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프레임 실험 경과 내용...

벼랑끝2006.03.28 01:59조회 수 2339댓글 16

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안녕하세요 벼랑끝입니다.

프레임 피로해석 실험을 준비하고 있는데, 역시 보통일은 아니군요...
대충하면야 금방 하겠지만, 아무래도 중요한 사안이다 보니, 실험 방법에 대해
계속 고민하고 있습니다.

아마도 실험은 '용접부 바로 옆'과 비용접부위와의 경도 차이, 인장강도차이,
프레임의 탄성한도 측정 및 피로비를 적용하여
탄성한도의 50%정도의 힘을 프레임에 가하여 몇 회 반복에서 프레임의 크랙이
발생하는지...알아보려고 생각중입니다.

이미 학부 논문 프로젝트가 아니군요.
시간은 상당히 걸릴 듯 싶습니다.

참 몇가지 알려드릴것이 있습니다.

강 재료(철, 크로몰리등)은 받는 힘의 두배정도를 받을수 있도록 설계하면,
보통 무한 수명이 됩니다. 일반적으로는 피로를 받지 않게 됩니다.
강의 경우 무한수명의 기준을 백만번의 반복하중을 견디는것으로 설정합니다.
백만번을 견딜수있으면 그 이상의 반복하중에서도 파괴가 잘 일어나지 않는다고
합니다.

하지만 비철금속은 일반적으로 무한수명이란게 없다는군요.
특히 알루미늄 같은경우에는 연성이 크기 때문에 허용응력의 1/5 응력 이하의
작은 힘에서도에서도 계속 미소 변형이 일어난다고 합니다.
그래서 강의 경우 백만번을 기준으로 하지만 알루미늄은 5억회의 반복하중을
기준으로 합니다.
하중이 작아도 반복하중이 계속 가해지면 결국 파괴 되기 때문에, 상당히 큰수인
5억회을 적용합니다.

그리고 용접부 바로 옆이 찢어지는건...사실 당연합니다.
용접이란게 사실 그렇습니다. 용접을 하면 그 주변의 취성이 증가하고,
크랙이 생기기 쉬워집니다. 게다가 언더컷(용접부 끝이 파이는 결함)이
생기기 쉽고, 내부 응력이 생깁니다.
게다가 단면적이 급격히 달라지기 때문에 응력이 집중합니다.
용접부를 매끈하게 갈아내는것은 미관상 목적이 아니라,
용접부의 응력 집중을 피하기 위함입니다.
또한 헤드튜브와 탑튜브간은 자전거에서 가장 취약한 부위입니다.
형태상 모든 응력이 집중합니다.
특히 전방충돌의 경우 앞휠은 뒤쪽으로 밀리고, 핸들은 체중에 의해 앞으로 밀립니다.
이때 탑튜브와 헤드튜브 사이에서 급격한 인장력이 발생합니다.
이 인장력이 응력이 집중하는곳이 바로 용접부 옆입니다.

용접없이 자전거를 만드려는 노력은 이 때문에 생깁니다.

문제는 용접시 모재에 가해진 영향과, 후처리입니다.
용접시 용접사의 실력과 용접조건에 따라 모재에 가해진 악영향의 정도는 다릅니다.
또한 후처리를 통해 내부응력과 모재의 변화를 수정할수 있습니다.
또한 소재 자체의 문제입니다. 소재 자체가 튼튼하면, 구조체 역시 당연하게 튼튼해집니다.

학부생이 주제에 이런 큰 사안에 나서는게 아니라고,
전화를 주시는 분들이 있습니다.
걱정이 되서 전화주시는거라고 생각합니다.

다만 엔지니어가 될 사람으로서, 개연성에 의지 할수는 없다는게 제 생각입니다.
이 실험이 끝까지 진행될수도 있고, 중간에 흐지 부지 될수도 있습니다.
많이 부족해서, 실험이 완전히 끝날지 장담은 못드리겠습니다만,
저로서도 좋은 결과가 나오기를 바랍니다.

그럼 안전라이딩 하세요.


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댓글 16
  • 꼭 그 사안과 개연성을 차치하고래도 그렇게 한 번 쯤 해보시는것도
    관련공부에 많은 도움과 경험이 될것 입니다.
    다만 시간과 여러가지 면에서 소요가 되겠지만,
    또한 학생이기에 가능한것이 아닐까 합니다. 그런 열정에 마음속으로 성원을 보내 드립니다.
  • 처음부터 이런 결과가 올 것으로 예상은 했었습니다만, 글쎄 뭐라고 해야 할지.....단순히 학업의 목적으로 이해하면 편할 것으로 여겨지는군요.

    그러나 님께서 올린,

    ---- 그리고 용접부 바로 옆이 찢어지는건...사실 당연합니다.
    용접이란게 사실 그렇습니다. 용접을 하면 그 주변의 취성이 증가하고,
    크랙이 생기기 쉬워집니다. 게다가 언더컷(용접부 끝이 파이는 결함)이
    생기기 쉽고, 내부 응력이 생깁니다.
    게다가 단면적이 급격히 달라지기 때문에 응력이 집중합니다.
    용접부를 매끈하게 갈아내는것은 미관상 목적이 아니라,
    용접부의 응력 집중을 피하기 위함입니다.
    또한 헤드튜브와 탑튜브간은 자전거에서 가장 취약한 부위입니다.
    형태상 모든 응력이 집중합니다.
    특히 전방충돌의 경우 앞휠은 뒤쪽으로 밀리고, 핸들은 체중에 의해 앞으로 밀립니다.
    이때 탑튜브와 헤드튜브 사이에서 급격한 인장력이 발생합니다.
    이 인장력이 응력이 집중하는곳이 바로 용접부 옆입니다----

