[논문]자동차용 웨더스트립의 영구변형 예측

박준철; 민병권; 오정석; 문형일; 김헌영

자동차용 웨더스트립의 영구변형 예측
Numerical Prediction of Permanent Deformation of Automotive Weather Strip 원문보기

한국자동차공학회논문집 = Transactions of the Korean Society of Automotive Engineers, v.18 no.4, 2010년, pp.121 - 126

박준철 (현대자동차 고분자재료연구팀) , 민병권 (현대자동차 고분자재료연구팀) , 오정석 (현대자동차 고분자재료연구팀) , 문형일 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과) , 김헌영 (강원대학교 기계메카트로닉스공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

The automotive weather strip has functions of isolating of water, dust, noise and vibration from outside. To achieve good sealing performance, weather strip should be designed to have the high contact force and wide contact area. However, these design causes excessive permanent deformation of weather strip. The causes of permanent deformation is generally explained to be the chemical material detrioration and physical variation and cyclic loading, etc. This paper introduces a numerical method to predict the permanent deformation using the time dependent viscoelastic model which is represented by Prony series in ABAQUS. Uniaxial tension and creep tests were conducted to obtain the material data. And the lab. test for the permanent deformation was accelerated during shorter time, 300 hours. The permanent deformation of weather strip was successfully predicted under the different loading conditions and different section shapes using the suggested numerical process.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 웨더스트립 중 하나인 도어사이드 웨더스트립(doorside weatherstrip or door seal)의 영구변형을 유한요소 해석기법을 사용하여 예측하고 실제 시험 결과와 비교해 보았다. 또한 재료적 물성 차이가 웨더스트립의 영구변형에 미치는 영향도를 확인해 보았다.
점탄성 재료의 기계적 성질은 탄성 스프링 (spring)과 댐퍼(damper)를 사용하여 나타낼 수 있고, 대표적인 모델은 Maxwell 모델과 Voigt 모델이 있다. 본 논문에서는 스프링과 댐퍼를 직렬로 결합한 Maxwell 모델을 사용하여 고무 재료의 점탄성 거동을 해석적으로 표현하였다. 점탄성 재료의 중요한 역학적 특성으로는 크리프 현상과 응력완화 현상이 있다.
본 논문에서는 웨더스트립 중 하나인 도어사이드 웨더스트립(doorside weatherstrip or door seal)의 영구변형을 유한요소 해석기법을 사용하여 예측하고 실제 시험 결과와 비교해 보았다. 또한 재료적 물성 차이가 웨더스트립의 영구변형에 미치는 영향도를 확인해 보았다.
본 영구변형 예측 프로세스는 웨더스트립의 씰링 (sealing) 성능 향상에 일조할 재료개발의 방향을 제시하였으며, 영구변형 최소화를 위해 크리프 현상(점탄성 효과가)이 적게 나타나는 재료를 개발하고 있다. 그러나 장시간의 크리프 시험 결과 예측에 사용된 보외적 예측방법의 신뢰성 검증 및 반복효과 구현 방안 등과 같은 내용은 추후 보완되어야 할 것이다.

