KR20200014102A - 하이브리드 튜브 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 유압실린더의 실린더 튜브와 같은 기존의 금속 튜브 형태를 경량화하기 위해, 금속 튜브의 외주면에 복합재료 층이 형성되는 하이브리드 튜브를 제조함에 있어서, 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 하이브리드 튜브 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
이를 위해, 금속 튜브 및, 경량화를 위해 상기 금속 튜브의 외주면에 형성되는 복합재료 층을 포함하여 이루어지는 하이브리드 튜브의 제조방법은, (a) 상기 하이브리드 튜브의 제1 외경(OD1), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 상기 금속 튜브의 재질 및 탄성계수(E)를 설정하는 단계; (b) 상기 제1 외경(OD1) 이하 범위에서 상기 금속 튜브 두께값에 대한 모집단을 선정하고, 선정된 모집단과 상기 길이(L)로 세장비를 산출하여 상기 모집단의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계; (c) 상기 결정된 방법으로 상기 모집단에 대한 임계 좌굴하중(PC)과 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2)들 중에서 상기 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 단계; 및, (d) 상기 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 상기 모집단 내의 금속 튜브 두께값들 중 상기 하이브리드 튜브를 경량화할 수 있는 금속 튜브의 두께를 최적 두께로 하여 상기 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

하이브리드 튜브 및 그 제조방법{Hybrid tube and manufacturing method thereof}
본 발명은 하이브리드 튜브 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 기존의 실린더 튜브 등과 같은 관체의 경량화를 위해, 금속 튜브의 외주면에 플라스틱 복합재료 층을 형성하여 이루어지는 하이브리드 튜브의 제조방법에서, 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 하이브리드 튜브 제조방법 및 이로 제조되는 하이브리드 튜브에 관한 것이다.
유압실린더는 건설기계 및 고소차 등의 핵심부품으로, 최근 경량화된 유압실린더의 개발의 필요성이 대두되고 있다.
즉 유압실린더의 무게를 30% 감소시키면 건설기계 및 고소차 등의 총장비 무게를 6~15% 감소시킬 수 있게 되는데, 이는 장비 운용에 있어 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 결과를 구현할 수 있게 됨으로써 경량화된 유압실린더의 개발이 주목을 받고 있는 추세이다.
이러한 유압실린더의 경량화를 위해 실린더 튜브 및 로드의 전체 또는 일부분을 고강도 고탄성의 경량 구조재로 주목받고 있는 첨단 플라스틱 복합재료인 탄소섬유강화플라스틱(CFRP; Carbon Fiber Reinforced Plastic)으로 형성하고 있다.
특히 관체 형태의 실린더 튜브의 경우 필라멘트 와인딩 기법으로 외주면에 CFRP층을 형성하여 금속소재와 CFRP가 혼합된 하이브리드 타입 튜브로 제조하여 경량화를 구현하고 있는 추세이다.
그러나 하이브리드 타입 튜브를 제조함에 있어서 목표로 하는 좌굴 하중을 만족하면서 경량화를 이루기 위해서는 금속과 CFRP의 적절한 비율을 산정하여 제조해야 하는데, 이와 같은 비율을 산정하는 방법에 대한 연구 개발이 미진한 실정이다.
따라서 경량화된 유압실린더의 개발에 기여할 수 있도록 하이브리드 타입 튜브의 이종 재질 간의 최적 비율을 제시할 수 있는 기술의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 등록특허공보 제10-1041448호 "반송 샤프트 및 반송 샤프트의 제조방법" (등록일자: 2011.06.08)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 유압실린더의 실린더 튜브와 같은 기존의 금속 튜브 형태를 경량화하기 위해, 금속 튜브의 외주면에 복합재료 층이 형성되는 하이브리드 튜브를 제조함에 있어서, 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 하이브리드 튜브 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
이와 함께 본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 더욱 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하이브리드 튜브 제조방법에 따르면, 금속 튜브 및, 경량화를 위해 상기 금속 튜브의 외주면에 형성되는 복합재료 층을 포함하여 이루어지는 하이브리드 튜브의 제조방법은, (a) 상기 하이브리드 튜브의 제1 외경(OD1), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 상기 금속 튜브의 재질 및 탄성계수(E)를 설정하는 단계; (b) 상기 제1 외경(OD1) 이하 범위에서 상기 금속 튜브 두께값에 대한 모집단을 선정하고, 선정된 모집단과 상기 길이(L)로 세장비를 산출하여 상기 모집단의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계; (c) 상기 결정된 방법으로 상기 모집단에 대한 임계 좌굴하중(PC)과 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2)들 중에서 상기 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 단계; 및, (d) 상기 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 상기 모집단 내의 금속 튜브 두께값들 중 상기 하이브리드 튜브를 경량화할 수 있는 금속 튜브의 두께를 최적 두께로 하여 상기 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이와 함께 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계에서 금속 튜브 두께값에 대한 모집단은 상기 제1 외경(OD1) 이하 범위의 제2 외경(OD2)값들 중 어느 하나를 금속 외경(ODm)값을 선택하고, 상기 선택된 금속 외경(ODm)값 이하 범위의 값들을 금속 내경(ID)값으로 하여, 상기 금속 외경(ODm)값 다수가 선정되고, 선정된 각각의 금속 외경(ODm)값에 대한 금속 내경(ID)값들로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 상기 (b) 단계에서 금속 튜브의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법은, 산출된 세장비에 따라 랜킨의 방법(Rankine's method) 또는 오일러의 방법(Euler's method) 중 어느 하나의 방법이 적용되는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 또 다른 본 발명의 하이브리드 튜브 제조방법에 따르면, 금속 튜브 및, 경량화를 위해 상기 금속 튜브의 외주면에 형성되는 복합재료 층을 포함하여 이루어지는 하이브리드 튜브의 제조방법은, (a) 상기 하이브리드 튜브의 제1 외경(OD1), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 상기 금속 튜브의 재질, 탄성계수(E) 및 내경(IDm)을 설정하는 단계; (b) 상기 제1 외경(OD1) 이하 범위의 제2 외경(OD2)값들, 내경(IDm) 및 상기 길이(L)로, 세장비를 산출하여 상기 금속 튜브의 내경(IDm)과 제2 외경(OD2)값 각각에 대한 금속 튜브의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계; (c) 상기 결정된 방법과 금속 튜브의 내경(IDm) 및 제2 외경(OD2)값 각각에 대한 임계 좌굴하중(PC)과 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2)들 중에서 상기 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 금속 튜브의 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 단계; 및, (d) 상기 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 제2 외경(OD2) 값을 금속 튜브의 외경(ODm)으로 하여 상기 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
또한 본 발명에 따른 하이브리드 튜브는 상술된 방법들 중 어느 하나의 방법으로 제조되는 것을 특징으로 한다.
