[논문]비선형 유한요소해석을 이용한 웨더스트립의 특성예측

장왕진; 한창용; 우창수; 이성범

doi:10.3795/ksme-a.2008.32.11.1022

비선형 유한요소해석을 이용한 웨더스트립의 특성예측
Prediction for Weather Strip Using Nonlinear Finite Element Analysis 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.32 no.11 = no.278, 2008년, pp.1022 - 1027

장왕진 (인제대학교 대학원) , 한창용 (인제대학교 대학원) , 우창수 (한국기계연구원 나노역학팀) , 이성범 (인제대학교 고안전차량핵심기술연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

TPE is used as alternative for rubber, the best example is the weather strip for automobile. The nonlinear material properties of weather strip were important to predict the behaviors of weather strip. Uniaxial tension and equi-biaxial tension tests were performed to achieve the nonlinear material constant and stress-strain curves. The nonlinear material constant of weather strip is evaluated by using the nonlinear finite element analysis. In this paper, the prediction for weather strip is analyzed by using commercial finite element program, ANSYS. The nonlinear finite element analysis of weather strip is executed to predict the behavior of weather strip for automobile.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 낮은 성형 에너지 소비, 재활용 가능, 고품질 등의 장점을 바탕으로 산업과 일상생활에 광범위하고, 빠르게 적용되고 있는 TPE 를 이용하여 만들어진 웨더스트립의 유한요소해석을 위해서 기본적인 물성시험을 수행한다. 또한 물성시험으로 얻어진 응력-변형률 데이터를 이용하여 비선형 재료상수를 구하고, 비선형 재료상수에 따른 해석결과를 알아보고 분석하여 특성을 예측하고자 한다.
따라서, 본 논문에서는 낮은 성형 에너지 소비, 재활용 가능, 고품질 등의 장점을 바탕으로 산업과 일상생활에 광범위하고, 빠르게 적용되고 있는 TPE 를 이용하여 만들어진 웨더스트립의 유한요소해석을 위해서 기본적인 물성시험을 수행한다. 또한 물성시험으로 얻어진 응력-변형률 데이터를 이용하여 비선형 재료상수를 구하고, 비선형 재료상수에 따른 해석결과를 알아보고 분석하여 특성을 예측하고자 한다.
본 논문에서는 자동차용 weather strip의 유한요소해석을 수행하여 특성을 예측하고자 하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 자동차의 기능성 제품인 weather strip을 대상으로 유한요소해석을 수행하였다.

제안 방법

Fig. 11은 9 mm 변형했을 때 발생하는 응력변형률 관계를 변형률 범위에 따라 나타내었고, Fig. 12는 3, 6, 9 mm씩 변형을 하였을 때의 Mooney 함수에 대한 응력-변형률을 비교하였다.
구속조건으로는 weather strip의 변화를 보고자 상하를 강체로 설정하였으며, 상단의 강체를 (-)Y 방향으로 2~9 mm까지 1 mm단위로 이동시켜 변형을 가하였다.
이에 따라 본 논문에서는 자동차용 weather strip 의 소재에 대해 단축 인장, 이축 인장 시험을 수행하여 안정화된 응력-변형률 데이터를 획득한 후 유한요소해석에 필요한 비선형 재료상수를 결정하였다.

대상 데이터

(2) 단축 인장, 이축 인장시험을 통하여 비선형 재료상수의 데이터를 획득하였다.

데이터처리

7과 동일한 변형률 구간에서 Ogden 함수로 피팅한 결과이다. 커브피팅은 상용프로그램인 MARC를 통해 이루어졌다.

이론/모형

9(a)와 같고 유한요소해석은 상용 프로그램인 ANSYS를 사용하였으며, Fig. 9(b)와 같이 2차원 평면 변형률모델을 사용하였고 물성은 Mooney 모델과 Ogden 모델을 이용하였다.
단축 인장 시험 및 이축 인장 시험을 통해 얻어진 응력-변형률 데이터는 커브피팅(curve fitting)을 통하여 재료상수를 구하게 된다. Fitting 시 Mooney-Rivlin 함수의 경우 함수의 선형적 특성으로 인하여 최소 자승법을 사용하였으며, Ogden 함수의 경우 비선형 커브 피팅법을 사용하였다.

