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문제 정의
- 사용하였다. 동강성 입력의 목적은 정확한 물성입력으로 실험결과와 유사한 해석결과를 얻기 위해 사용되었다.
- 본 연구에서는 유한요소해석에서 고무재료의 충격물성을 입력하기 위한 동강성을 측정하고 예측하였다. 동강성을 적용한 해석결과는 시험결과와 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었으며, 아래와 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 충격하중을 받는 고무재료의 동강성을 측정하고 예측하는 방법을 제시하였으며, 실험과 해석결과를 비교하여 측정법의 신뢰성을 검증하였다.
제안 방법
- Figure 9(a)는 동특성 시험결과를 나타낸다. 100 Hz이상의 동강성을 얻기 위해 WLF모델이 적용되었으며, 1 kHz까지의 동강성을 예측하였다. Figure 9(b)는 1 kHz까지 예측된 동강성을 나타낸다.
- 고무의 충격조건에 대한 유한요소 해석이 쉽지 않은 이유는 고무재료의 비선형 특성과 충격조건을 만족시키는 조건이 수반되어야 하기 때문이다.3 고무재료의 동강성 측정과 예측은 충격시험에서 발생되는 펄스 형상으로부터 얻어진 결과를 적용하였으며 동특성 시험으로 얻어진 동강성을 WLF모델을 적용하여 높은 주파수 조건의 동강성을 예측하는 방법을 사용하였다.
- 동특성 시험은 4 Hz부터 100 Hz까지 5, 10, 15, 20, 25℃온도 조건에서 수행되었다. Figure 9(a)는 동특성 시험결과를 나타낸다.
- 동특성 시험이 수행되었다. 동특성 시험조건인 진폭(amplitude) 과 주파수(frequency)는 충격시험에서 발생되는 시간-변위 펄스형상에서 측정된 최대변형량과 충격지속시간을 적용하였다. Table 4는 NR45, NR55, NR65고무재료에 대한 충격펄스 형상에서 얻어진 최대변형량과 충격지속시간을 나타낸다.
- 이러한 문제를 해결하기 위해 범용적인 동특성 시험기를 통해 얻은 결과를 MLF모델에 적용하여 100 Hz이상에서의 동강성을 예측하였다.9 동특성 시험기는 Eplexor 500N(GABO co.
- 정적물성을 고려한 고무의 유한요소해석은 단순인장(uniaxial tension), 순수전단(pure shear), 단순압축(uniaxal compression), 등이축인장 시험(equi-biaxial tension)으로 얻은 Mooney-Rivlin 상수 및 Ogden 상수와 같은 비선형 재료상수를 적용하였다.7 시험에 사용된 변형률 속도는 ASTM D4I2에서 제시하는 50 mm/min를 사용하였다.
- 충격시편 접착부분의 접착제의 영향과 접착물질의 두께는 무시하였으며, 완전한 접착을 가정하여 절점을 공유하는 방법으로 모델을 구성하였다. 축 대칭 조건을 만족시키기 위해 충격자와 시편의 중심면은 축 대칭 조건으로 자유도를 구속하였다. 충격시편의 하단면은 볼트에 의해 로드셀과 완벽하게 결합되는 것을 모사하기 위해 강체요소(RAX2)를 사용하였다.
- 충격 하중을 받는 고무구조물의 유한요소해석에서 고무의 물성은 정적물성과 동적물성을 사용하였다. 동강성 입력의 목적은 정확한 물성입력으로 실험결과와 유사한 해석결과를 얻기 위해 사용되었다.
- 충격자와 충격시편의 접촉부분은 접촉요소를 사용하였으며, 접촉면의 상대운동을 무시하여 마찰계수는 적용하지 않았다. 충격시편 접착부분의 접착제의 영향과 접착물질의 두께는 무시하였으며, 완전한 접착을 가정하여 절점을 공유하는 방법으로 모델을 구성하였다. 축 대칭 조건을 만족시키기 위해 충격자와 시편의 중심면은 축 대칭 조건으로 자유도를 구속하였다.
- RAX2 요소는 2개의 절점으로 하나의 요소를 이루고 있으며, 축 대칭 모델에 적합한 요소이다. 충격시편의 충격하중을 산출하기 위해 RAX2 요소의 기준절점은 6자유도를 구속하였으며, 기준 절점에서 충격하중을 측정하였다. 충격하중은 충격자 모델의 모든 절점에 충격방향으로 충격속도를 부여하였다.
- 계산시간을 단축하기 위해 충격자와 충격시편을 충돌직전의 모습으로 모델링하였으며, 축대칭 4절점 요소를 사용하여 축 대칭 솔리드 모델을 구성하였다. 충격자와 충격시편의 접촉부분은 접촉요소를 사용하였으며, 접촉면의 상대운동을 무시하여 마찰계수는 적용하지 않았다. 충격시편 접착부분의 접착제의 영향과 접착물질의 두께는 무시하였으며, 완전한 접착을 가정하여 절점을 공유하는 방법으로 모델을 구성하였다.