상술된 바와 같이 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과를 기대할 수 있을 것이다.
하이브리드 튜브를 제조함에 있어 목표로 하는 좌굴 하중을 만족하면서 경량화를 구현할 수 있는 이종 재질 간의 최적 비율을 도출할 수 있게 됨에 따라, 금속재질의 튜브류 및 이 튜브류와 더불어 관련된 장치의 경량화에 기여할 수 있는 이점이 있다.
이와 함께 본 발명의 다른 효과는 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.
도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 튜브를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 튜브 제조방법을 순서도로 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예에 대한 모집단을 표로 나타낸 도면이다.
도 4 및 도 5는 제1 실시예 모집단의 금속 외경(ODm)값을 49mm 및 46mm로 선정하고 각각에 대한 금속 내경(ID)값들로 산출된 데이터를 표로 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 제1 실시예에 따른 결과를 표로 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시예에 대한 모집단을 표로 나타낸 도면이다.
도 8 내지 도 12는 제2 실시예 모집단의 금속 외경(ODm)값을 61mm, 58mm, 55mm, 52mm 및 49mm로 선정하고, 각각에 대한 금속 내경(ID)값들로 산출된 데이터를 표로 나타낸 도면이다.
도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 결과를 표로 나타낸 도면이다.
도 14는 본 발명의 제3 실시예에 따른 설정값으로 산출된 데이터를 표로 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 제4 실시예에 따른 설정값으로 산출된 데이터를 표로 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 제5 실시예에 따른 설정값으로 산출된 데이터를 표로 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 제6 실시예에 따른 설정값으로 산출된 데이터를 표로 나타낸 도면이다.
도 18은 본 발명의 제3 실시예 내지 제6 실시예에 따른 결과를 표로 나타낸 도면이다.
도 19는 참고용으로 하이브리드 환봉과 금속 환봉 및 CFRP 튜브의 좌굴 시험 후 상태를 나타낸 사진이다.
도 20은 참고용으로 하이브리드 환봉과 금속 환봉 및 CFRP 튜브의 좌굴 시험 결과를 표로 나타낸 그림이다.
도 21은 도 20의 결과값을 그래프로 나타낸 그림이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하고자 한다. 설명에 앞서 본 발명의 이점 및 특징 및 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그리고 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것으로 본 발명을 제한하고자 하는 것이 아니며, 이러한 용어 중 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하는 것이고, 설명 상에 방향을 지칭하는 단어는 설명의 이해를 돕기 위한 것으로 시점에 따라 변경 가능함을 주지하는 바이다.
본 발명은 유압실린더의 실린더 튜브와 같은 기존의 금속 튜브 형태를 경량화하기 위해, 금속 튜브의 외주면에 복합재료 층이 형성되는 하이브리드 튜브를 제조함에 있어서, 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 하이브리드 튜브 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 본 발명에 따라 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출함에 있어 복합재료 층의 물성치 및 좌굴에 대항하는 강도 대한 수치는 참고용으로 금속 환봉과 복합재료 층으로 이루어진 하이브리드 로드의 좌굴 실험의 결과에 의한 데이터로만 제시하며, 특별한 언급이 없는 한 무게 및 길이의 단위는 Kg 및 mm임을 한번 더 주지하는 바이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 튜브(100)은 금속 튜브(200)의 외주면에 복합재료 층(300)이 형성되어 있으며, 하이브리드 튜브(100)의 두께(OD1-IDm)는 금속 튜브(200)의 두께(ODm-IDm) 및 복합재료 층(300)의 두께(OD1-ODm)를 포함한다.
이와 함께 상술된 도면과 더불어 도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 튜브(100)의 금속 튜브(200)과 복합재료 층(300)의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 제조방법은 (a),(b),(c) 및 (d)단계를 포함하여 이루어진다.
우선 하이브리드 튜브(100)의 설정 외경인 제1 외경(OD1), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 금속 튜브(200)의 재질, 탄성계수(E) 및 밀도 등의 물성치를 설정하는 (a)단계가 수행된다.