성능/효과

(1) 자동차용 weather strip의 소재인 TPE의 비선형 재료상수는 필수적인 값으로서 해석결과에 영향을 미치게 된다.
(3) Weather strip의 유한요소해석에서 변형률의 범위에 따른 비선형 재료상수를 다르게 적용하여 응력-변형률 곡선을 획득하였고 해석결과를 비교하였으며, weather strip의 응력-변형률 관계를 예측하기 위해서는 weather strip에 가해지는 변형률 수준에 따라 비선형 재료상수를 다르게 적용해야 함을 알 수 있었다.
그림을 살펴보면 각 변형 단계에서 함수의 특성으로 최소자승법을 사용한 Mooney 함수의 해석 결과 그래프보다 비선형 커브 피팅법을 사용한 Ogden 함수의 해석 결과 그래프가 완만하다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 10%의 변형률 범위에서 얻어진 비선형 재료상수로 해석을 수행한 응력의 값이 20, 30%의 비선형 재료상수로 해석을 수행한 응력 값보다 더 크다는 것을 알 수 있다.
그림을 살펴보면 각 변형 단계에서 함수의 특성으로 최소자승법을 사용한 Mooney 함수의 해석 결과 그래프보다 비선형 커브 피팅법을 사용한 Ogden 함수의 해석 결과 그래프가 완만하다는 것을 확인할 수 있다. 그리고 10%의 변형률 범위에서 얻어진 비선형 재료상수로 해석을 수행한 응력의 값이 20, 30%의 비선형 재료상수로 해석을 수행한 응력 값보다 더 크다는 것을 알 수 있다.

후속연구

(4) Weather strip의 작동 변동 정도에 따른 적절한 재료상수를 정하기 위한 변형률 범위는 weather strip을 이용한 시험을 통하여 차후 변형률의 범위를 정하고자 한다.
8의 Ogden 함수로 나타낸 curve fitting 그래프를 바탕으로 획득한 비선형 재료상수이다. 이렇게 재료물성시험을 통해 구해진 비선형 재료상수들은 weather strip의 유한요소해석에 활용될 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고무의 특성은?	고무는 플라스틱이나 다른 재료와는 다른 여러 가지 특성을 가지고 있지만, 가공하기 위해서는 가황가교(vulcanization)등의 복잡한 공정을 거쳐야 하며, 한번 가교되면 더 이상 재생할 수 없는 단점이 있다.(1) 이러한 단점을 개선하기 위해 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer, TPE)가 개발되었다.
	웨더스트립이 제품의 형상과 구조적인 특성이 아주 세밀하게 검토되어야 하는 이유는?	웨더스트립은 자동차의 종류 및 구조에 따라서 부품의 형상과 재료, 기능이 달라지므로 설계상의 치수 및 상대 부품에 의한 영향이 완성 차의 기능과 내구성에 많은 영향을 주기 때문에 제품의 형상과 구조적인 특성이 아주 세밀하게 검토되어야 한다.(2)
	고무의 단점을 개선하기 위해 무엇이 개발되었는가?	고무는 플라스틱이나 다른 재료와는 다른 여러 가지 특성을 가지고 있지만, 가공하기 위해서는 가황가교(vulcanization)등의 복잡한 공정을 거쳐야 하며, 한번 가교되면 더 이상 재생할 수 없는 단점이 있다.(1) 이러한 단점을 개선하기 위해 열가소성 엘라스토머(thermoplastic elastomer, TPE)가 개발되었다. 그 중에서 고무를 대신하기 위하여 사용되는 부품 중에서 대표적인 것은 자동차의 웨더스트립(weather strip)이다.

참고문헌 (6)

Ghoreishy, M. H. R., Razavi-nouri, M. and Naderi, G., 2005, "Finite Element Analysis of a Thermoplastic Elastomer Melt Flow in the Metering Region of a Single Screw Extruder," Computational Material Sci., Vol. 34, pp. 389~396

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Kim, H. Y., Jung, K. J. and Kim, H., 2001, "Development of on Exclusive Non-Linear Analysis Program for the Design of Door Seal," Autumn Conference Proceeding KSAE, pp. 1009~1015
Kim, D. J., Kim, W. D., Kim, W. S. and Lee, Y. S., 2003, "A Study on the Equi-biaxial Tension Test of Rubber Material," KSME, pp. 425~430
Woo, C. S., Park, H. S. and Lee, G. A., 2007, "Material Test and Forming Analysis of Urethane Rubber," KSME, pp. 2654~2659
Kim, W. D., Kim, W. S., Kim, D. J., Woo, C. S. and Lee, H. J., 2004, "Mechanical Testing and Nonlinear Material Properties for Finite Element Analysis of Rubber Components," KSME, Vol. 28, No. 6, pp. 848~859.er," Computational Material Sci., Vol. 34, pp. 389~396

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Computational Material Sci., Vol. 34, pp. 389~396

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