[논문]폴리아세탈 소재의 확률론적 변형률-수명선도 평가

장천수; 김철수; 박범규; 김정규

doi:10.3795/ksme-a.2006.30.11.1417

[국내논문] 폴리아세탈 소재의 확률론적 변형률-수명선도 평가
An Evaluation of Probabilistic Strain-Life Curve in Polyacetal 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.30 no.11 = no.254, 2006년, pp.1417 - 1424

장천수 (한양대학교 기계공학과) , 김철수 (한국철도대학 철도차량기계과) , 박범규 (현대.기아자동차 연구개발본부) , 김정규 (한양대학교 기계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In order to evaluate variation of fatigue life of mechanical components including engineering plastics, it is important to estimate probabilistic strain-life curves to accurately define the variation of fatigue characteristics. This paper intends to provide new assessment of P-$\varepsilon$-N (probabilistic strain-life curves) for considering the variation of fatigue characteristics in polyacetal. The fatigue strain controlled tests were conducted under constant 50% humidity and room temperature condition by a universal testing machine at strain ratio, R=0. A practical procedure is introduced to evaluate probabilistic strain-life curves. Three probabilistic distributions were used for generating P-$\varepsilon$-N curves such as normal, 2-parameter and 3-parameter Weibull. In this study, 3-parameter Weibull distribution was found to be most appropriate among assumed distributions when the probability distributions of the fatigue characteristic were examined using chi-square and Kolmogorov-Smirnov test. The more appropriate P-$\varepsilon$-N curves for these materials are generated by the proposed method considering 3-parameter Weibull distribution.

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문제 정의

본 연구에서는 자동차 부품산업에서 많이 사용되는 강도 및 성형안정성이 높은 5종의 폴리아세 탈을 대상으로 이들 재료의 피로특성 변동성을 고려한 P- e- N 선도를 평가하기 위한 기법을 제시하고자 한다.
2mm의 얇 은 판형이므로 피로시험 동안 좌굴(buckling)되기 쉽다. 따라서 본 시험에서는 이를 방지하기 위하여 ASTM D 695-91(이에 따라 I자형 좌굴방지 장 치 (antibuc 니 ing de vice) 를 부착하여 면 외변위를 방 지하면서 수행되었다. 시험은 변형률제어하에 각각의 재료에 대하여 변형률진폭(strain amplitude, ea ) 0.
본 연구에서 EP중에서 5종 폴리아세탈재의 확 률론적 피로특성을 평가하기 위하여 얇은 판재형 시험편으로부터 변형률제어 피로시험을 수행하였 고, 이로부터 P- e - W 선도 평가 기법을 제안 하였다. 이의 결과는 다음과 같다.

제안 방법

EP의 기계적 및 피로특성 평가에 대한 기존연 구들”'"을 살펴보면, Ramsteriner 등的은 인장응력 하에서 플라스틱의 피로균열진전거동을 평가하였 고, Li 등。) 및 Xiaowei 등⑩은 무정형 폴리카본 네이 트(amorphous polycarbonate) °)) 대하여 이의 기계적 특성에 미치는 피로 손상의 영향을 평가 하였다. 국내의 경우, 김충현 등时은 플라스틱 스 퍼기어에 대한 피로강도 및 수명향상에 관한 방법을 제시하였다.
따라서 본 시험에서는 이를 방지하기 위하여 ASTM D 695-91(이에 따라 I자형 좌굴방지 장 치 (antibuc 니 ing de vice) 를 부착하여 면 외변위를 방 지하면서 수행되었다. 시험은 변형률제어하에 각각의 재료에 대하여 변형률진폭(strain amplitude, ea ) 0.75~6%의 영역에서 5단계의 수준을 결정하 고, 피로수명의 변동성을 고려하기 위하여 각 수준 에서 4회에 걸쳐 수행하였다. 변형률 비(strain ratio, R)는 0이고, 실험주파수는 1Hz의 정현파형이다.
(1) 각 5종의 폴리아세탈재에 대한 파손확률 50%에서 6 - 0선도를 평가하였다.
피로시험은 23 ℃ 및 습도 50%에서 1.5톤용 유 압서어보식 피로시험기 (MTS 858 system)를 이용하여 수행하였다. 피로시험편은 두께 3.