    위의 내용이, 현재와 같은 민감한 시점에서 오해의 소지를 줄 우려가 있기에 몇 자 붙입니다. 일반적으로 전방충돌시, 헤드튜브 부위의 용접부위가 완전히 떨어지는 것은 용접 불량입니다. 전방 충돌을 했을 경우, 다운튜브와 탑튜브가 꺾여져야 합니다. 많은 사례를 보더라도 헤드튜브의 용접부위가 떨어지기보다는 튜브가 꺾여짐으로써 라이더를 좀더 안전하게 지켜주고 있습니다.
  • 공학도는 아니지만, 이번 건에 있어서 해당 프레임에 문제가 있는가 없는가를 입증하려면, 이번에 문제가 된 제품일련번호의 프레임 한대와 타사 프레임을 무작위로 추출하여, 두 대의 프레임에 동일한 강도로 계속 인장강도를 높여가면서 어느 것이 먼저 파손되는지를 지켜보면 될 것 같은데 어찌 생각하시는지요.
  • 그런데 더 큰 문제는, 만일 저런 방식으로 실험하여 타사 프레임이 운나쁘게 먼저 파손된다면 회사측에서는 그걸 대대적으로 선전할테고, 우리 생각대로 후지 프레임이 먼저 파손된다 해도, 아무 공신력있는 기관에서 진행된 실험도 아니기에 그것이 증거로 채택되지 않을거라는데 더 큰 문제가 있습니다.
  • 시점이 참 민감한것 같다는 의견에 동의합니다.
  • 벼랑끝님 이야기는 문제 잔차의 용접의 불량과 소재가 좋지 않을 수 있다는
    개연성을 완곡히 돌려서 말하는 것 같아 보이네요.
    열심히 은근히 그러나 서두르지 마시고 정확하게! 연구해주시길 기원합니다
  • 얼마전 동호인도 전방의 경계석을 정면으로 들이 받았는데 용접부위는 멀쩡하고,
    다운튜브와 탑튜브가 접혔습니다.
  • 벼랑끝님께서 글에서 언급하신 용접부 옆부분에 응력이 집중되어 파손되기 쉬워진다는건 맞는말입니다. 일반적인 용접부분은 그와 비슷한 특성을 보입니다.
    잔차의 경우 탑튜브나 다운튜브가 접히는 이유는 보통 경량화를 위해 버티드 처리를 하기 때문입니다. 버티드 처리가 되면 용접부같은 튜브 양쪽 끝부분은 두께가 그대로지만 튜브 중간 부분을 얇게 깎아내게 되므로 강도가 떨어집니다.
    정면충돌시 용접부가 멀쩡하고 탑, 다운튜브가 접히는 이유는 위와같은 버티드 처리로 인해 튜브가 얇게되어있기 때문입니다.
    스트레스로 인한 파손의 경우 용접이 잘 되어있다면 용접부 자체가 떨어지는게 아니라 용접부 옆쪽에 파손이 오는게 맞습니다.
  • 답답하다....정말 답답하다..

    시험 계획서인줄 알았다.....
  • 안녕하세요. 로운입니다.

    피로시험(이게 시편을 한번 걸어놓으면 한두시간에 끝나는 것이 아니라...^^)한다고 실험실 바닥에 스티로폼깔고 그 곳에서 먹고 자던 기억이 나는군요.

    실험이라는 것이 고생의 길입니다만, 실험이 끝난 후에는 벼랑끝님에게 남는 무언가가 있을 것입니다.
  • 실험 하시면서 많이 배우실겁니다
  • 벼랑끝글쓴이
    2006.3.28 14:29 댓글추천 0비추천 0
    frogfinger 님 말씀데로, 버티드처리가 되어있는 프레임같은 경우 갑작스런 충격하중을 받을 경우
    탑튜브와 다운튜브에서 변형이 일어날 수 있습니다.
    하지만 피로파괴의 경우 피로가 누적되는 곳은 헤드튜브 주위가 되는것으로 생각하고 있습니다.
    피로파괴의 경우 인장강도와는 별개로, 취성의 영향이 크기 때문입니다.
    또한 충격하중을 받았을때 다운튜브의 좌굴이 먼저 일어날지, 탑튜브와 헤드튜브간의 파단이
    먼저 일어날지는 버티드의 정도에 따라 다르다고 생각합니다.

    그리고 hjh205 님 리플이라는것은 주제글과는 별개로 서로간의 대화라고 생각합니다.
    기본적인 예의를 지켜주셨으면 합니다.
  • franthro님의 말씀처럼 프레임에 구조적인 문제가 있지 않은 다음에야 다른 로트의 프레임으로
    실험을 한 결과가 어떤 파장을 불러올지 걱정스럽습니다. 개인적으로 부셔진 프레임을 많이
    본 편이지만 그중에는 피로에 의해 파손된 프레임은 하나도 없었습니다.
    이미 버티드 가공을 통해 피로파괴에 대한 내성을 충분히 높혔다고 봅니다.
    10년이 넘은 프레임(비철금속)을 아직도 타고 계시는 분들이 꽤 되는 걸로 압니다.
  • 제가 어려서 들어던 기억이 나는데 60도년에 수입이 되지도 않고 국내 생산만 했지요..
    미아리 고개를 다운힐 하던 아저씨가 도로가 패인곳에서 충격 받고 사망 했는데..
    제작 업체에서 사고 접하고 조사 하니 너무 강한 철을 써서..땡강 하고 프레임이 부러저서 가슴에
    그냥....
    그이후..충격를 받으면 프레임이 휘는 연한 강철로 교체 했다고 합니다.(사실인지 아닌지 모르지만)
  • 논평을 원하십니까....메시지를 주신다면 ...장문의 글을 남기겠습니다
  • 윗분 좀 그러네요.
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