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문제 정의
- 본 논문에서는 자동차용 그로멧에 대한 유한요소해석과 노화시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
제안 방법
- 첫 번째와 두 번째의 방법은 시간이 너무 많이 소요 된다는 단점이 있고, 가속 시험의 경우에는 고무 제품의 수명 예측과 사용자의 요구조건이 일치하는 지의 여부가 중요하다. 가속 시험은 상온보다 가혹한 조건에서 특정 요인에 대한 빠른 시간동안 특성을 저하 시키는 방법으로, 그로멧의 노화특성을 파악하기 위해 여러 가지 환경 조건 중에서 온도를 고려하여 Figure 14와 같은 환경챔버를 이용하여 높은 온도에서의 열 노화시키는 방법을 선택하였으며, 세 가지 온도 조건 (60 ℃, 75 ℃, 90 ℃)에서 3주(21일) 동안 노화시킨 후 그로멧의 경도, 인장강도, 신율 및 영구압축율의 변화를 측정하였다.
- 본 논문에서는 자동차의 그로멧 부품을 대상으로 하였으며, 유한요소해석을 수행하기 위한 그로멧의 모델링은 Figure 7과 같이 단면만을 모델링하여 수직변형에 따른 해석을 수행하였다. 구속조건으로는 수직변형을 알아보기 위하여 축대칭 조건을 사용하였으며, 그로멧의 상단과 하단 부위를 강체로 설정하였다. 하중조건은 아랫방향으로 변위조건을 주어 해석을 수행하였다.
- Figure 8은 전체 형상의 절반을 모델링하여 수평변형에 따른 유한요소해석을 수행하였다. 구속조건은 수평변형을 알아보기 위하여 그로멧의 하단부를 고정하였으며, 대칭 경계조건을 적용하였다. 하중 조건은 중심축을 강체로 설정하여 오른쪽 30° 방향으로 기울여 유한요소해석을 수행하였다.
- 대부분의 고무부품은 환경적인 영향에 의한 노화와 반복하중에 의한 피로손상 누적으로 수명을 다하게 되므로, 하중과 온도를 고려한 고무부품의 피로수명 예측 및 평가에 대한 연구가 필요하며, 본 연구에서는 자동차의 여러 고무부품 중 그로멧을 선정하여, 이에 대한 유한요소해석 및 노화시험을 수행하였다
- 본 연구에서는, 3주(21일) 동안 노화시킨 시편을 챔버에서 꺼낸 뒤 상온에서 24시간 방치 한 후 물성을 측정하였다. Figure 15, 16, 17은 각각 온도에 따른 경도, 인장강도 및 신율의 변화를 나타내고 있다.
- 일축인장시험은 KS규격 아령형 3호 일축인장시편을 사용하였고, 100 mm/min.의 속력으로 25%, 50%, 75%, 100%의 변형률 구간에서 각각 5회의 반복하중을 가하여 응력-변형률 관계를 획득하였으며, 이축인장시험은 원형시편을 시험기에 장착하여 40 mm/min.의 속력으로 25%, 50%, 75%, 100%의 변형률 구간에서 원주방향으로 각 5회의 반복하중을 가하여 응력-변형률관계를 구하였으며, 실험결과는 Figure 6에 나타내었다.
- 의 속력으로 25%, 50%, 75%, 100%의 변형률 구간에서 각각 5회의 반복하중을 가하여 응력-변형률 관계를 획득하였으며, 이축인장시험은 원형시편을 시험기에 장착하여 40 mm/min.의 속력으로 25%, 50%, 75%, 100%의 변형률 구간에서 원주방향으로 각 5회의 반복하중을 가하여 응력-변형률관계를 구하였으며, 실험결과는 Figure 6에 나타내었다.13
- 하중 조건은 중심축을 강체로 설정하여 오른쪽 30° 방향으로 기울여 유한요소해석을 수행하였다.
- 구속조건으로는 수직변형을 알아보기 위하여 축대칭 조건을 사용하였으며, 그로멧의 상단과 하단 부위를 강체로 설정하였다. 하중조건은 아랫방향으로 변위조건을 주어 해석을 수행하였다.13
대상 데이터
- Figure 3. Test equipments.
- 본 논문에서는 자동차의 그로멧 부품을 대상으로 하였으며, 유한요소해석을 수행하기 위한 그로멧의 모델링은 Figure 7과 같이 단면만을 모델링하여 수직변형에 따른 해석을 수행하였다. 구속조건으로는 수직변형을 알아보기 위하여 축대칭 조건을 사용하였으며, 그로멧의 상단과 하단 부위를 강체로 설정하였다.
- 일축인장시험은 KS규격 아령형 3호 일축인장시편을 사용하였고, 100 mm/min.의 속력으로 25%, 50%, 75%, 100%의 변형률 구간에서 각각 5회의 반복하중을 가하여 응력-변형률 관계를 획득하였으며, 이축인장시험은 원형시편을 시험기에 장착하여 40 mm/min.
이론/모형
- 비선형 재료 물성값으로는, Mooney-Rivlin모델과 Ogden모델을 이용하였고, 일축인장시험 및 이축인장시험을 통해 얻어진 응력-변형률 데이터는 유한요소해석의 비선형 재료상수로 이용하기 위해 커브피팅 과정을 통하여 비선형 재료상수를 획득하였다.
성능/효과
- 1) 자동차용 그로멧의 재료가 되는 EPDM고무의 물성시험을 통하여 획득한 시험결과는 유한요소해석에 필요한 비선형 재료상수를 획득하는데 필요한 요소이며, 이는 해석 결과에 영향을 미친다.
- 2) 그로멧의 거동을 예측하기 위해서는, 정확한 비선형재료 상수가 필요하며, 이 재료상수는 고무의 사용 변형률 범위에 영향을 받으므로, 사용 변형률 범위에 따른 알맞은 비선형 재료상수값을 선정하여야 한다.
- 3) 그로멧의 수명은 노화시험을 통하여 예측될 수 있으며, 고무의 노화시험을 수행하는 동안 고무의 경도는 온도가 높고 노화일수가 길어짐에 따라 높음을 알 수 있으며, 인장강도와 신율은 온도가 높고 따라 노화일수가 길어짐에 따라 낮아짐을 알 수 있었다.
- Figure 15, 16, 17은 각각 온도에 따른 경도, 인장강도 및 신율의 변화를 나타내고 있다. 경도는 시간이 지남에 따라 증가하였으며, 신율은 조금 감소함을 알 수 있었다.
- 각 함수에 대한 변형률 값이 작을수록 응력 값이 증가함을 알 수 있다. 또한, Mooney-Rivlin함수의 경우, 25%의 변형률 값에서의 비선형 재료상수를 사용하였을 때에는 안정된 결과 값을 획득하기 어려움도 확인할 수 있었으며, 수직하중에 비해 각 비선형 재료상수의 값이 작아질수록 von mises-stress 값의 차이가 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서, 고무부품의 물성은 생산방향에 따라 변화함을 알 수 있다.
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