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문제 정의
- 1 m/s 의 수직방향 속도가 요구되는데, 이는 조건에 따라 고무소재가 정적 상태에서 준-정적상태(quasi-static state, 대체로 50 m/s 이하)로 변하는 천이구간에 해당한다. 따라서 천이영역에서의 데이터 확보의 어려움을 극복하기 위해 비교적 상세한 조건을 선정하였다. 아울러 유한요소해석을 통한 전단계수 추정을 위해 많은 조건에서의 데이터 확보를 위한 목적도 있다.
- 본 연구에서는 다종 고무의 다양한 충격조건에서의 충격흡수성능을 평가하기 위해 낙하충격실험을 수행하고 충격흡수에너지를 측정하였다. 이를 통해 각 충격조건에서 고무의 충격흡수효율 및 충격흡수-비효율을 평가하였으며, 전체적으로 합산한 충격조건에 대한 성능도 함께 분석하였다.
- 따라서 천이영역에서의 데이터 확보의 어려움을 극복하기 위해 비교적 상세한 조건을 선정하였다. 아울러 유한요소해석을 통한 전단계수 추정을 위해 많은 조건에서의 데이터 확보를 위한 목적도 있다. 또한 낙하충격실험은 재현성을 고려하여 각 조건 당 반복실험을 3 회 실시하였으며 결과의 평균값을 이용하였다.
가설 설정
- 해석에 사용된 모델 및 결과는 Fig. 8(a)와 (b)에 각각 나타내었으며, 3 차원으로 작성된 해석모델에서 충격자는 강체(rigid body)로 가정하였고 고무의 비선형 재료거동 모델에는 Blatz-Ko 모델을 활용하였다.(6) 상하부 철판의 탄성계수는 200 GPa, 프와송비는 0.
제안 방법
- 각 고무의 넓은 범위에서의 충격조건에 대한 충격흡수성능을 평가하기 위해 전체 충격에너지 조건에 대해 충격흡수효율 및 충격흡수-비효율의 합을 계산하여 평가하였다
- 낙하충격실험은 자유낙하형 충격시험기(Dynatup 9250HV)를 사용하였으며 시험기는 프레임, 충격자, 로드셀(load cell) 및 각종 센서 등으로 구성되어 있고 충격자가 임의의 높이로부터 자유낙하하여 운동에너지를 발생시키게 된다. 설치된 시험편에 충격자가 충돌하면 바닥의 로드셀을 통해 충격하중을 측정하고 또한 충격에너지 센서(tub) 및 낙하 속도 감지센서를 통해 충격에너지를 측정한다.
- 낙하충격실험을 통해 다종 고무의 충격흡수성능 및 전단계수를 평가하였으며 주요 결론은 다음과 같다.
- 시험편은 가로, 세로 100 x 100 mm 와 두께 3 mm 를 갖는 고무를 4 장 적층하고 충격자에 의한 국부적 파손을 고려하여 8 mm 두께의 철판으로 적층고무의 상하부에 추가로 적층하여 전체 두께 28 mm 로 제작하였다. 따라서 실질적인 충격흡수 에너지는 철판과 고무로 구성된 시험편을 통해 측정되었으며 고무의 종류 및 경도를 달리하여 측정함으로써 다종 고무간의 충격흡수성능을 상대비교하였다. 시험편의 충격에 의한 철판상부의 국부적 소성변형은 채택하지 않았으며 따라서 철판에 의해 흡수되는 에너지를 일정하게 유지하기 위해 상부의 국부 압입(local indentation) 및 굴곡 발생 시 교체, 시험하였다.