이와 같은 (a) 단계에서는 목표로 하는 하이브리드 튜브(100) 및 금속 튜브(200)의 제원을 설정하여 최적비율의 복합재료 층(300)을 도출하기 위한 데이터를 산정하는 단계이다.
다음으로 도 3에 도시된 바와 같이, 제1 외경(OD1) 이하 범위에서 금속 튜브(200) 두께값에 대한 모집단을 선정하고, 선정된 모집단과 길이(L)로 세장비(λ, Slenderness)를 산출하여 모집단의 임계 좌굴하중(PC)를 산출하기 위한 방법을 결정하는 (b)단계가 수행된다.
이러한 금속 튜브 두께값에 대한 모집단은 제1 외경(OD1) 이하 범위의 제2 외경(OD2)값들 중 어느 하나를 금속 외경(ODm)값을 선택하고, 선택된 금속 외경(ODm)값 이하 범위의 값들을 금속 내경(ID)값으로 하여, 먼저 금속 외경(ODm)값 다수가 선정되고, 선정된 각각의 금속 외경(ODm)값에 대한 금속 내경(ID)값들로 이루어지는 것이 바로 모집단이다.
여기에서 제2 외경(OD2)은 제1 외경(OD1) 이하 범위의 값들로 제1 외경(OD1)이 70mm인 경우 70mm 이하의 모든 길이값이 대상이 될 수 있다. 그리고 금속 외경(ODm)값은 제2 외경(OD2) 70mm 이하의 모든 길이값 중 선택되는 값으로 예들 들어 61mm, 58mm, 55mm, 52mm, 49mm 및 46mm를 선정했다면 이들이 바로 금속 외경(ODm)값이 되는 것이다. 또한 금속 내경(ID)값들은 금속 외경(ODm)값 이하 범위의 값으로, 예를 들어 선정된 금속 외경(ODm)값 중 61mm의 금속 내경(ID)값들은 61mm 이하의 모든 길이값이 대상이 될 수 있으며, 46mm의 금속 내경(ID)값들은 46mm 이하의 모든 길이값이 대상이 될 수 있다.
이와 같은 (b)단계에서는 길이(L), 금속 외경(ODm)값들 및 금속 내경(ID)값들을 토대로 아래의 수학식 1을 통해 세장비(λ)를 산출하고, 산출된 세장비(λ)의 값에 따라 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계이다.
즉 (b)단계는 산출된 세장비(λ)의 값이 수학식 2의 범위에 해당되는 경우 수학식 4와 같은 랜킨의 방법(Rankine's method)으로 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하고, 산출된 세장비(λ)의 값이 수학식 3의 범위에 해당되는 경우 수학식 5와 같은 오일러의 방법(Euler's method)으로 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계이다.
Figure pat00001
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
Figure pat00005
이어서 도 4 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 결정된 임계 좌굴하중(PC) 산출 방법 및 모집단에서 선정된 금속 외경(ODm)값들 및 금속 내경(ID)값들로, 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2) 중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 금속 튜브(200)의 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 (c)단계가 수행된다.
이러한 제2 안전계수(SF2)는 길이(L)과 모집단에서 선정된 금속 외경(ODm)값들 및 금속 내경(ID)값들로 산출된 값이며, 제3 안전계수(SF2)는 산출된 제2 안전계수(SF2) 중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 값이다.
여기에서 산출된 세장비(λ)의 값이 오일러의 방법이 적용되어야 하는 범위에 속하여 오일러의 방법으로 임계 좌굴하중(PC)을 산출할 경우 금속 내경(ID)값들이 점진적으로 줄어드는 과정에서 세장비(λ)의 값이 랜킨의 방법이 적용되어야 하는 범위에 속하게 될 수 있다. 이와 같은 경우 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)의 값들과 랜킨의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)의 값들은 하이브리드 튜브의 구조적인 경계조건에서 서로 다른 구조로 되어 있는 것이므로 상호 간의 값이 유기적으로 연결될 수 없다.
따라서 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)이 점진적으로 금속 내경(ID)값이 줄어들어 랜킨의 방법으로 임계 좌굴하중(PC)이 산출된다면, 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC) 값과 상호 분리하여 해석되어야 할 것이다.
마지막으로 도 6에 도시된 바와 같이, 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 모집단에서 선정된 금속 튜브 두께값[금속 외경(ODm)값들 및 금속 내경(ID)값들] 중 하이브리드 튜브(100)를 경량화할 수 있는 두께로 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 (d)단계가 수행된다.
이러한 (d) 단계에서는 전술한 바와 같이 본 발명은 복합재료 층(300)의 물성치 및 좌굴에 대항하는 강도 대한 수치는 감안하지 않은 채로 경량화를 위한 금속 튜브(200)와 복합재료 층(300)을 산출하기 위한 것이므로, 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 외경(ODm)값 및 금속 내경(IDm)값으로 제1 안전계수(SF1)를 만족하는 금속 튜브의 두께(Tm)를 도출할 수 있게 된다.
따라서 제1 안전계수(SF1)를 만족하는 금속 튜브의 두께(Tm)로 복합재료 층(300)의 두께(Tc)를 아래의 수학식 6으로 산출할 수 있으며, 산출된 복합재료 층(300)의 두께(T)로 하이브리드 튜브(100) 대비 복합재료 층(300)의 최적 비율을 아래의 수학식 7로 산출할 수 있게 되는 것이다.