제안 방법

1) 웨더스트립의 영구변형 해석을 위해 70°C에서의 단축인장 시험과 크리프 시험을 UTM을 사용하여 실시하였다.
2) 크리프 시험의 효율성을 높이기 위하여 단시간의 시험 결과를 사용한 장시간의 시험 결과 예측 방안을 제시하였다.
크리프 시험의 경우 인장시험 결과로부터 얻어진 파단 응력의 30%, 40%에 해당하는 하중을 사용하였다. 고정된 하중으로부터 발생되는 변위 변화를 약 40분간 측정하였다. 이후의 변형률의 변화는 선형적일 것이라 가정하고, 식 (10)과 같은 멱급수 (Langmuir EXT2 Eq.
식 (10)에서 Y는 시간에서의 컴플라이언스(normalized compliance)이며, a, b, c는 크리프 시험 결과로부터 얻어낼 수 있는 상수이다. 두 시험으로부터 얻어진 값들을 통해 해석 모델의 재료모델을 구성하였다.^8,13)
5와 같은 과정으로 진행되었다. 또한 해석의 효율성을 높이기 위해 도어 시일의 경우 평면 변형(plane strain)조건을 사용하였고, 각각의 프레임들은 강체(rigid body)로 모델링 하였다.¹¹⁾ 해석 결과 약 8.
마지막으로 짧은 시간 동안 반복적인 닫힘 조건에서의 영구변형을 해석적으로 예측하여 보았다. 해석 시나리오는 상온에서 도어를 닫고 6시간 동안 유지하다 여는 일련의 과정을 총 60번 반복하는 조건을 사용하였다.
위와 같은 사용상의 요구 성능을 만족하기 위하여 일정 수준 이상의 접촉력과 접촉 면적을 갖도록 설계한다. 그러나 제품을 장시간 사용하게 되면 고무재료의 노화가 발생하여 초기 성능에서 점차 저하된 성능이 나타나게 된다.
제시된 영구변형 예측 해석 프로세스를 사용하여 재료 물성에 따른 영구변형 정도를 비교해 보았다. 이를 위해 Fig. 2의 형상을 동일하게 사용하고 서로 다른 3가지 재료에 대한 영구변형량을 예측하였다.
재료 시험은 UTM(INSTRON 5882)을 사용하여 70°C에서의 단축 인장 시험(uniaxial tention test)과 크리프 시험을 수행하였다.
제시된 영구변형 예측 해석 프로세스를 사용하여 재료 물성에 따른 영구변형 정도를 비교해 보았다. 이를 위해 Fig.
해석 모델인 웨더스트립이 발포 공정을 통해 만들어지는데, 특정한 시편 형태로의 가공이 난해해서 100mm × 150mm의 스트립(strip)으로 시편을 제작하여 재료시험을 수행하였다.
마지막으로 짧은 시간 동안 반복적인 닫힘 조건에서의 영구변형을 해석적으로 예측하여 보았다. 해석 시나리오는 상온에서 도어를 닫고 6시간 동안 유지하다 여는 일련의 과정을 총 60번 반복하는 조건을 사용하였다. 해석 결과 Fig.

대상 데이터

재료 시험은 UTM(INSTRON 5882)을 사용하여 70°C에서의 단축 인장 시험(uniaxial tention test)과 크리프 시험을 수행하였다. 사용된 시편은 실제 웨더스트립에서 Fig. 1과 같은 형태로 가공하여 사용하였다. 해석 모델인 웨더스트립이 발포 공정을 통해 만들어지는데, 특정한 시편 형태로의 가공이 난해해서 100mm × 150mm의 스트립(strip)으로 시편을 제작하여 재료시험을 수행하였다.

데이터처리

영구변형 예측 해석은 상용 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS 6.7를 사용하였고, 영구변형 시험 조건을 반영하여 예측 해석을 수행하였다.

이론/모형

만의 함수가 된다. W 를 표현하는 물질 모델은 많은 연구자들에 의해 여러 가지가 제시되었으며, 본 논문에서는 식 (4)와 같은 오그덴(Ogend) 모델(n=3)을 사용하였다.^1,2,9-11)

