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자동차용 방진고무의 찢김시험 및 찢김에너지 정식화
Tearing Test for Automotive Vibroisolating Rubber and Formulation of Tearing Energy 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.12, 2012년, pp.1669 - 1674  

문형일 (현대모비스 공학해석팀) ,  김헌영 (강원대학교 기계의용공학과) ,  김민건 (강원대학교 기계의용공학과) ,  김호 (송도테크노파크)

초록
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일반적인 고무 부품의 해석적 피로 수명 예측은 다양한 피로시험 결과를 바탕으로 정의되는 피로 수명식이 사용된다. 그러나, 이와 같은 방식은 피로 시험에 사용되는 비용적, 시간적인 문제로 인해 설계과정에서 매우 제한적으로 사용된다. 더욱이, 고무재료의 비규격화 및 임의적인 특성변화가 피로시험 결과의 데이터베이스화를 어렵게 만든다. 본 논문에서는 찢김에너지를 이용한 또다른 피로수명 예측 방식을 제안하였다. 자동차용 방진고무들에 대한 동적, 정적 찢김시험 및 복잡한 형상을 갖는 고무 부품의 찢김에너지를 계산하기 위하여 가상 결함을 고려한 유한요소 정식화를 수행하였다. 제안된 방법을 사용하여, 자동차용 모터 마운트의 피로 수명을 예측해 보았고, 실제 수명과 예측된 수명을 비교하여 신뢰성을 검증해 보았다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A commonly analytical estimation of fatigue life on rubber components is using fatigue life equation based on various fatigue test results. However, such method has very restricted applicability in actual designing processes because performing fatigue tests requires a lot of time and money. In addit...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 40~54의 경도를 가지는 자동차용 방진고무에 대하여 찢김 시험을 실시하였다. 각각의 재료는 Table 1과 같은 성분과 그 비율을 가진다.
  • 본 논문은 자동차용 방진고무에 대해 경도별 정적 및 동적 찢김 시험을 수행하여 선행 연구자들의 연구 결과들을 검증 해 보았다. 또한, 가상 균열을 포함한 유한요소 정식화를 통해 계산된 값을 사용하여 자동차용 모터 마운트의 피로수명을 계산해 보았고, 실제 피로 시험 결과와 근사적인 수명을 예측할 수 있었다.
  • 본 논문은 찢김에너지를 사용한 수명 예측 방법을 활용하기 위해 필요한 찢김 시험 결과에 대하여 기술하였다. 자동차용 방진고무(vibroisolating rubber) 재료에 대한 정적 및 동적 찢김 시험을 실시하였고, 얻어진 데이터를 바탕으로 피로 수명식을 정의하였다.

가설 설정

  • (8) 즉, 고무 부품의 피로 수명의 대부분은 결함 전파 속도가 일정한 거친 찢김 영역에서 발생한다고 가정할 수 있다. 또한, 고무 부품의 접착부에서의 찢김이나 임계크기의 균열이 부품 내/외부에 일정하게 분포되어 있다고 가정하면, 찢김에너지와 결함 성장 속도와의 관계로부터 식 (15)와 같은 수명 예측식을 사용할 수 있다.
  • Table 2와 3은 Single edge 시편과 Trouser 시편의 찢김 시험을 수행하여 계산된 최대 찢김에너지를 나타낸 표이다. 크랙 선단의 상태, 시편의 불균일성, 시험 및 측정 오차 등을 감안할 때, 찢김에너지는 c0에 독립적이라고 가정할 수 있다. 또한, Fig.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
찢김에너지는 무엇을 설명하기위해 1952년 Rivlin 등 의해 정의되었는가? 찢김에너지(T)는 고무 재료의 피로 파괴 현상을 설명하기위해, 1952년 Rivlin 등 의해 정의되었다. 이들은 Griffith가 제안한 에너지 해방률 이론을 고무 재료에 적용하여, 결함의 생성 및 성장으로 인한 에너지 변화를 식 (1)과 같이 정의하였다.
결함 결정화적 접근 방식이란? 결함 결정화적 접근 방식은 기존에 널리 사용되고 있는 금속 재료 부품의 내구수명 예측 방식과 매우 유사하다. 시편을 사용한 피로시험(fatigue test) 결과로부터 특정 값(변형률, 응력, 에너지)과 수명과의 관계식(fatigue life equation)을 정의한 후, 해당 부품의 변형해석 결과로부터 예측된 특정 값(strian, stress, energy 등)을 정의된 식에 대입하여 수명을 예측하는 방법이다. 이러한 방식은 비교적 쉽게 내구수명을 예측할 수 있지만, 신뢰성 있는 수명식을 정의하기 위해서는 다양한 조건(평균변위, 변위진폭 등)에서 충분한 횟수의 피로시험이 실시되어야 한다.
결함 성장 속도를 이용한 내구 수명 예측 방안은 무엇으로부터 정의할 수 있는가? 피로시험 수행에 따른 문제를 해결하기 위해 2002년 김호 등은 결함 성장 속도를 이용한 내구 수명 예측 방안을 제안하였다. 이 방법은 고무의 찢김에너지(tearing energy)와 수명과의 관계로부터 수명식을 정의하기 때문에, 비교적 간단하게 얻을 수 있는 시험 데이터만이 사용된다.(6)
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참고문헌 (16)