Figure pat00006
Figure pat00007
이하에서는 상술된 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 통해 본 발명 따른 하이브리드 튜브 제조방법의 이해를 돕고자 한다.
제1 실시예
제1 실시예에서는 하이브리드 튜브의 길이(L): 1500mm, 외경(OD1): 65mm, 설정 적용하중(F): 10,000kgf, 단말계수(n): 1(pinned-pinned) 및 설정 안전계수(SF1): 2로 설정된다.
그리고 금속 튜브의 재질: SM45C, 탄성계수(E): 21,000kgf/mm2 및 밀도: 7.85kgf/mm2로 설정된다.
도 3 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 설정값으로 제1 실시예에서는 금속 외경(ODm)값을 61mm, 58mm, 55mm, 52mm, 49mm 및 46mm로 선정하고, 각각의 금속 외경(ODm)값에 대한 금속 내경(ID)값을 40mm이하 짝수값으로 선정하였다.
선정된 금속 외경(ODm)값 및 금속 내경(ID)값으로 세장비(λ)를 산출한 이후 오일러 방법으로 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수를 산출해본 결과, 금속 외경(ODm)값이 49mm일때 금속 내경(ID)값 34mm에서 제2 안전계수(SF2)가 2.002로 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접했으며, 금속 외경(ODm)값이 46mm일때 금속 내경(ID)값 14mm에서 제2 안전계수(SF2)가 2.007로 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접함을 알 수 있었다.
상기한 내용과 도 6에 도시된 바와 같이, 금속 튜브의 외경이 49mm이면 금속 튜브의 내경이 34mm가 되었을 때 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접하였으므로 금속 튜브의 두께(Tm)는 7.5mm가 되며 복합재료 층의 두께(Tc)는 8mm가 되고 복합재료 층의 비율은 전체 하이브리드 튜브에서 51.61%(0.5161)가 된다. 그리고 금속 튜브(100)의 무게는 11.5kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 3.4kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 14.9kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm 이고 내경이 34mm인 금속 튜브의 무게는 28.3kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 13.4kg을 경량화할 수 있게 된다.
아울러 금속 튜브의 외경이 46mm이면 금속 튜브의 내경이 14mm가 되었을 때 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접하였으므로 금속 튜브의 두께(Tm)는 16mm가 되며 복합재료 층의 두께(Tc)는 9.5mm가 되고 복합재료 층의 비율은 전체 하이브리드 튜브에서 37.25%(0.3725)가 된다. 그리고 금속 튜브(100)의 무게는 17.8kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 3.9kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 21.7kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 14mm인 금속 튜브의 무게는 37.3kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 15.6kg을 경량화할 수 있게 된다.
종합하면 제1 실시예에 따른 하이브리드 튜브 경량화의 기준을 총 무게의 감소에 둔다면 금속 튜브의 외경이 46mm이고 금속 튜브의 내경이 14mm인 경우가 복합재료 층(100)과 금속 튜브(200)의 최적비율을 도출할 수 있게 되는 것이며, 그렇지 않고 경량화의 기준을 하이브리드 튜브의 비율로 둔다면 금속 튜브의 외경이 49mm이고 금속 튜브의 내경이 34mm인 경우가 복합재료 층(100)과 금속 튜브(200)의 최적비율을 도출할 수 있게 되는 것이므로, 경량화의 기준에 따라 하이브리드 튜브에서 복합재료 층과 금속 튜브의 두께가 변할 수도 있음을 알 수 있다.
제2 실시예
제2 실시예에서는 하이브리드 튜브의 길이(L): 700mm, 외경(OD1): 65mm, 설정 적용하중(F): 10,000kgf, 단말계수(n): 1(pinned-pinned) 및 설정 안전계수(SF1): 2로 설정된다.
그리고 금속 튜브의 재질: SM45C, 탄성계수(E): 21,000kgf/mm2 및 밀도: 7.85kgf/mm2로 설정된다.
도 7 내지 도 12에 도시된 바와 같이, 상기와 같은 설정값으로 제2 실시예에서는 금속 외경(ODm)값을 61mm, 58mm, 55mm, 52mm 및 49mm로 선정하고, 각각의 금속 외경(ODm)값에 대한 금속 내경(ID)값을 60mm이하 5의 배수로 선정하였다.
선정된 금속 외경(ODm)값 및 금속 내경(ID)값으로 세장비(λ)를 산출한 이후 랜킨의 방법(랜킨의 방법에서 압축강도(σc): 49kgf/mm2 및 실험정수(a): 0.0002 이다.)으로 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수를 산출해본 결과, 금속 외경(ODm)값이 61mm일때 금속 내경(ID)값 55mm에서 제2 안전계수(SF2)가 2.173로 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접했다.
또한 금속 외경(ODm)값이 58mm일때 금속 내경(ID)값 52mm에서 제2 안전계수(SF2)가 2.018로 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접함을 알 수 있었다.
또한 금속 외경(ODm)값이 55mm일때 금속 내경(ID)값 48mm에서 제2 안전계수(SF2)가 2.144로 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접함을 알 수 있었다.
또한 금속 외경(ODm)값이 52mm일때 금속 내경(ID)값 44mm에서 제2 안전계수(SF2)가 2.209로 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접함을 알 수 있었다.
