지에서 UL2라는 스템을 FEM(Finite Element Method: 유한요소법) 해석한 사진을 보고 궁금증이 생겨서 제가 비슷하게 모델링하고 해석을 해 보았습니다.
제가 사용한 프로그램은 Catia라는 프로그램으로서 연구자들에게는 그 결과값을 인정받지는 못하지만 전체적인 모양새 및 어느 정도 오차 범위 안에서는 믿을 만한 값을 도출한다고 여겨지는 프로그램입니다. 실제로는 이 프로그램이 모델링부터 해석까지 간단하게 끝낼 수 있어서 선택을 하였고 더 실질적으로는 그 날 집에 모델링부터 해석까지 가능한 프로그램이 이것밖에 없었습니다.
스템의 각 부분은 아래와 같습니다. <이 부분은 http://blog.naver.com/sejinc 에서 발췌하였습니다.>
* A(Length): Handle Stem의 길이는 전체 길이가 아니고 A 부분, 즉 양쪽 축의 중심간의 거리이다. 신장과 체형을 고려하여 적당한 길이의 Handle Stem을 선택한다.
* B(Degree): 체형에 따라 원하는 각도의 스템을 고를 수 있다. 각도에 따라 핸들바의 높이가 달라지며 상체를 숙이는 정도, 공기저항 등에 영향을 미친다. 종류로는 수평(0°), 5°, 10°, 15° 등 여러가지가 있으며 스템을 뒤집어서 달면 마이너스 각도로도 사용할 수 있다(원래 - 각도로 나오는 제품도 있다). 특히 경기용자전거에서 공기저항을 줄이기 위해 상체를 많이 숙일 수 있는 마이너스 각도로 스템을 설정하는 경우가 종종 있다.
* C(Height): 포크(MTB의 앞샥)의 스티어러튜브(Steerer Tube)를 조이는 부분이다. 새 포크는 스티어러튜브가 너무 길기 때문에 파이프컷터(Pipe Cutter)를 사용하여 적당한 길이로 잘라 사용하는데, 너무 짧을 경우 C 부분이 충분히 물지 못해 포크를 사용할 수 없게 되고, 길이에 여유가 있는 경우 스페이스링으로 높이를 올린다. C가 조이는 최소한의 스티어러 튜브 길이는 C의 위쪽 나사위치 이상, C 길이의 80% 이상 등을 권장한다. 2/3 이상을 권장하는 경우도 있는데 가벼운 도로주행 정도에서는 가능하지만 험한 산악주행에서는 위험할 수 있다.
* D(Face Plate Width): 핸들바를 조이는 부분의 길이
* E(Shaft Diameter): 스티어러 튜브의 지름. 대부분의 MTB에서는 28.6mm(1,1/8"=1.125") 이고 일부 경기용자전거에서 1"(25.4mm), 캐논데일MTB나 다운힐MTB 일부는 1.5"를 사용한다.
* F(Clamp diameter): MTB는 보통 25.4mm(1"), 싸이클은 보통 26.0mm를 사용한다. 오버사이즈 핸들바를 사용하는 경우는 MTB와 싸이클 공히 1,1/4"(31.8mm or 31.7mm)를 사용하고 BMX의 경우 22.2mm를 사용하기도 한다. 오버사이즈가 아닌 MTB와 싸이클 핸들바의 경우 핸들바 굵기가 다르기 때문에 핸들스템을 호환해서 사용하면 좋지 않고 카본 핸들바의 경우 부서질 위험이 있으니 가급적 용도에 맞는 핸들스템을 사용해야 한다.
제가 모델링한 스템은 L=100mm, C=37mm, D=37mm를 적용하였습니다. 재료는 알루미늄 7075-T6를 사용하였고 하중은 Extralite의 홈페이지에서 주어진 하중과 같은 값을 사용하였습니다.
아래 사진은 Extralite사에서 CNC가공을 한 UL2를 FEM 해석한 결과입니다.
아래 사진은 제가 모델링하고 해석한 결과입니다. 전체적으로 봤을 때 하중의 형태가 유사하게 나온 것으로 봤을 때 모델링 및 해석에 오차가 적음을 알 수 있습니다. 위의 사진과 조금 오차가 나는 부분은 아마도 스템의 몸통의 두께가 제가 모델링 한 것이 좀 더 두꺼웠던 것 같습니다.
힘이 집중되는 부분을 확해하면 아래 그림과 같습니다.
빨간 색이 힘의 집중이 생기는 곳을 나타냅니다. 즉, 무리한 힘이 가해졌을 때 그 부분이 가장 먼저 깨질 확률이 높다는 얘기지요. 여러분들께서 실험적으로 겪으셨을 때도 저 부분이 많이 부러질 것이라고 생각이 되어집니다. 특히, Extralite의 UL2 제품은 steerer tube를 조이는 부분이 위 그림과 같아서 그 곳에 하중의 집중을 보였습니다만, 그 집중된 하중을 분산하는 트릭을 사용한 것을 보고선 이 제품을 만드는데 무척 신경을 많이 썼다는 것을 알 수 있었습니다.
이 제품을 모델링하면서 Extralite사의 설계 및 CNC제작을 참 잘하는 회사라는 것을 느꼈고 경량화를 추구하면서도 제품의 성능 및 안전성을 극대로 올리는 설계를 하는 것에 대해 다시한번 감탄을 하였습니다.
UL2와 비교해 보고자 제가 재료, 스펙 및 하중 등 모든 조건은 동일하지만, 원기둥 세개를 용접으로 붙여서 만드는 공정으로 모델링을 한 후 해석 해 보았습니다. 단, 실제로는 용접을 하면 용접한 부분은 용접하지 않은 부분과 재료의 성질이 틀려지지만 여기서는 같다는 조건으로 해석을 하였습니다.
이 그림에서 최대 집중하중값은 CNC로 가공한 UL2의 경우는 5.7e+8이고 세 원기둥을 용접 조립한 stem의 경우는 1.18e+9을 보임으로서, 같은 하중을 주었을 때, CNC로 가공한 경우의 stem에서 하중의 집중이 상대적으로 적음을 알 수 있습니다.
두가지를 비교해 봄으로서, 제가 사용한 해석 프로그램이 신뢰할 수 있는 프로그램이 아니지만, 이 정도 값의 차이가 나는 것으로 봐서 확실히 가공 형태 및 방법에 따라서 제품의 강도차가 나는 것으로 사료가 됩니다. 즉, 설계가 틀려지고 그 설계에 따라서 집중 하중의 차이가 나므로 결과적으로는 내구성에도 영향을 미칠 것으로 생각되어집니다.
아쉬웠던 점은 정확한 치수가 없어서 제 눈대중으로 했습니다. 그래서 자전거 부품 중 가장 간단해 보이는 스템의 해석을 시도했는데 생각보다 많은 시간이 걸렸습니다. 앞으로는 시간이 날 때, 버니어 캘리퍼스를 들고 모델링과 해석을 시도해 볼 생각입니다.
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