- 고무의 종류에는 성분 및 그 사용목적에 따라 천연, 합성, 내유, 내열, 부틸, 지오콜, 하이파론, 폴리우레탄, 실리콘, 바이톤, 이피디엠 등이 있으며 본 연구에서는 일반적으로 널리 사용되고 있는 천연(NR), 내유(NBR), 이피디엠(EPDM), 실리콘(SR), 폴리우레탄(PUR) 고무 등 5 종을 선정하여 실험을 수행하였으며 선정된 고무의 일반적인 물리적 성질은 Table 1 에 나타내었다. 또한 경도에 따른 성능 차이를 확인하기 위해 각 고무는 30-90 쇼어 경도(degree of shore hardness) 범위 내에서 3 가지 다른 수준을 갖도록 추가로 선정하였다. 각 고무는 쇼어 경도계를 통해 경도값을 측정한 후 사용하였으며 고무의 경도는 고무제조 시 가황(vulcanization)성분의 함량에 따라 조절 될 수 있다.
- 이를 통해 각 충격조건에서 고무의 충격흡수효율 및 충격흡수-비효율을 평가하였으며, 전체적으로 합산한 충격조건에 대한 성능도 함께 분석하였다. 또한 충격거동 해석 시 요구되는 동적 특성 평가를 위해 유한요소해석을 수행하였으며, 해석과 실험결과로 얻어진 최대충격하중 값의 비교를 통해 특히 실리콘 고무의 동적 전단계수를 평가하였다. 본 논문에 제시된 방법론 및 제반 결과들은 고무를 이용한 각종 제진재 또는 완충재 적용 구조물 설계에 매우 유용할 것으로 생각한다.
- 또한 충격흡수효율을 다시 각 고무의 밀도로 나눈 값을 통해 충격흡수-비효율(eabs/ρ)을 평가하였다.
- 서로 다른 종류 및 경도를 갖는 15 가지 고무에 대해 7 가지 충격에너지 조건으로 낙하충격실험을 수행하였으며 이에 대한 결과는 다음과 같다.
- 낙하충격실험은 자유낙하형 충격시험기(Dynatup 9250HV)를 사용하였으며 시험기는 프레임, 충격자, 로드셀(load cell) 및 각종 센서 등으로 구성되어 있고 충격자가 임의의 높이로부터 자유낙하하여 운동에너지를 발생시키게 된다. 설치된 시험편에 충격자가 충돌하면 바닥의 로드셀을 통해 충격하중을 측정하고 또한 충격에너지 센서(tub) 및 낙하 속도 감지센서를 통해 충격에너지를 측정한다. 실험에 사용된 충격자는 질량이 10.
- 실험조건은 낙하충격에너지에 따라 다양한 하중 조건을 고려하기 위해 5-75J 범위 내에서 각 고무 당 7 가지 조건으로 선정하였다. 시험기에 설정된 충격에너지의 목표조건은 5, 10, 20, 30, 45, 60, 75J였으나, 실제로 가해진 충격에너지는 목표조건에 비해 다소 크게 측정됨에 따라 실제 계산에는 측정된 값을 이용하였다. 한편 동일 목표조건에 대해 반복 측정된 충격에너지가 대체로 일치함에 따라 실측된 값을 목표조건과 동일시 하였다.
- 따라서 실질적인 충격흡수 에너지는 철판과 고무로 구성된 시험편을 통해 측정되었으며 고무의 종류 및 경도를 달리하여 측정함으로써 다종 고무간의 충격흡수성능을 상대비교하였다. 시험편의 충격에 의한 철판상부의 국부적 소성변형은 채택하지 않았으며 따라서 철판에 의해 흡수되는 에너지를 일정하게 유지하기 위해 상부의 국부 압입(local indentation) 및 굴곡 발생 시 교체, 시험하였다. Fig.
- 실험조건은 낙하충격에너지에 따라 다양한 하중 조건을 고려하기 위해 5-75J 범위 내에서 각 고무 당 7 가지 조건으로 선정하였다. 시험기에 설정된 충격에너지의 목표조건은 5, 10, 20, 30, 45, 60, 75J였으나, 실제로 가해진 충격에너지는 목표조건에 비해 다소 크게 측정됨에 따라 실제 계산에는 측정된 값을 이용하였다.
