고무부품의 신뢰성을 확보하기 위해서는 피로수명예측 및 평가기술 개발이 중요하다 하겠다. 최근에 고무부품에 대한 고 성능, 고 신뢰성을 위해 설계, 해석 및 평가기술이 요구되고 있으나, 지금까지는 경험과 시행착오적인 방법으로 개발되고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 고무소재에 대해 배합조건, 기계적 특성, 열화 및 피로수명 등을 포함하는 고무소재 물성 데이터베이스를 구축하고, 고무부품의 특성해석 결과를 데이터베이스와 연계하여 고무부품의 피로해석 모델을 개발하였으며, 실제 피로시험 결과를 통하여 개발된 모델의 타당성을 검증하였다.
고무부품의 신뢰성을 확보하기 위해서는 피로수명예측 및 평가기술 개발이 중요하다 하겠다. 최근에 고무부품에 대한 고 성능, 고 신뢰성을 위해 설계, 해석 및 평가기술이 요구되고 있으나, 지금까지는 경험과 시행착오적인 방법으로 개발되고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 고무소재에 대해 배합조건, 기계적 특성, 열화 및 피로수명 등을 포함하는 고무소재 물성 데이터베이스를 구축하고, 고무부품의 특성해석 결과를 데이터베이스와 연계하여 고무부품의 피로해석 모델을 개발하였으며, 실제 피로시험 결과를 통하여 개발된 모델의 타당성을 검증하였다.
The fatigue analysis and lifetime evaluation are very important in design procedure to assure the safety and reliability of the rubber components. Recently, the design, analysis and evaluation technology was required to achieve the high quality, fidelity, reliability of rubber products. However, rub...
The fatigue analysis and lifetime evaluation are very important in design procedure to assure the safety and reliability of the rubber components. Recently, the design, analysis and evaluation technology was required to achieve the high quality, fidelity, reliability of rubber products. However, rubber manufacturing companies of our country have uesd the method of trial and error and experience in the process of a compound mixing, manufacturing and improvement of rubber properties. The objectives of this study are to establish the test methods of rubber material and to make the database of rubber material properties and to evaluate the performance of rubber components and to construct the prediction system of fatigue life. Fatigue lifetime prediction methodology of the rubber component was proposed by incorporating the finite element analysis and fatigue damage parameter from fatigue test.
The fatigue analysis and lifetime evaluation are very important in design procedure to assure the safety and reliability of the rubber components. Recently, the design, analysis and evaluation technology was required to achieve the high quality, fidelity, reliability of rubber products. However, rubber manufacturing companies of our country have uesd the method of trial and error and experience in the process of a compound mixing, manufacturing and improvement of rubber properties. The objectives of this study are to establish the test methods of rubber material and to make the database of rubber material properties and to evaluate the performance of rubber components and to construct the prediction system of fatigue life. Fatigue lifetime prediction methodology of the rubber component was proposed by incorporating the finite element analysis and fatigue damage parameter from fatigue test.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
고무 컴파운드의 물성은 컴파운드를 이루고 있는 각 재료의 종류와 양뿐만 아니라, 이들을 혼합 시키고 다루는 공정조건에 의해서 많은 영향을 받는다. 그러나 후자인 공정조건에 의한 영향은 고려하지 않으면서, 사용되는 재료의 종류와 양에 따른 물성변화를 정량적으로 연구하여 복잡 미묘한 고무배합을 간단한 프로그램으로 기술화하고자 하였다.
따라서, 본 연구에서는 자동차용 방진고무소재에 대해 배합 조건, 기계적 특성, 열화, 피로수명 등을 포함한 고무소재 물성 데이터베이스를 구축하고 설계 초기단계에서 짧은 기간에 비교적 정확하게 고무부품의 사용수명을 예측할 수 있는 방법을 연구하여 고무부품의 설계, 해석 및 평가 등에 관한 제반 기술을 종합한 자동차 방진고무부품 통합설계시스템을 구축하여 관련기술의 고도화를 달성하고자 하였다.3
본 연구에서 제안한 고무부품의 피로수명예측 방법의 타당성을 검증하기 위해 자동차 엔진마운트에 사용되는 방진고무부품에 대해 피로수명을 평가하였다.
제안 방법
고무부품의 피로수명을 예측하기 위해서는 동일한 고무소재에 대한 피로수명선도가 있어야 하기 때문에 본 연구에서는 Figure 5(a)와 같이 고무부품의 피로하중에 의한 최대 인장변형률을 재현할 수 있는 3차원 피로시편을 제작하여 피로시험을 수행하였다. Figure 5(b)는 시편의 최대변형률 발생부위에서의 그린-라그랑지(Green-Lagrange) 변형률을 나타낸 것으로 피로시편 및 고무부품의 피로수명을 예측하고 평가하는데 활용하였다.