또한 금속 외경(ODm)값이 49mm일때 금속 내경(ID)값 41mm에서 제2 안전계수(SF2)가 2.002로 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접함을 알 수 있었다.
상기한 내용과 도 13에 도시된 바와 같이, 금속 튜브의 외경이 61mm이면 금속 튜브의 내경이 55mm가 되었을 때 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접하였으므로 금속 튜브의 두께(Tm)는 3.0mm가 되며 복합재료 층의 두께(Tc)는 2.0mm가 되고 복합재료 층의 비율은 전체 하이브리드 튜브에서 40.00%(0.4000)가 된다. 그리고 금속 튜브(100)의 무게는 3.0kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 0.4kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 3.4kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm 이고 내경이 55mm인 금속 튜브의 무게는 5.2kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 1.8kg을 경량화할 수 있게 된다.
또한 금속 튜브의 외경이 58mm이면 금속 튜브의 내경이 52mm가 되었을 때 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접하였으므로 금속 튜브의 두께(Tm)는 3.0mm가 되며 복합재료 층의 두께(Tc)는 3.5mm가 되고 복합재료 층의 비율은 전체 하이브리드 튜브에서 53.85%(0.5385)가 된다. 그리고 금속 튜브(100)의 무게는 2.8kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 0.8kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 3.6kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 52mm인 금속 튜브의 무게는 6.6kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 3.0kg을 경량화할 수 있게 된다.
또한 금속 튜브의 외경이 55mm이면 금속 튜브의 내경이 48mm가 되었을 때 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접하였으므로 금속 튜브의 두께(Tm)는 3.5mm가 되며 복합재료 층의 두께(Tc)는 5.0mm가 되고 복합재료 층의 비율은 전체 하이브리드 튜브에서 58.82%(0.5882)가 된다. 그리고 금속 튜브(100)의 무게는 3.1kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 1.1kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 4.2kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 48mm인 금속 튜브의 무게는 8.3kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 4.1kg을 경량화할 수 있게 된다.
또한 금속 튜브의 외경이 52mm이면 금속 튜브의 내경이 44mm가 되었을 때 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접하였으므로 금속 튜브의 두께(Tm)는 4.0mm가 되며 복합재료 층의 두께(Tc)는 6.5mm가 되고 복합재료 층의 비율은 전체 하이브리드 튜브에서 61.90%(0.6190)가 된다. 그리고 금속 튜브(100)의 무게는 3.3kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 1.3kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 4.6kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 44mm인 금속 튜브의 무게는 9.9kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 5.3kg을 경량화할 수 있게 된다.
또한 금속 튜브의 외경이 49mm이면 금속 튜브의 내경이 41mm가 되었을 때 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접하였으므로 금속 튜브의 두께(Tm)는 4.0mm가 되며 복합재료 층의 두께(Tc)는 8.0mm가 되고 복합재료 층의 비율은 전체 하이브리드 튜브에서 66.67%(0.6667)가 된다. 그리고 금속 튜브(100)의 무게는 3.1kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 1.6kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 4.7kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 41mm인 금속 튜브의 무게는 11.0kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 6.3kg을 경량화할 수 있게 된다.
종합하면 제2 실시예에 따른 하이브리드 튜브 경량화의 기준을 총 무게의 감소에 둔다면 금속 튜브의 외경이 49mm이고 금속 튜브의 내경이 41mm인 경우가 복합재료 층(100)과 금속 튜브(200)의 최적비율을 도출할 수 있게 되는 것이며, 아울러 경량화의 기준을 하이브리드 튜브의 비율로 둔다 하더라도 금속 튜브의 외경이 49mm이고 금속 튜브의 내경이 41mm인 경우가 복합재료 층(100)과 금속 튜브(200)의 최적비율을 도출할 수 있게 된다.
한편, 상기한 제1 실시예 및 제2 실시예에서는 금속 튜브의 내외경을 변수로 두어 금속 튜브의 두께 및 복합재료 층의 두께를 산출하였다. 이하에서는 금속 튜브의 내경을 미리 설정하여 금속 튜브의 외경만을 변수로 두고 금속 튜브의 두께 및 복합재료 층의 두께를 산출하여 이들의 최적비율을 도출하고자 한다.
도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 하이브리드 튜브(100)은 금속 튜브(200)의 외주면에 복합재료 층(300)이 형성되어 있으며, 하이브리드 튜브(100)의 두께(OD1-IDm)는 금속 튜브(200)의 두께(ODm-IDm) 및 복합재료 층(300)의 두께(OD1-ODm)를 포함한다.
이와 함께 상술된 도면과 더불어 도 2에 도시된 바와 같이, 하이브리드 튜브(100)의 금속 튜브(200)과 복합재료 층(300)의 최적 비율을 도출하는 단계를 포함하는 제조방법은 상기 하이브리드 튜브(100)의 설정 외경인 제1 외경(OD1), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 설정 안전계수인 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 금속 튜브(200)의 내경(IDm), 재질, 탄성계수(E) 및 밀도 등의 물성치를 설정하는 (a) 단계가 수행된다.
이와 같은 (a) 단계에서는 목표로 하는 하이브리드 튜브(100) 및 금속 튜브(200)의 제원을 설정하여 최적비율의 복합재료 층(300)을 도출하기 위한 데이터를 산정하는 단계이다.