- 충격거동 해석에 요구되는 고무의 동적 특성을 평가하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 앞선 낙하충격실험을 통해 얻어진 SR 고무의 충격하중 결과를 이용하여 해석결과와 비교함으로써 적합한 전단계수를 결정하였다. 해석에 사용된 모델 및 결과는 Fig.
- 본 연구에서는 다종 고무의 다양한 충격조건에서의 충격흡수성능을 평가하기 위해 낙하충격실험을 수행하고 충격흡수에너지를 측정하였다. 이를 통해 각 충격조건에서 고무의 충격흡수효율 및 충격흡수-비효율을 평가하였으며, 전체적으로 합산한 충격조건에 대한 성능도 함께 분석하였다. 또한 충격거동 해석 시 요구되는 동적 특성 평가를 위해 유한요소해석을 수행하였으며, 해석과 실험결과로 얻어진 최대충격하중 값의 비교를 통해 특히 실리콘 고무의 동적 전단계수를 평가하였다.
- 충격거동 해석에 요구되는 고무의 동적 특성을 평가하기 위해 유한요소해석을 수행하였다. 앞선 낙하충격실험을 통해 얻어진 SR 고무의 충격하중 결과를 이용하여 해석결과와 비교함으로써 적합한 전단계수를 결정하였다.
- 이는 시험편에 충돌한 충격자가 반발하여 다시 시험편으로부터 떨어지는 순간을 의미하며 시험편의 충격흡수에너지는 이때 결정된다. 측정된 충격에너지 및 충격흡수에너지를 이용하여 충격흡수효율(eabs = Eabs/Eimp)를 계산하였으며 이를 통해 각 고무의 충격흡수성능을 평가하였다. 또한 충격흡수효율을 다시 각 고무의 밀도로 나눈 값을 통해 충격흡수-비효율(eabs/ρ)을 평가하였다.
- 한편 낙하충격실험을 통해 얻어진 충격에너지(impact energy, Eimp), 충격흡수에너지(impact absorption energy, Eabs)를 이용하여 각 고무의 해당 충격에너지 조건에서의 충격흡수효율(impact absorption efficiency, eabs) 및 충격흡수-비효율(specific impact absorption efficiency, eabs/ρ)을 평가하였고, 합산한 충격에너지 조건에 대한 효율 및 비효율도 함께 평가함으로써 각 고무의 충격흡수성능을 상대비교 하였다.
- 시험기에 설정된 충격에너지의 목표조건은 5, 10, 20, 30, 45, 60, 75J였으나, 실제로 가해진 충격에너지는 목표조건에 비해 다소 크게 측정됨에 따라 실제 계산에는 측정된 값을 이용하였다. 한편 동일 목표조건에 대해 반복 측정된 충격에너지가 대체로 일치함에 따라 실측된 값을 목표조건과 동일시 하였다. 충격에너지 조건을 7 가지로 상세히 구분한 이유는 다양한 충격에너지 조건에서의 데이터를 확보하기 위함이다.
대상 데이터
- 8(a)와 (b)에 각각 나타내었으며, 3 차원으로 작성된 해석모델에서 충격자는 강체(rigid body)로 가정하였고 고무의 비선형 재료거동 모델에는 Blatz-Ko 모델을 활용하였다.(6) 상하부 철판의 탄성계수는 200 GPa, 프와송비는 0.3, 항복강도는 207 MPa이고(7) 해석에 사용된 고무는 SR 30, 50, 80 이다. 해석결과에서 최대충격하중은 시험편에 충돌한 후 반발되는 충격자의 가속도와 질량의 곱으로 계산하였다.
- 고무의 종류에는 성분 및 그 사용목적에 따라 천연, 합성, 내유, 내열, 부틸, 지오콜, 하이파론, 폴리우레탄, 실리콘, 바이톤, 이피디엠 등이 있으며 본 연구에서는 일반적으로 널리 사용되고 있는 천연(NR), 내유(NBR), 이피디엠(EPDM), 실리콘(SR), 폴리우레탄(PUR) 고무 등 5 종을 선정하여 실험을 수행하였으며 선정된 고무의 일반적인 물리적 성질은 Table 1 에 나타내었다. 또한 경도에 따른 성능 차이를 확인하기 위해 각 고무는 30-90 쇼어 경도(degree of shore hardness) 범위 내에서 3 가지 다른 수준을 갖도록 추가로 선정하였다.