- 충격 펄스로부터 최대충격하중(maximum impact force)과 충격지속시간(time duration)이 측정된다. 충격하중 흡수율은 고무재료가 적층되지 않는 상태의 충격하중을 기준으로 고무재료가 적층된 상태에서 발생되는 최대충격하중의 값을 비율로서 계산하였다. 충격하중 흡수율은 식(1)과 같이 정의된다.
- 충격하중을 받는 고무재료의 동강성 측정을 위해 동특성 시험이 수행되었다. 동특성 시험조건인 진폭(amplitude) 과 주파수(frequency)는 충격시험에서 발생되는 시간-변위 펄스형상에서 측정된 최대변형량과 충격지속시간을 적용하였다.
대상 데이터
- 이러한 문제를 해결하기 위해 범용적인 동특성 시험기를 통해 얻은 결과를 MLF모델에 적용하여 100 Hz이상에서의 동강성을 예측하였다.9 동특성 시험기는 Eplexor 500N(GABO co. Germany)을 사용하였다. Figure 8은 동특성 시험기와 지그에 체결된 시편 형상을 나타낸다.
- 고무경도변화에 따른 충격특성을 분석하기 위해 NR45, NR50, NR55, NR60, NR65의 고무를 사용하였다. Figure 3은 충격실험에 사용된 충격시편의 형상을 보여준다.
- 축 대칭 조건을 만족시키기 위해 충격자와 시편의 중심면은 축 대칭 조건으로 자유도를 구속하였다. 충격시편의 하단면은 볼트에 의해 로드셀과 완벽하게 결합되는 것을 모사하기 위해 강체요소(RAX2)를 사용하였다. RAX2 요소는 2개의 절점으로 하나의 요소를 이루고 있으며, 축 대칭 모델에 적합한 요소이다.
- 6 충격시편은 고무와 알루미늄의 적층구조로 구성되었으며, 고무의 상·하단에 알루미늄 블록이 접착되어 있다. 충격실험에 사용된 고무의 직경은 29 mm, 두께는 13 mm이며, 알루미늄이 포함된 충격시편의 전체 두께는 30 mm이다.
이론/모형
- Figure 7(a)는 유한요소 해석모델을 나타낸다. 계산시간을 단축하기 위해 충격자와 충격시편을 충돌직전의 모습으로 모델링하였으며, 축대칭 4절점 요소를 사용하여 축 대칭 솔리드 모델을 구성하였다. 충격자와 충격시편의 접촉부분은 접촉요소를 사용하였으며, 접촉면의 상대운동을 무시하여 마찰계수는 적용하지 않았다.
- 고무의 충격특성은 비선형 해석에 신뢰성이 있는 상용코드로 알려져 있는 ABAQUS/Explict를 사용하여 분석하였다. 해석모델은 충격실험과 동일한 형상으로 모델링하였다.
성능/효과
- 1) 정적물성시험으로 얻어진 고무재료의 물성을 이용하여 계산된 유한요소해석 결과는 실험결과와 최대 30%이상의 차이가 나타났으나, 동강성을 적용한 해석결과는 실험결과와 5% 이내에서 잘 일치하였다.
- 2) 고무구조물이 충격하중을 받으면 높은 주파수의 파형이 전달되며, 충격 특성을 해석하기 위해서는 WLF모델을 적용하여 얻은 동강성 값을 이용하여야 한다.
- 3) 고무의 경도가 높아질수록 충격흡수율은 선형적으로 감소하는 경향을 보였으며, 충격에너지가 커질수록 충격흡수율은 감소하는 경향을 나타내었다.
- 실험결과가 해석결과보다 높게 나타나는 것을 알 수 있었다. 실험한 충격에너지 범위에서 NR45의 경우 17~21% NR55의 경우 26-29%, NR65의 경우 28~34% 정도로 실험값이 크게 나타남을 알 수 있으며, 이는 유한요소 해석 시에 정적인 물성을 사용한 데에 원인이 있는 것으로 판단된다. 이상으로부터 고무재료의 정적 물성을 적용한 충격해석은 실험결과와 큰 오차가 발생되어 신뢰할 수 없는 결과가 얻어지는 것으로 판명되었으며, 고무재료의 동적 물성 적용에 따른 해석이 필요하게 됨을 알 수 있었다.
- 실험한 충격에너지 범위에서 NR45의 경우 17~21% NR55의 경우 26-29%, NR65의 경우 28~34% 정도로 실험값이 크게 나타남을 알 수 있으며, 이는 유한요소 해석 시에 정적인 물성을 사용한 데에 원인이 있는 것으로 판단된다. 이상으로부터 고무재료의 정적 물성을 적용한 충격해석은 실험결과와 큰 오차가 발생되어 신뢰할 수 없는 결과가 얻어지는 것으로 판명되었으며, 고무재료의 동적 물성 적용에 따른 해석이 필요하게 됨을 알 수 있었다.
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