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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 설계 초기단계에서도 정확 하게 고무부품의 수명을 예측할 수 있는 피로수명 평 가방법을 제 안하였다.
제안 방법
- 고무재 료 물성 시험 을 통해 얻어진 재 료상수를 이용하여 Fig. 5(a)에서 보는 바와 같이 자동차 방진고 무부품으로 사용되는 롤 프론트에 대해 10절점 4면 체(Herrmann) 요소를 사용하여 해석을 수행하였다. 작용하중은 상하방향으로-12mm에서+16mm의 변 위를 주었다.
- 고무재료 물성시험 결과를 이용하여 얻어진 재 료상수를 이용하여 Fig. 4(a)와 같이 고무시 편에 대해 유한요소 해석프로그램 인 MRAC을 이용하여 해석을 수행하였다. 모델은 10절점 4면체(Herrmann) 요소를 사용하였으며 Fig.
- 모델은 10절점 4면체(Herrmann) 요소를 사용하였으며 Fig. 4(b)와 같이 변위 와 변형 률과의 관계를 구하였다고무와 같이 대 변형이 발생하는 재료의 유한요소 해석에서는 일반 공칭변 형률보다 그린-라그랑지(Green-Lagrange) 변형률이 많이 사용되므로 시편의 유한요소해석 결과로부터 G-L 변형률을 구하였다.
- 1) 설계 초기 단계에서 비교적 정확하게 고무부품의 피:로수명을 예측할 수 있는 방법을 제안하였다.
- 2) 신율과 인장강도에 대한 아레니우스 관계식을 이용하여 고무재료의 노화수명을 예측하였다.
- 4) 최대 인장변위가 피로수명을 잘 표현할 수 있었 으며 최대 Green-Lagrange 변 형 률을 피 로손상 변 수로 하여 피로수명 예측 식을 도출하였다. 예측 된 피로수명은실제 수명과오차범위 2배 이내에서 비교적 정확하게 예측됨을 확인할 수 있었다
- Table 1 에서와 같이 방진고무부품에 사용되는 천 연고무에 대해 상온 및 노화상태에서 물성시험을 수행하여 Fig. 2에서와 같이 경도, 신율, 인장강도 및 응력-변형률 등을 파악 하였다.
- 고무부품의 피로수명을평가하기 위해 2.5톤 유 압식 피로 시험기를 이용하여 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 상온에서 정현파의 파형을 3Hz로 부가하여'변위제어로 하였으며 인장변위는 10.
- 물성시험을 통해 얻어진 응력-변형률 데이터를 이용하여 Mooney-Rivlin과 Ogden 3항의 재료상수 를 구하였다.
- 5톤 유 압식 피로 시험기를 이용하여 피로시험을 수행하였다. 피로시험은 상온에서 정현파의 파형을 3Hz로 부가하여'변위제어로 하였으며 인장변위는 10.75 ~ 17mm로 하였다. 피로시험에서 하중변화는 초기 약 1,000 싸이클 동안은 초기 연화현상에 의해 하중이 감소하였으며 대부분의 수명 에서 안정 화 상태를 유 지하다가 균열발생 및 진전으로 인하여 하중이 감 소하면서 파손되는 양상을 나타내었다.
대상 데이터
- 고무부품의 피로수명을 예측하기 위해서는 동일한 고무재료에 대한 피로수명선도가 있어야 한다. 본 연구에서는 고무재료의 내구수명을 평가하기 위하여 피로하중에 의한 최대변형률을 재현할 수 있는 Fig. 6과 같은 3차원 덤벨형 피로시편을 이용하였다.8)
성능/효과
- 3) 유한요소해석을통해 고무시편 및 부품에 대한최대 변형률 파악하였으며 고무부품의 특성시험을 통해 해석 과 시험 결과가 일치 함을 알 수 있었다.
- 고무시편의 피로수명에 끼치는 영향을 검토하고 적절한 피로 손상변수를 규명하기 위해 최대변위, 진폭, 평균변위 등을 변화하면서 피로시험을 수행 하였다 Fig. 7에서와 같이 동일한 진폭에서 평균변 위가 클수록 피로수명은 감소하였으며, 또한 경도 가 높고 진폭이 증가할수록 피로수명은 감소함을 알 수 있었다.
- 11에 나타내었다. 그림에서와 같이 예측된 피로수명은 실제 수 명과 오차범위2배 이내에서 비교적 정확하게 예측 됨을 확인할 수 있었다.
- 8에서와 같이 최대 인장변위와 피로수명 과의 관계선도를 나타내면 인장변위가 클수록 피 로수명은 감소함을 알 수 있다. 따라서 최대 인장 변위를 피로손상 변수로 하면 시험조건에 상관없이 하나의 피로수명 선도로 표현할 수 있었다.
- 여러가지 시험조건에서 얻어진 시험결과를 이용하여 Fig. 8에서와 같이 최대 인장변위와 피로수명 과의 관계선도를 나타내면 인장변위가 클수록 피 로수명은 감소함을 알 수 있다. 따라서 최대 인장 변위를 피로손상 변수로 하면 시험조건에 상관없이 하나의 피로수명 선도로 표현할 수 있었다.
- 11에 나타내었다. 그림에서와 같이 예측된 피로수명은 실제 수 명과 오차범위2배 이내에서 비교적 정확하게 예측 됨을 확인할 수 있었다.
- 제안된 피로수명 예측 및 평가절차에 따라 방진 고무 부품의 피로 시험결과와 예측수명은 오차범위 2배 이내에서 비교적 정확하게 예측되어 본 연구에서 제안한 피로수명 예측의 타당성을 검증하였다.
후속연구
- 본 연구를 통해 개발된 고무부품 피로수명 예측 방법을 활용하면 신뢰성 확보에 어려움을 겪어왔던 고무부품의 수명평가 및 기술향상에 크게 기여할 것으로 사료된다.
- 본 연구를 통해 개발된 고무부품에 대한 피로수 명 예측방법을 활용하면 형상 및 노치의 영향 등은 고려되지 않았지만 설계 초기단계에서 부품에 대한 피로시 험을 하지 않고도 수명을 예측할 수 있어 개발에 소요되는 시간과 경비를 절약할 수 있으며, 고 무부품의 품질고도화 및 신뢰성을 달성할 수 있을 것이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.