다음으로 제1 외경(OD1) 이하 범위의 제2 외경(OD2)값들 및 길이(L)로, 세장비(λ)를 산출하여 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 (b) 단계가 수행된다. 여기에서 제2 외경(OD2)은 제1 외경(OD1) 이하 범위의 값들로 제1 외경(OD1)이 65mm인 경우 65mm이하의 모든 길이값이 대상이 될 수 있다.
이러한 (b) 단계에서는 길이(L) 및 제2 외경(OD2)값 각각을 아래의 수학식 1을 통해 세장비(λ)를 산출하고, 산출된 세장비(λ)의 값에 따라 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계이다.
즉, 산출된 세장비(λ)의 값이 수학식 2의 범위에 해당되는 경우 수학식 4와 같은 랜킨의 방법(Rankine's method)으로 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하고, 산출된 세장비(λ)의 값이 수학식 3의 범위에 해당되는 경우 수학식 5와 같은 오일러의 방법(Euler's method)으로 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계이다.
이어서 결정된 임계 좌굴하중(PC) 산출 방법 및 제2 외경(OD2)값들 각각으로, 금속 튜브(200)의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2) 중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 금속 튜브(200)의 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 (c) 단계가 수행된다. 여기에서 제2 안전계수(SF2)는 길이(L)과 제2 외경(OD2) 값 각각에 대해 산출된 값이며, 제3 안전계수(SF2)는 산출된 제2 안전계수(SF2) 중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 값이다.
여기에서 산출된 세장비(λ)의 값이 오일러의 방법이 적용되어야 하는 범위에 속하여 오일러의 방법으로 임계 좌굴하중(PC)을 산출할 경우 제2 외경(OD2) 값들이 점진적으로 줄어드는 과정에서 세장비(λ)의 값이 랜킨의 방법이 적용되어야 하는 범위에 속하게 될 수 있다. 이와 같은 경우 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)의 값들과 랜킨의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)의 값들은 하이브리드 튜브의 구조적인 경계조건에서 서로 다른 구조로 되어 있는 것이므로 상호 간의 값이 유기적으로 연결될 수 없다.
따라서 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC)이 점진적으로 제2 외경(OD2)값이 줄어들어 랜킨의 방법으로 임계 좌굴하중(PC)이 산출된다면, 오일러의 방법으로 산출된 임계 좌굴하중(PC) 값과 상호 분리하여 해석되어야 할 것이다.
마지막으로, 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 제2 외경(OD2)을 금속 튜브의 외경(ODm)으로 하여 경량화를 위한 금속 튜브(200)와 복합재료 층(300)의 최적 비율을 도출하는 (d) 단계가 수행된다.
이러한 (d) 단계에서는 전술한 바와 같이 본 발명은 복합재료 층(300)의 물성치 및 좌굴에 대항하는 강도 대한 수치는 감안하지 않은 채로 경량화를 위한 금속 튜브(200)와 복합재료 층(300)을 산출하기 위한 것이므로, 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 제2 외경(OD2)이 제1 안전계수(SF1)를 만족하는 금속 튜브(200)의 외경(ODm)이 된다.
따라서 금속 튜브(200)의 외경(ODm)으로 복합재료 층(300)의 두께(T)를 위의 수학식 6으로 산출할 수 있으며, 산출된 복합재료 층(300)의 두께(Tc)로 하이브리드 튜브(100) 대비 복합재료 층(300)의 최적 비율을 위의 수학식 7로 산출할 수 있게 되는 것이다.
이하에서는 바람직한 실시예들을 통해 본 발명 따른 하이브리드 튜브 제조방법의 이해를 돕고자 한다.
제3 실시예
제3 실시예에서는 하이브리드 튜브의 길이(L): 1500mm, 외경(OD1): 65mm, 설정 적용하중(F): 10,000kgf, 단말계수(n): 1(pinned-pinned) 및 설정 안전계수(SF1): 2로 설정된다.
그리고 금속 튜브의 내경(IDm): 10mm, 재질: SM45C, 탄성계수(E): 21,000kgf/mm2 및 밀도: 7.85kgf/mm2로 설정된다.
도 14 및 도 18에 도시된 바와 같이, 제2 직경(OD2) 값들로 각각의 세장비(λ)를 산출한 이후 오일러의 방법으로 금속 튜브의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출해본 결과, 제2 안전계수(SF2)중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제2 안전계수(SF2)는 2.020이며, 이 2.020 값이 제3 안전계수(SF3)가 되는 것이다. 그리고 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 튜브의 외경(ODm)은 46mm가 된다. 이에 따라서 최적화된 복합재료 층의 두께(T)는 9.5mm가 되며 하이브리드 튜브에서 복합재료 층의 비율은 34.55%(0.3455)가 되는 것이다.
그리고 금속 튜브(100)의 무게는 18.6kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 4.0kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 22.6kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 10mm인 금속 튜브의 무게는 38.1kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 15.5kg을 경량화할 수 있게 된다.
제4 실시예
제4 실시예에서는 하이브리드 튜브의 길이(L): 1500mm, 외경(OD1): 65mm, 설정 적용하중(F): 10,000kgf, 단말계수(n): 1(pinned-pinned) 및 설정 안전계수(SF1): 2로 설정된다.
그리고 금속 튜브의 내경(IDm): 25mm, 재질: SM45C, 탄성계수(E): 21,000kgf/mm2 및 밀도: 7.85kgf/mm2로 설정된다.