- 고무의 충격흡수성능을 평가하기 위해 낙하충격실험을 수행하였으며 7 가지 충격에너지 조건과 15 종의 다종 고무가 사용되었다. 한편 낙하충격실험을 통해 얻어진 충격에너지(impact energy, Eimp), 충격흡수에너지(impact absorption energy, Eabs)를 이용하여 각 고무의 해당 충격에너지 조건에서의 충격흡수효율(impact absorption efficiency, eabs) 및 충격흡수-비효율(specific impact absorption efficiency, eabs/ρ)을 평가하였고, 합산한 충격에너지 조건에 대한 효율 및 비효율도 함께 평가함으로써 각 고무의 충격흡수성능을 상대비교 하였다.
- 시험편은 가로, 세로 100 x 100 mm 와 두께 3 mm 를 갖는 고무를 4 장 적층하고 충격자에 의한 국부적 파손을 고려하여 8 mm 두께의 철판으로 적층고무의 상하부에 추가로 적층하여 전체 두께 28 mm 로 제작하였다. 따라서 실질적인 충격흡수 에너지는 철판과 고무로 구성된 시험편을 통해 측정되었으며 고무의 종류 및 경도를 달리하여 측정함으로써 다종 고무간의 충격흡수성능을 상대비교하였다.
데이터처리
- 아울러 유한요소해석을 통한 전단계수 추정을 위해 많은 조건에서의 데이터 확보를 위한 목적도 있다. 또한 낙하충격실험은 재현성을 고려하여 각 조건 당 반복실험을 3 회 실시하였으며 결과의 평균값을 이용하였다.
- 3, 항복강도는 207 MPa이고(7) 해석에 사용된 고무는 SR 30, 50, 80 이다. 해석결과에서 최대충격하중은 시험편에 충돌한 후 반발되는 충격자의 가속도와 질량의 곱으로 계산하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 낙하충격실험을 통해 얻어진 충격에너지 및 충격흡수에너지를 통해 각 고무의 충격흡수효율을 계산하였으며 이를 통해 고무의 충격흡수성능을 효과적으로 평가할 수 있었다.
- (2) 각 충격에너지 조건에서의 충격흡수효율을 계산한 결과, PUR 50 및 70 고무가 가장 뛰어난 성능을 나타내었으며, 특히 5-45J 의 충격에너지 조건에서 확연히 우수한 성능을 나타내었다.
- (3) 질량대비 충격흡수성능을 평가하기 위해 충격흡수-비효율을 계산하였으며, 그 결과 5-45J 조건에서는 PUR 50 및 70 고무가 우수한 성능을 나타냈으나 75J 조건에서는 SR 50, EPDM 50, PUR 50 등이 가장 우수한 성능을 나타내었다.
- (4) 전체 충격에너지조건에 대해 충격흡수효율 및 충격흡수-비효율을 합산한 결과, 충격흡수효율 면에서는 PUR 50, 70, EPDM 50, NBR 40 순으로 뛰어난 성능을 보였고, 충격흡수-비효율 면에서는 PUR50, 70, EPDM 50, SR 50 순으로 우수한 성능을 보였다.
- (5) 유한요소해석을 통해 SR 30, 50, 80 고무에 대한 전단계수 평가를 실시하였으며, 충격거동에서의 전단계수로서 각각의 고무에 대해 0.055, 1.24, 3.53 GPa 의 값을 평가할 수 있었다.
- 그러나 Fig. 7(b)의 충격흡수-비효율의 합에서는 PUR 50, 70, EPDM 50, SR 50, NBR 40 등의 순으로 우수한 성능을 보임에 따라 비효율을 고려할 경우 SR 50 고무가 NBR 40 고무의 성능을 추월함을 확인할 수 있다.