1) 설계 초기단계에서 짧은 기간에 비교적 정확하게 고무부품의 피로수명을 예측하고 평가할 수 있는 방법을 제안하였다.
2) 방진고무소재에 대해 배합조건, 기계적 특성, 열화, 피로 수명 등을 포함한 고무소재물성 데이터베이스를 구축하였다.
3) 다양한 시험조건에서 3차원 시편에 대해 피로시험을 수행하여 고무소재, 평균변위, 진폭변화에 따른 피로수명을 파악하였으며, 최대 인장변위와 최대변형률을 피로손상변수로 하여 피로수명예측식을 도출하였다.
본 연구에서는 천연고무 폴리머 베이스(natural rubber polymer base)에서 카본 블랙(carbon black), 황(sulfur), 가황촉진제(NS)와 활성제인 산화아연 (ZnO)과 스테아린산(stearic acid) 등의 양을 변화시키며 실험을 하여 이 재료들이 고무 컴파운드의 물성에 어떤 영향을 미치는가를 파악하고 통계적 데이터 분석을 통하여 각 인자에 따른 물성변화를 정량적으로 예측할 수 있는 관계 식을 유도하였다. 관계식 유도를 위하여 5인자(카본 블랙, 황, 가황 촉진제, 산화아연, 스테아린산)의 함량을 5 수준으로 고무물성을 구하였고, 이를 근거로 통계분석을 통한 회귀계수와 각 인자의 영향을 검토하였다. 실험과의 재현성 및 신뢰성을 향상시키기 위해 반복적으로 시험하였으며, 주요 인자 외에 기타 원인들의 영향을 배제하기 위하여 실험 순서를 임의로 정하였다.
마찰특성 데이터베이스는 고무종류, 경도, 윤활 조건, 회전 속도, 마찰 구 직경, 고무 판 두께, 수직하중 변화에 따른 마찰계수(최소-최대값)를 측정하여 마찰특성 데이터베이스를 구축하였으며 사용자는 고무종류, 경도, 윤활조건에 따라 원하는 데이터를 검색할 수 있게 되어 있다.
본 연구에서는 Figure 1에서와 같이 배합조건에 따른 고무 소재에 대해 상온 및 고온, 저온 등 온도 변화에 따른 물성시험을 통해 물성 데이터베이스를 구축하고, 구축된 물성 데이터를 이용하여 고무시편 및 부품의 비선형 유한요소해석을 수행하여 최대변형률이 발생하는 취약부위와 부품의 특성을 파악하였다.
본 연구에서는 천연고무 폴리머 베이스(natural rubber polymer base)에서 카본 블랙(carbon black), 황(sulfur), 가황촉진제(NS)와 활성제인 산화아연 (ZnO)과 스테아린산(stearic acid) 등의 양을 변화시키며 실험을 하여 이 재료들이 고무 컴파운드의 물성에 어떤 영향을 미치는가를 파악하고 통계적 데이터 분석을 통하여 각 인자에 따른 물성변화를 정량적으로 예측할 수 있는 관계 식을 유도하였다. 관계식 유도를 위하여 5인자(카본 블랙, 황, 가황 촉진제, 산화아연, 스테아린산)의 함량을 5 수준으로 고무물성을 구하였고, 이를 근거로 통계분석을 통한 회귀계수와 각 인자의 영향을 검토하였다.
관계식 유도를 위하여 5인자(카본 블랙, 황, 가황 촉진제, 산화아연, 스테아린산)의 함량을 5 수준으로 고무물성을 구하였고, 이를 근거로 통계분석을 통한 회귀계수와 각 인자의 영향을 검토하였다. 실험과의 재현성 및 신뢰성을 향상시키기 위해 반복적으로 시험하였으며, 주요 인자 외에 기타 원인들의 영향을 배제하기 위하여 실험 순서를 임의로 정하였다. 이러한 데이터와 특성 회귀식을 기반으로 고무배합 설계프로그램을 개발하였다.
실험과의 재현성 및 신뢰성을 향상시키기 위해 반복적으로 시험하였으며, 주요 인자 외에 기타 원인들의 영향을 배제하기 위하여 실험 순서를 임의로 정하였다. 이러한 데이터와 특성 회귀식을 기반으로 고무배합 설계프로그램을 개발하였다.
성능/효과
4) 개발된 방법을 통해 자동차 방진고무부품에 대해 피로수명을 평가한 결과, 비교적 정확하게 예측되어 피로수명평가 방법의 타당성을 검증하였다.
그림에서와 같이 엔진 마운트용 고무부품에 대한 예측된 피로수명은 실제수명과 비교적 정확하게 예측됨을 확인할 수 있어, 본 연구에서 제안한 고무부품 수명평가 방법의 타당성이 검증되었다.