도 15 및 도 18에 도시된 바와 같이, 제2 직경(OD2) 값들로 각각의 세장비(λ)를 산출한 이후 오일러의 방법으로 금속 튜브의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출해본 결과, 제2 안전계수(SF2)중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제2 안전계수(SF2)는 2.030이며, 이 2.030 값이 제3 안전계수(SF3)가 되는 것이다. 그리고 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 튜브의 외경(ODm)은 47mm가 된다. 이에 따라서 최적화된 복합재료 층의 두께(T)는 9.0mm가 되며 하이브리드 튜브에서 복합재료 층의 비율은 45.00%(0.4500)가 되는 것이다.
그리고 금속 튜브(100)의 무게는 14.6kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 3.8kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 18.4kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 25mm인 금속 튜브의 무게는 33.3kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 14.9kg을 경량화할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 제3 실시예 및 제4 실시예에 따른 하이브리드 튜브 경량화의 기준을 총 무게의 감소에 둔다면 제3 실시예 금속 튜브의 외경이 46mm이고 금속 튜브의 내경이 10mm인 경우가 복합재료 층(100)과 금속 튜브(200)의 최적비율을 도출할 수 있게 되는 것이며, 이와 달리 경량화의 기준을 하이브리드 튜브의 비율로 둔다면 제4 실시예 금속 튜브의 외경이 47mm이고 금속 튜브의 내경이 25mm인 경우가 복합재료 층(100)과 금속 튜브(200)의 최적비율을 도출할 수 있게 된다.
제5 실시예
제5 실시예에서는 하이브리드 튜브의 길이(L): 700mm, 외경(OD1): 65mm, 설정 적용하중(F): 10,000kgf, 단말계수(n): 1(pinned-pinned) 및 설정 안전계수(SF1): 2로 설정된다.
그리고 금속 튜브의 내경(IDm): 10mm, 재질: SM45C, 탄성계수(E): 21,000kgf/mm2 및 밀도: 7.85kgf/mm2로 설정된다.
도 16 및 도 18에 도시된 바와 같이, 제2 직경(OD2) 값들로 각각의 세장비(λ)를 산출한 이후 랜킨의 방법(랜킨의 방법에서 압축강도(σc): 49kgf/mm2 및 실험정수(a): 0.0002 이다.)으로 금속 튜브의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출해본 결과, 제2 안전계수(SF2)중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제2 안전계수(SF2)는 2.168이며, 이 2.168 값이 제3 안전계수(SF3)가 되는 것이다. 그리고 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 튜브의 외경(ODm)은 36mm가 된다. 이에 따라서 최적화된 복합재료 층의 두께(T)는 14.5mm가 되며 하이브리드 튜브에서 복합재료 층의 비율은 52.73%(0.5273)가 되는 것이다.
그리고 금속 튜브(100)의 무게는 5.2kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 2.6kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 7.8kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 10mm인 금속 튜브의 무게는 17.8kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 10.0kg을 경량화할 수 있게 된다.
제6 실시예
제6 실시예에서는 하이브리드 튜브의 길이(L): 700mm, 외경(OD1): 65mm, 설정 적용하중(F): 10,000kgf, 단말계수(n): 1(pined-pined) 및 설정 안전계수(SF1): 2로 설정된다.
그리고 금속 튜브의 내경(IDm): 25mm, 재질: SM45C, 탄성계수(E): 21,000kgf/mm2 및 밀도: 7.85kgf/mm2로 설정된다.
도 17 및 도 18에 도시된 바와 같이, 제2 직경(OD2) 값들로 각각의 세장비(λ)를 산출한 이후 랜킨의 방법(랜킨의 방법에서 압축강도(σc): 49kgf/mm2 및 실험정수(a): 0.0002 이다.)으로 금속 튜브의 임계 좌굴하중(PC) 및 제2 안전계수(SF2)를 산출해본 결과, 제2 안전계수(SF2)중에서 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제2 안전계수(SF2)는 2.201이며, 이 2.201 값이 제3 안전계수(SF3)가 되는 것이다. 그리고 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 금속 튜브의 외경(ODm)은 40mm가 된다. 이에 따라서 최적화된 복합재료 층의 두께(T)는 12.5mm가 되며 하이브리드 튜브에서 복합재료 층의 비율은 62.50%(0.6250)가 되는 것이다.
그리고 금속 튜브(100)의 무게는 4.2kg으로 산출되고 복합재료 층(100)의 무게는 복합재료가 CFRP라고 가정할 시 2.3kg으로 산출되며 하이브리드 튜브 무게는 6.5kg으로 산출된다. 여기에서 하이브리드 튜브가 아닌 외경이 65mm이고 내경이 25mm인 금속 튜브의 무게는 15.5kg으로 산출됨에 따라 본 발명에 따른 하이브리드 튜브로 제작하게 되면 9kg을 경량화할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 제5 실시예 및 제6 실시예에 따른 하이브리드 튜브 경량화의 기준을 총 무게의 감소에 둔다면 제5 실시예 금속 튜브의 외경이 36mm이고 금속 튜브의 내경이 10mm인 경우가 복합재료 층(100)과 금속 튜브(200)의 최적비율을 도출할 수 있게 되는 것이며, 이와 달리 경량화의 기준을 하이브리드 튜브의 비율로 둔다면 제6 실시예 금속 튜브의 외경이 40mm이고 금속 튜브의 내경이 25mm인 경우가 복합재료 층(100)과 금속 튜브(200)의 최적비율을 도출할 수 있게 된다.