대상 데이터

1은 인장 및 피로시험에서 사용할 시험편 형상을 나타낸 것이다. 시험편은 피로강도에 영향을 미치는 웰드라인(weld line)을 제거하기 위해서 1게이트(gate) 사출기로 성형하여 제작하였으며, 성 형조건은 60~80t 금형 온도 및 50~100MIM의 사 출 압력이다. 그리고 성형된 시험편은 ASTM D 638-02 규정牌에 따라 온도 231 및 습도 50%에서 40 시간 동안 시효시킨 후 인장 및 피로시험 에 사용하였다.
Table 6은 파손 확률 P;=\ 및 99%에서 5종의 폴리아세 탈재들의 P—e-TV선도에서 재료상수 를 각각 정리한 것이다. 일례로서, Fig. 6은 F1533 재 및 F1003H재 의 F- e- W선도를 나타낸 것이다. 그림에서 실선은 본 연구에서 제안된 방법의 평가결과이고, 일점쇄선은 WUliams 방법個의 평가 결과이다.

이론/모형

(申”) 예를 들어, ASTM E 739- 91时은 탄성과 소성영역을 각각 구분하여 유의수준(confidence level)에 따른 평가 방법을 제시 하였다. 이 방법은 표본수 및 다양한 유의수준의 선택으로 인하여 정확한 확률분포 특성을 평가할 수 없으므로, Williams 등"分은 경 험적인 방법으로 Owen 의 허용한계치 (Owen tolerance limits, K-factor)“" 를 이용하여 P-e—TV 선도를 평가하였다. 이 방법은 주어진 유의수준과 표본수에 따라 K-계수를 Owen 허 용한계치의 표(K-factor table for Owen tolerance Ur带ts)에서 정하고, 이 값은 탄성 및 소성변형률- 수명선도의 재료상수들에 곱하여 평가한다.
시험편은 피로강도에 영향을 미치는 웰드라인(weld line)을 제거하기 위해서 1게이트(gate) 사출기로 성형하여 제작하였으며, 성 형조건은 60~80t 금형 온도 및 50~100MIM의 사 출 압력이다. 그리고 성형된 시험편은 ASTM D 638-02 규정牌에 따라 온도 231 및 습도 50%에서 40 시간 동안 시효시킨 후 인장 및 피로시험 에 사용하였다.
Table 1은 각 재료에 대한 인장강도 및 연신률 을 정리한 것이다. 인장시험은 ASTM D 638-02 규정'", 에 따라 5mm/min의 변위제어로 수행되었다. 이 표에서 평균 및 표준편차는 각 재료에 대하여 10개의 시험편에서 얻어진 것이다.
한편, 폴리아세탈 수지들의 피로특성에 대한 변동성을 합리적으로 평가하기 위해서는 가정된 확률분포의 적합성에 대한 검증이 필요하다. 이의 검증은 K-S 검정 (Kolmogorov-Smimov test)㈣ 및 X?검 정 (Chi-square test)㈣을 이용하여 평 가할 수 있다. Table 5는 유의수준(significance level) 5%에서 K-S 검정 및 乂2검정의 결과를 정리한 것이다.

성능/효과

(2) 5종 폴리아세탈재에 대한 피로특성의 변동 성 은 K-S 및 乂2검 정 결과로부터 3모수-와이 블 분포에 의한 평가가 가장 적합하였다.

후속연구

* a 그러나 이 소재의 열화 및 피로 특성에 관한 연구는 중분하지 않으므로 이를 사용한 기계류 부 품의 파손 사례가 빈번히 보고되고 있다.6© 따라서 EP을 사용한 기계류 부품의 안정성을 확보하기 위해서는 이 소재의 피로 특성에 대한 체계적 인 연구가 필요하다.
X, 의 표준편차는 피로특성의 변동성을 의미하므로 피 로특성의 변동성이 가장 큰 재료은 F1003H이다. 한편, 폴리아세탈 수지들의 피로특성에 대한 변동성을 합리적으로 평가하기 위해서는 가정된 확률분포의 적합성에 대한 검증이 필요하다. 이의 검증은 K-S 검정 (Kolmogorov-Smimov test)㈣ 및 X?검 정 (Chi-square test)㈣을 이용하여 평 가할 수 있다.

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