다음은 기존의 금속 재료에 대해 수행되어 오던 피로수명예측 방법을 응용하여 고무소재의 피로 수명시험에 적합한 시편을 설계, 제작4하여 피로시험을 수행하여 변위와 피로수명과의 관계를 구하여 이로부터 적절한 피로 손상변수를 규명하여 피로수명예측 식을 도출하여 피로수명을 예측하고, 예측된 피로수명과 실제 고무부품의 피로시험 결과를 비교하여 제안된 피로수명 예측 및 평가 절차의 타당성을 검증하였다.5
다양한 조건에서의 피로시험 결과를 이용하여 진폭, 평균변위, 최대인장변위를 변수로 하여 피로수명과의 상관관계를 검토한 결과, 최대인장변위가 같으면 평균변위와 진폭에 상관없이 피로수명은 비슷하게 나타났으며, Figure 6(a)에서와 같이 최대 인장변위가 클수록 피로수명은 감소하였다. 따라서, 최대 인장변위를 피로손상변수로 하면 시험조건에 상관없이 피로수명을 잘 표현 할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 시편에 대한 해석결과인 최대 인장변위와 그린-라그랑지 변형률과의 관계를 이용하여 Figure 6(b)에서와 같이 그린-라그랑지 변형률과 피로수명과의 관계선도를 얻을 수 있었다.
후속연구
5) 개발된 고무부품 통합설계시스템을 이용하면 고무부품 개발에 소요되는 시간과 경비를 절감하고 제품의 신뢰성을 향상시키리라 기대된다.
외국에서는 영국의 MRPA(Malaysian Rubber Producers Association) 소프트웨어(software)를 시판 하고 있으나 지극히 제한적인 물성에 국한 되어 있고, 고가이기 때문에 국내의 고무업체가 이용하기는 어려움이 많다. 따라서 고무소재 물성 데이터베이스가 구축된다면 국내의 독자적인 물성 예측 소프트웨어 개발과 물성 표준화가 이루어 질 수 있을 것으로 예상된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
자동차용 방진고무부품 통합설계시스템 개발을 통해 얻은 결론은 무엇인가?
1) 설계 초기단계에서 짧은 기간에 비교적 정확하게 고무부품의 피로수명을 예측하고 평가할 수 있는 방법을 제안하였다.
2) 방진고무소재에 대해 배합조건, 기계적 특성, 열화, 피로 수명 등을 포함한 고무소재물성 데이터베이스를 구축하였다.
3) 다양한 시험조건에서 3차원 시편에 대해 피로시험을 수행하여 고무소재, 평균변위, 진폭변화에 따른 피로수명을 파악하였으며, 최대 인장변위와 최대변형률을 피로손상변수로 하여 피로수명예측식을 도출하였다.
4) 개발된 방법을 통해 자동차 방진고무부품에 대해 피로수명을 평가한 결과, 비교적 정확하게 예측되어 피로수명평가 방법의 타당성을 검증하였다.
5) 개발된 고무부품 통합설계시스템을 이용하면 고무부품 개발에 소요되는 시간과 경비를 절감하고 제품의 신뢰성을 향상시키리라 기대된다.
고무가 가지고 있는 특성은?
고무는 탄성복원 및 진동 감쇄 특성으로 인하여 자동차, 철도차량, 산업기계 뿐만 아니라 미래산업인 반도체, 정보통신 등 전 산업분야에 진동과 소음을 절연하는 주 기능 부품으로서 여러 가지 형태의 고무부품이 널리 사용되고 있다.
고무소재가 아직까지 표준화된 물성이 자리잡지 못하고 있는 이유는?
고무소재는 제조과정에서 배합성분 및 함량조건이 다양하고 재현성이 확보되지 못하기 때문에 아직까지 표준화된 물성이 자리잡지 못하고 있다.
참고문헌 (6)
D. J. Charlton and J. Yang, "A Review of Methods to Characterize Rubber Elastic behavior for use in Finite Element Analysis", Rubber Chemistry & Technology, 67, 481 (1993).
Fatemi. and Yang, "Cumulative Fatigue Damage and Life Prediction Theories", Int'l Journal of fatigue, 20, 9 (1998).
C. S. Woo, W. D. Kim, Y. K. Kim, W. G. Shin, and S. H. Lee, "Development of Integrated Design System for Mechanical Rubber Components", KSME, 34, 1045 (2010).
K. Takeuchi and M. Nakagawa, "Fatigue test technique of rubber materials for vibration insulators and their evaluation", Int'l Polymer Science & Technology, 20, 64 (1993).
C. S. Woo, W. D. Kim, and J. D. Kwon, "A study on the material properties and fatigue life prediction of natural rubber component", Materials Science and Engineering A, 483, 376 (2008).
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.