복합재료 _ 판스프링 서스펜션 _ 목표 확인 및 Rolling 방식

차량의 판스프링은 자동차의 서스펜션에 사용되어 충격을 흡수하고 진동을 억제하는 역할을 한다.

합금 강(Alloy steel) 대신 GFRP로도 충분히 가능할 것이라 생각했다.

차량의 서스펜션 예시 사진

 

 

 

우선 하나의 판스프링으로 모터와 프레임을 연결하고 지지할 수 있어야 한다.

기준 중량 1000kg을 4개의 판스프링(모터 하나 당 판스프링 하나)으로 버텨야 한다.

기준 변위량 11mm를 만족하는 판스프링 두께를 설계해야 했다.

ANSYS Workbench 구조해석을 통해 이를 구할 수 있었다.

조교님께서 주신 문제

 

 

 

이 때 중요한 것은 GFRP의 특징인 이방성이다.

방향에 따라 강도가 다른 이 성질을 ANSYS에 구현하는 것이 가장 중요한 요소였다.

Composite이라는 Tool이 있어 사용할 수 있었지만, 우리가 사용하는 fiber의 경우 단일방향 fiber를 교차해서 쌓아 올라가는 방식이 아닌, 이미 직조된 형태의 fiber를 사용한 경우였다.

Tool을 사용할 수 없었지만, x, y 방향의 강도는 같아 이 점을 활용했다.

GFRP 원단, 직조 구조

 

 

 

평면에서는 단순히 방향 별 항복응력 값을 입력하면 끝나는 문제이다.

하지만, 곡면의 경우에는 다르다.

처음 GFRP로 beam을 제작할 때 한 층씩 쌓는 방식이 아닌 rolling으로 시도했다.

제작에도 용이하고 중공축과 비슷하게 비틀림 저항도 크고 무게 대비 높은 강성을 갖을 것이라고 예상했다.

Rolling 방식 개략도 및 제작 결과물

 

 

 

먼저 ANSYS에서 이방성을 적용해야 한다(이 부분이 가장 힘들었다).

모든 면에 대해 방향이 존재하도록 설정하는 것이 쉬운 것이 아니었다.

Mesh 설정 후 각각의 mesh에 좌표계를 지정해주는 아이디어를 활용해서 이방성을 구현할 수 있었다.

평면이 아닌 곡면에서 해석하는 방법을 알게 되었다.

ANSYS, mesh별 좌표계 설정

 

 

 

하지만, 제작 과정이 오히려 더 힘들었고, 결과물도 만족스럽지 못했다.

특히 Rolling 방법으로 제작 시 곡면에서 Epoxy가 균일하지 못하고 표면 박리가 쉽게 발생해 결국 이 방법으로 제작하는 것은 무산되었다.

Rolling 방식의 결과물, 표면박리가 쉽게 생긴다.

 

 

 

하지만, 곡면에서 충분히 해석 가능하다는 것을 알 수 있었다. 이 부분이 아주 큰 수확이었다.

mesh별 자표계를 따로 설정 후 ANSYS 응력해석을 진행