Weight reduction of a wooden bicycle frame using structure optimization and modern high strength materials

Abstract

The subject of this master's thesis is a study on the weight reduction potential of a bicycle frame made from veneer plywood. The aim is to design a lightweight frame made from plywood boards of constant thickness and layup which withstand the required strength load cases and shows an equal or better driving performance as the reference frame. The starting point of the study is a defined frame made of plywood with aluminum inserts for load introduction, as currently marketed by the company myEsel. Inserts and areas of load introduction are not subject of the weight reduction. A literature study is carried out in order to obtain material parameters for different woods. Missing parameters are supplemented by the values gained through material tests. After defining the necessary load cases, finite element models of the reference frame are created in both Autodesk Nastran In-CAD and Altair Hyperworks Optistruct. Stiffness and strength analyses of these models are carried out and compared to the results of physical tests. The results of these analyses are the reference for the following optimizations. A topology optimization of the core structure is conducted with consideration of different woods. This result is turned into a design proposal which accommodates all necessary manufacturing requirements. Due to the strength, stiffness and manufacturing requirements no weight reduction is possible through the core optimization alone. However, analyses show critical stress concentrations in the reference frame which are significantly reduced in the new design. A prototype of the design proposal consisting of the new core and the reference frame sandwich face layup is produced and tested. In a further step, based on the new core design the sandwich face layup is optimized. Two design proposals, one entirely made of wood and one made of wood and fiber reinforced polymers (FRP), are created using the results of laminate optimizations. The design proposals are then subject to stiffness and strength analyses. The design proposal with core and face made entirely from wood decreases the weight by 8% with comparable stiffness. The wood and FRP hybrid design proposal decreases the weight by 22% with increased stiffness. The developed design proposals are currently manufactured by the industry partner myEsel and scheduled for structural testing in the near future

Das Thema dieser Masterarbeit ist eine Studie zur Gewichtsreduktion eines Fahrradrahmens aus schichtverleimten Furnierhölzern. Ziel ist es, einen aus Plattenmaterial gefertigten Rahmen zu entwickeln, der den Belastungen der geforderten Lastfälle standhält und ein gleiches oder besseres Fahrverhalten wie der Referenzrahmen hat. Ausgangspunkt ist ein aus Plattenmaterial mit Aluminiumeinsätzen zur Lasteinbringung gefertigter Rahmen, wie er im Projektzeitraum von der Firma myEsel vertrieben wurde. Die Aluminiumeinsätze und die Bereiche um die Lasteinbringung sind nicht Teil der Arbeit. Es wird zuerst eine Literaturstudie zum Thema Steifigkeits- und Festigkeitsparameter von Holz durchgeführt. Die dabei gefundenen Parameter werden durch Werte ergänzt, die in Zug- und Biegeversuchen ermittelt werden. Nachdem die nötigen Lastfälle definiert sind, werden mit Autdesk Nastran In-CAD und Altair Hyperworks Optistruct Finite Elemente Modelle des Referenzrahmens aufgebaut. Diese Analysen werden mit den Ergebnissen von Tests am realen Rahmen verglichen und dienen in weiterer Folge als Referenz für die Optimierungen. Die Kernstruktur des Rahmens wird einer Topologieoptimierung unterzogen, wobei unterschiedliche Hölzer in Betracht gezogen werden. Daraus wird ein Designvorschlag erstellt, der die notwendigen Fertigungsbedingungen berücksichtigt. Das Gewicht dieses Rahmens entspricht dem des Referenzrahmens, es werden jedoch kritische Bereiche des Referenzrahmens entlastet. Ein Prototyp dieses Designvorschlages wird produziert und mit den FE-Analysen verglichen. Auf dieser Basis wird eine Optimierung des Plattenaufbaus durchgeführt, wobei zwei Designvorschläge entwickelt werden. Der erste Plattenaufbau besteht komplett aus Holz, der zweite enthält zusätzlich einen Faserkunststoffverbund. Auch diese Designs werden nach Steifigkeits- und Festigkeitskriterien bewerten. Der Designvorschlag aus Holz reduziert das Gewicht um 8% bei vergleichbarer Steifigkeit, der Holz-Faserkunststoffverbund Rahmen reduziert das Gewicht um 22% bei gesteigerter Steifigkeit. Experimentelle Tests an diesen Rahmen stehen noch aus.