다음으로 본 발명에 따라 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출함에 있어 복합재료 층의 물성치 및 좌굴에 대항하는 강도 대한 수치는 참고용으로 금속 환봉과 복합재료 층으로 이루어진 하이브리드 로드의 좌굴 실험의 결과에 의한 데이터를 제시하고자 한다.
도 19 내지 도 21에 도시된 바와 같이, 하이브리드 환봉을 유압실린더의 로드에 적용시켜 다른 금속재질의 로드 및 CFRP 튜브와 함께 좌굴 시험을 진행한 결과를 살펴보면 다음과 같다.
본 좌굴 시험은 2018년 6월 21일부터 22일까지 2일간 명지대학교에서 상기 각 로드의 압축 시험을 통하여 좌굴 강도를 측정하였다.
도 20에 도시된 바와 같이 시험 결과로 본 발명에 따른 하이브리드 환봉(#3)의 경우 금속 로드(#1)보다 상대적으로 금속의 비율이 줄었음에도 CFRP 층에 의하여 기존의 재료와 비슷한 수준의 실제 시험값(#1: 96.7, #3: 90.4)을 보여 CFRP 층이 경량화에 기여하면서도 충분한 강도를 하이브리드 환봉에 제공한다는 것을 실험적으로 증명하였다.
그리고 CFRP TUBE(#4) 단독의 실험값(19.1)과 하이브리드 환봉(#3)에서 금속 환봉의 계산값(45.5)의 합보다 실제 하이브리 환봉(#3)의 좌굴 강도가 높은 값을 보임으로써 본 발명에 따라 하이브리드 환봉을 제조할 경우 기존 금속재질의 환봉과 동등한 수준의 좌굴 강도 확보가 가능할 것으로 예상된다.
이상의 설명은 본 발명의 기술적 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 그리고 상술한 바와 같이 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 하이브리드 튜브
200: 금속 튜브
300: 복합재료 층

Claims (5)

  1. 금속 튜브 및, 경량화를 위해 상기 금속 튜브의 외주면에 형성되는 복합재료 층을 포함하여 이루어지는 하이브리드 튜브의 제조방법은,
    (a) 상기 하이브리드 튜브의 제1 외경(OD1), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 상기 금속 튜브의 재질 및 탄성계수(E)를 설정하는 단계;
    (b) 상기 제1 외경(OD1) 이하 범위에서 상기 금속 튜브 두께값에 대한 모집단을 선정하고, 선정된 모집단과 상기 길이(L)로 세장비를 산출하여 상기 모집단의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계;
    (c) 상기 결정된 방법으로 상기 모집단에 대한 임계 좌굴하중(PC)과 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2)들 중에서 상기 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 단계; 및,
    (d) 상기 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 상기 모집단 내의 금속 튜브 두께값들 중 상기 하이브리드 튜브를 경량화할 수 있는 금속 튜브의 두께를 최적 두께로 하여 상기 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 튜브 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 금속 튜브 두께값에 대한 모집단은,
    상기 제1 외경(OD1) 이하 범위의 제2 외경(OD2)값들 중 어느 하나를 금속 외경(ODm)값을 선택하고,
    상기 선택된 금속 외경(ODm)값 이하 범위의 값들을 금속 내경(ID)값으로 하여,
    상기 금속 외경(ODm)값 다수가 선정되고, 선정된 각각의 금속 외경(ODm)값에 대한 금속 내경(ID)값들로 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 튜브 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 금속 튜브의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법은,
    산출된 세장비에 따라 랜킨의 방법(Rankine's method) 또는 오일러의 방법(Euler's method) 중 어느 하나의 방법이 적용되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 튜브 제조방법.
  4. 금속 튜브 및, 경량화를 위해 상기 금속 튜브의 외주면에 형성되는 복합재료 층을 포함하여 이루어지는 하이브리드 튜브의 제조방법은,
    (a) 상기 하이브리드 튜브의 제1 외경(OD1), 길이(L), 설정 좌굴하중(F), 단말계수(n) 및 제1 안전계수(SF1)를 설정하고, 상기 금속 튜브의 재질, 탄성계수(E) 및 내경(IDm)을 설정하는 단계;
    (b) 상기 제1 외경(OD1) 이하 범위의 제2 외경(OD2)값들, 내경(IDm) 및 상기 길이(L)로, 세장비를 산출하여 상기 금속 튜브의 내경(IDm)과 제2 외경(OD2)값 각각에 대한 금속 튜브의 임계 좌굴하중(PC)을 산출하기 위한 방법을 결정하는 단계;
    (c) 상기 결정된 방법과 금속 튜브의 내경(IDm) 및 제2 외경(OD2)값 각각에 대한 임계 좌굴하중(PC)과 제2 안전계수(SF2)를 산출하고, 산출된 제2 안전계수(SF2)들 중에서 상기 제1 안전계수(SF1)에 가장 근접되는 금속 튜브의 제3 안전계수(SF3)를 산출하는 단계; 및,
    (d) 상기 제3 안전계수(SF3)에 대응되는 제2 외경(OD2) 값을 금속 튜브의 외경(ODm)으로 하여 상기 금속 튜브와 복합재료 층의 최적 비율을 도출하는 단계;
    를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 하이브리드 튜브 제조방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 하이브리드 튜브 제조방법에 의해 제조되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 튜브.
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