성능/효과

또한 해석의 효율성을 높이기 위해 도어 시일의 경우 평면 변형(plane strain)조건을 사용하였고, 각각의 프레임들은 강체(rigid body)로 모델링 하였다.¹¹⁾ 해석 결과 약 8.83%의 영구 변형량이 계산되어 신뢰성 높은 결과를 구할 수 있었다.
3) ABAQUS의 오그덴(3차)모델과 Prony series를 사용하여 영구변형 해석을 수행하였고, 300시간 동안의 해석 결과와 영구 변형 시험 결과가 유사하게 나타남을 확인하였다.
4) 300시간 동안 닫힘 상태로 있을 때의 영구변형과 6시간마다 여닫는 상태에서의 영구변형의 해석 결과가 동일하게 예측되었다.
5) 강성이 다른 3가지 고무 재료에 대한 단축인장 시험 및 크리프 시험을 실시하였고, 시험 결과를 사용한 영구변형 해석 결과를 통해 초기 강성보다는 시간에 따른 물성 저하가 영구변형량에 주요한 인자임을 확인 할 수 있었다.
또한 노화 시간에 따른 영구 변형량과 압축하중 변화를 분석해 본 결과, 시험 결과와 비슷한 경향으로, 초기 30시간 동안 급격한 변화가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다. Fig. 4와 같이 도어 시일과 도어 프레임 간 압축하중이, 300시간 후 약 29% 저하됨을 확인할 수 있었고, 초기 약 1시간 동안 10% 정도의 급격한 변화를 확인할 수 있었다.
또한 Fig. 7과 같이 각 재료에 대한 크리프 시험결과는 Material B, Material A, Material C의 순으로 Normalized creep compliance가 크게 나타났다.
또한 노화 시간에 따른 영구 변형량과 압축하중 변화를 분석해 본 결과, 시험 결과와 비슷한 경향으로, 초기 30시간 동안 급격한 변화가 발생되는 것을 확인 할 수 있었다. Fig.
영구변형 시험의 경우, 70°C의 열 챔버(chamber) 에서 100mm 길이의 웨더스트립을 차체 프레임과 동일한 형상으로 제작된 지그에 장착시키고, 차체 프레임에 해당되는 지그를 설계도면 상의 닫힘 조건 위치로 이동한 후 고정시켜, 300시간 후 웨더스트립 형상 변화를 측정하는 것이다. 시험 후의 튜브 높이를 L_f, 시험 전 튜브 높이를 L₀일 때 1 - (L_f/L₀)의 값을 영구변형량(permanent deformation ratio)이라 정의하면, 본 논문에서 Fig. 3과 같은 모델을 사용하였고, 시험 결과 약 9.0%의 영구변형량이 발생하였다.
해석 시나리오는 상온에서 도어를 닫고 6시간 동안 유지하다 여는 일련의 과정을 총 60번 반복하는 조건을 사용하였다. 해석 결과 Fig. 5와 같이, 300시간 동안 50번 여닫는 조건에서 영구변형량이 8.84%로 예측되어, 도어가 닫힌 채 유지되는 조건과 유사한 결과를 확인할 수 있었다. 이는 짧은 시간 동안의 도어의 열림은 영구변형량에 있어 큰 영향성을 가지지 못함을 유추할 수 있었다.
해석 결과로 유추하여 볼 때, 재료의 강성이나 초기 접촉력이 가지는 영향성보다는 시간에 따른 재료의 물성 저하가 영구변형 발생에 더욱 중요한 인자임을 확인할 수 있었다.

후속연구

본 영구변형 예측 프로세스는 웨더스트립의 씰링 (sealing) 성능 향상에 일조할 재료개발의 방향을 제시하였으며, 영구변형 최소화를 위해 크리프 현상(점탄성 효과가)이 적게 나타나는 재료를 개발하고 있다. 그러나 장시간의 크리프 시험 결과 예측에 사용된 보외적 예측방법의 신뢰성 검증 및 반복효과 구현 방안 등과 같은 내용은 추후 보완되어야 할 것이다. 본 논문의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
이는 짧은 시간 동안의 도어의 열림은 영구변형량에 있어 큰 영향성을 가지지 못함을 유추할 수 있었다. 추후 장시간의 열림 효과까지 고려한 예측 방안을 보완할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	영구변형이란?	이러한 성능 저하의 가장 뚜렷한 현상의 하나가 영구변형(permanent deformation) 발생이라 할 수 있다. 영구변형이란 고무 재료에 가해진 변형이 제거된 후에도 재료에 남아있는 변형을 의미하는 것으로 어느 정도 회복할 수 있는가를 평가하는 지표가 되는 중요한 물성인자이다.
	자동차용 웨더스트립은 주로 어떤 형태로 제조되는가?	자동차용 웨더스트립(weatherstrip)은 도어 프레임(door frame)과 바디프레임(body frame) 사이에 장착되며, 외부로부터의 이물질(물, 먼지 등)의 침입을 막고, 소음 및 진동을 차단하는 역할을 한다. 주로 탄성력이 강한 고무 재료 또는 발포 고무(foam) 형태로 압출하여 제조된다.1,2)
	영구변형은 어떻게 발생되는가?	영구변형은 고무재료의 물리적인 변화와 화학적인 변화가 원인으로 발생되며, 한 가지 원인이 특정적으로 작용하여 발생할 수도 있고, 두 원인이 동시에 작용하여 발생되기도 한다. 대표적인 물리적인 변화는 점탄성(viscoelastic)이 있으며, 화학적인 변화는 재료의 노화(degradation), 산화(oxidation) 등의 원인으로 인한 분자구조의 변화를 들 수 있다.

참고문헌 (14)

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상세보기
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ABAQUS 6.7 Theory Manual.
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OriginLab, Origin Reference V8, OriginLab Corporation, Miami, 2007.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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