- NBR 및 EPDM 은 동종의 고무에서는 경도에 상관없이 비교적 유사한 경향을 보인다. SR 에서는 SR 30 이, PUR 의 경우에는 PUR 80 이 동종의 다른 경도에 비해 충격흡수에너지량이 다소 떨어지는 경향을 보임을 확인하였다.
- 6 은 각 고무의 충격흡수-비효율을 나타내고 있으며 6(a)-(c)는 각각 5, 45, 75J 의 충격에너지 조건에서의 결과를 나타내고 있다. 결과에서 보듯이 5, 45J 조건에서는 충격흡수효율과 유사하게 PUR 50, 70이 우수한 성능을 나타내고 있으며 다른 고무와의 차이가 크지 않음을 알 수 있고, 또한 75J 의 조건에서는 SR 50 및 EPDM 50 이 가장 우수한 성능을 나타냄에 따라 충격흡수-비효율을 고려할 경우 충격흡수효율에서의 성능순위가 뒤바뀜을 확인하였다.
- 4 는 각 고무의 충격에너지 및 충격흡수에너지를 나타내고 있으며 4(a)-(e)는 각각 NR, NBR, EPDM, SR, PUR 에 대한 결과를 나타내고 있다. 결과에서 볼 수 있듯이, NR의 경우 NR 60, 90 은 유사한 경향을 보이나 NR 40 의 경우 충격흡수에너지량이 다소 떨어지는 것을 알 수 있다. NBR 및 EPDM 은 동종의 고무에서는 경도에 상관없이 비교적 유사한 경향을 보인다.
- 4 의 충격에너지 및 충격흡수에너지 결과로부터 계산된 충격흡수효율이며, 5(a)-(c)는 각각 5, 45, 75J 의 충격에너지 조건에서의 결과를 나타내고 있다. 결과에서 알 수 있듯이 5, 45J 의 충격에너지 조건에서는 PUR 50 및 70 이 가장 우수한 충격흡수효율을 나타내고 있으나 75J 조건에서는 NBR 40, PUR 50, EPDM 50 등이 우수한 성능을 나타내며 그 차이는 매우 작은 것으로 나타났다. 이는 동일한 고무에서도 충격에너지 조건에 따라 그 성능에 차이가 있음을 의미하며, 다종 고무간의 성능차이 역시 충격에너지 조건에 따라 달라짐을 확인할 수 있는 결과이다.
- 임의의 전단계수를 이용하여 유한요소해석을 수행한 후 해석결과로부터 얻어지는 충격하중과 실험결과를 비교하여 오차가 최소가 될 때의 고무 전단계수 값이다. 결과에서 알 수 있듯이, SR 30 의 경우 0.055 GPa, SR 50 의 경우 1.24 GPa, SR 80 의 경우 3.53 GPa 로 전단계수를 평가하였다. 결과에서 얻어진 전단계수가 가해지는 에너지에 따라 변하는 것은 SR 고무 자체의 비선형 크리프거동(time dependent nonlinear creep behavior)에 기인 하는 것으로 보인다.
- 여기서 충격흡수-비효율은 충격흡수효율을 각 고무의 밀도로 나눈 값으로 단위밀도당 충격흡수효율을 나타낸다. 이와 함께 고무의 동적 강성을 측정하기 위한 방법으로 실험 시 발생하는 최대충격하중과 유한요소해석 상의 결과를 비교함으로써 동적 전단계수를 추정할 수 있었다. Fig.
후속연구
- 또한 충격거동 해석 시 요구되는 동적 특성 평가를 위해 유한요소해석을 수행하였으며, 해석과 실험결과로 얻어진 최대충격하중 값의 비교를 통해 특히 실리콘 고무의 동적 전단계수를 평가하였다. 본 논문에 제시된 방법론 및 제반 결과들은 고무를 이용한 각종 제진재 또는 완충재 적용 구조물 설계에 매우 유용할 것으로 생각한다.
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