Convergence Study of Motorsports and Technology : Strength Analysis for the Design of CFRP Bucket Seat

모터스포츠와 기술 융합 연구 : CFRP 버킷 시트 설계를 위한 구조강도 해석

Abstract

Engineering and Technology have been influencing a lot in the field of sports. Competitiveness, attributes of sports, have forced not only sports players but sports goods to enhance those performance. Particularly in the field of motorsports, the convergence of sports and technology has long been done to satisfy between performance and safety. In this study, strength analysis was carried with FEM to develop CFRP Laminate(Carbon Fiber Reinforced Plastic Laminate) bucket seat targeted to motorsports and car tuning industries and FIA($F\acute{e}d\acute{e}ration$ Internationale de l'Automobile) regulation was applied to design the racing seat and evaluate its strength. FEM modeling considered the attributes of composites was followed by strength evaluation based on Tsai-Wu failure index were done according to Lay-up sequence and layer numbers. The result showed that the lay-up sequence with stacking angle such as $[0^{\circ}/30^{\circ}/60^{\circ}/90^{\circ}/-30^{\circ}/-60^{\circ}]_4$ with 3mm form core was optimal selection in the field of weight and strength evaluation.

오늘날 공학과 기술은 스포츠 분야에 많은 영향을 미치고 있다. 스포츠의 속성인 경쟁은 스포츠선수 뿐만이 아니라 스포츠용품에 있어서도 보다 높은 성능을 요구하게 된다. 특히 모터스포츠분야는 성능과 안전이라는 측면에서 오래전부터 스포츠와 기술의 융합이 자연스럽게 이루어지고 있다. 본 연구에서는 모터스포츠와 일반 자동차튜닝 시장을 겨냥한 카본 버킷 시트(Bucket seat)의 개발을 위하여 유한요소해석을 통해 구조강도 평가를 시행하였다. FIA($F\acute{e}d\acute{e}ration$ Internationale de l'Automobile)의 규정을 기본 설계와 강도평가에 적용하였으며, 복합소재의 특성을 고려한 유한요소 모델링과 CFRP 라미네이트(Carbon Fiber Reinforced Plastic Laminate)의 적층각도와 적층수에 따른 시트의 강도를 Tsai-Wu Failure index를 구하여 평가하였다. 해석 결과 3mm의 폼코어를 적용한 $[0^{\circ}/30^{\circ}/60^{\circ}/90^{\circ}/-30^{\circ}/-60^{\circ}]_4$인 적층이 다른 실험조합에 비하여 무게와 강도 면에서 만족할 만한 성능을 나타내고 있어 최적 적층으로 선정하였다.

Fig. 1. Design lay-out by FIA regulation

Fig. 2. 3D Design of seat

Fig. 3. Loading condition by FIA regulation

Fig. 4. Meshing and boundary condition

Fig. 5 Tsai-Wu failure index result of CASE6

Fig. 6 Tsai-Wu failure index result of CASE7

Fig. 7. Tsai-Wu failure index result of CASE2*

Fig. 8. Tsai-Wu Falure Index Result of CASE6*

Fig. 9. Tsai-Wu failure index result of CASE13*

Table 1. Laminate material properties

Table 2. Form core material properties

Table 3. Results of stacking sequences without form core

Table 4. Results of stacking sequences with form core