  1. Mars, W. V. and Fatemi, A., 2002, "A Literature Survey on Fatigue Analysis Approaches for Rubber," Int. J. of Fatigue, Vol. 24, No. 9, pp. 949-961. 

  2. Verrona, E. and Andriyana, A., 2008, "Definition of a New Predictor for Multiaxial Fatigue Crack Nucleation in Rubber," J. of the Mechanics and Physics of Solids, Vol. 56, No. 2, pp. 417-443. 

  3. Oh, H. L., 1980, "A Fatigue-Life Model of a Rubber Bushing," Rubber Chemistry and Technology, Vol. 53, pp.1226-123. 

  4. Kim, W. D., Lee, H. J., Kim, J. Y. and Koh, S. K., 2004, "Fatigue Life Estimation of an Engine Rubber Mount," Int. J. of Fatigue, Vol. 26, No.5, pp. 553-560. 

  5. Lia, Q., Zhao, J. and Zhao, B., 2009 "Fatigue life Prediction of a Rubber Mount Based on Test of Material Properties and Finite Element Analysis," Engineering Failure Analysis, Vol.16, No.7, pp. 2304-2310. 

  6. Kim, H. and Kim, H. Y., 2006, "Numerical Life Prediction Method for Fatigue Failure of Rubber-Like Material Under Repeated Loading Condition," J. of Mechanical Science and Technology, Vol.20, No.4, pp. 437-582. 

  7. James, A. G., Green, A. and Simpson, G. M., 1975 "Strain Energy Functions of Rubber I," J. of Applied Polymer Science, Vol. 19, pp. 2033-2058. 

  8. Thomas, A. G., 1958, "Rupture of Rubber. V. Cut Growth in Natural Rubber Vulcanizates," J. of Polymer Science, Vol. 31, pp. 467-480. 

  9. Kadir A. and Thomas, A. G., 1981, "Tear Behavior of Rubbers over a Wide Range of Rates," Rubber Chemistry and Technology, Vol.54, pp.15-23. 

  10. Thomas, A. G., 1958, "Rupture of Rubber. V. Cut Growth in Natural Rubber Vulcanizates," J. of Polymer Science, Vol. 31, pp. 467-480. 

  11. Lindley, P. B., 1973, "Relation Between Hysteresis and the Dynamic Crack Growth Resistance of Natural Rubber," Int. J. of Fracture, Vol. 9, No. 4, pp. 449-460. 

  12. Young, D. G., 1990, "Application of Fatigue Methods Based on Fracture Mechanics for Tire Compound Development," Rubber Chemistry and Technology, Vol. 63, pp.567-581. 

  13. Choudhury, N. R. and Bhowmick, A. K., 1990, "Strength of Thermoplastic Elastomers from Rubber Polyolefin," J. of Materials Science, Vo.25, pp. 161-167. 

  14. Sakulkaew, K., Thomas, A. G. and Busfield, J. J. C., 2011, "The Effect of the Rate of Strain on Tearing in Rubber," Polymer Testing, Vol. 30, pp.163-172. 

  15. Kim H. and Kim, H. Y., 2005, "Formulation of Tearing Energy for Fatigue Life Evaluation of Rubber Material," Trans. of KSME, Vol. 29, No. 8, pp. 1043-1160. 

  16. Rivlin, R. S. and Thomas, A. G., 1952, "Rupture of Rubber. I. Characteristic Energy for Tearing," J. of Polymer Science, Vol. 10, No. 3, pp. 291-318. 

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