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.
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.
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...
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 addition, non-standard rubber materials and their randomness make it hard to make databases. In this paper, the other fatigue life estimation method using tearing energy was suggested. We performed static and dynamic tearing test about automotive vibration rubber materials and a finite element formulation using a virtual crack to calculate the tearing energy of rubber components with complicated shapes. To using the suggested method, fatigue life of an automotive motor mount has been estimated and verified the reliability of this method by using comparison between the estimated values and the actual fatigue life.
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 addition, non-standard rubber materials and their randomness make it hard to make databases. In this paper, the other fatigue life estimation method using tearing energy was suggested. We performed static and dynamic tearing test about automotive vibration rubber materials and a finite element formulation using a virtual crack to calculate the tearing energy of rubber components with complicated shapes. To using the suggested method, fatigue life of an automotive motor mount has been estimated and verified the reliability of this method by using comparison between the estimated values and the actual fatigue life.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
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.
제안 방법
정적 찢김 시험은 Single edge와 Trouser 시편을 사용하였다. 2.3~2.5mm의 두께(t)를 가진 평판(sheet)에서 날카로운 칼날을 이용하여 각각의 형상으로 가공하였고, UTM(INSTRON 5882)를 사용하여 상온상태에서의 찢김 시험을 실시하였다. 이때 인장 속도는 20mm/min를 사용하였다.
피로 시험용 인장(압축) 시험기를 사용하여, 0~4mm(약 40%)의 변형이 4Hz로 가해질 때의 최대 찢김에너지를 계산하고 성장한 균열의 크기를 측정하였다. 균열길이는 뚜렷하고 연속적으로 성장하는 균열들만을 관찰하여 측정하였다. Fig.
동적 찢김 시험은 Single edge 시편을 사용하여, 경도 40, 50, 54의 방진고무에 대하여 실시하였다. 사용된 시편은 피로 시험기의 특성을 감안하여 정적 찢김 시험용 시편보다 길이를 1/4, 폭은 3/4로 축소하여 제작하였고, c0의 길이는 2mm로 가공하였다.
이때 인장 속도는 20mm/min를 사용하였다. 시험 시 발생되는 균열의 길기 변화는 현미경(OLYMPUS STM-MJ52)을 이용하여 관찰하였다.
자동차용 방진고무(vibroisolating rubber) 재료에 대한 정적 및 동적 찢김 시험을 실시하였고, 얻어진 데이터를 바탕으로 피로 수명식을 정의하였다. 이를 사용하여 자동차용 모터 마운트의 수명을 해석적으로 예측하였고, 시험 결과와 비교하여 신뢰성을 평가해 보았다.
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. 이를 사용하여 자동차용 모터 마운트의 수명을 해석적으로 예측하였고, 시험 결과와 비교하여 신뢰성을 평가해 보았다.
사용된 시편은 피로 시험기의 특성을 감안하여 정적 찢김 시험용 시편보다 길이를 1/4, 폭은 3/4로 축소하여 제작하였고, c0의 길이는 2mm로 가공하였다. 피로 시험용 인장(압축) 시험기를 사용하여, 0~4mm(약 40%)의 변형이 4Hz로 가해질 때의 최대 찢김에너지를 계산하고 성장한 균열의 크기를 측정하였다. 균열길이는 뚜렷하고 연속적으로 성장하는 균열들만을 관찰하여 측정하였다.
대상 데이터
이때 사용한 초기 결함(c0)의 길이는 2, 3, 4mm로 가공하여 사용하였다. Trouser 시편은 폭 20mm, 길이 60mm로 제작하였고, 각 다리의 폭(b)은 10mm, 초기 결함의 길이는 약 30mm로 가공하였다. 또한, 다리 부분의 장착길이는 10mm가 되도록 하였다.
동적 찢김 시험은 Single edge 시편을 사용하여, 경도 40, 50, 54의 방진고무에 대하여 실시하였다. 사용된 시편은 피로 시험기의 특성을 감안하여 정적 찢김 시험용 시편보다 길이를 1/4, 폭은 3/4로 축소하여 제작하였고, c0의 길이는 2mm로 가공하였다. 피로 시험용 인장(압축) 시험기를 사용하여, 0~4mm(약 40%)의 변형이 4Hz로 가해질 때의 최대 찢김에너지를 계산하고 성장한 균열의 크기를 측정하였다.
정적 찢김 시험은 Single edge와 Trouser 시편을 사용하였다. 2.
이론/모형
식 (4)에서 a는 증가된 결함의 길이, k는 변형률(ε)과 관계된 변수이다. k는 여러 연구자들에 의해 다양한 식으로 제안되었으나, 본 연구에서는 Greensmith 등의 연구 결과를 사용하였다. 이들이 제안한 k의 계산 방법은 식 (5)와 같다.
찢김에너지 정식화의 신뢰성을 검증하기 위해 Rivlin 시험 결과를 사용하였다. 그는 두께 1.
성능/효과
크랙 선단의 상태, 시편의 불균일성, 시험 및 측정 오차 등을 감안할 때, 찢김에너지는 c0에 독립적이라고 가정할 수 있다. 또한, Fig. 3과 같이 Single edge 시편의 찢김에너지 평균값들과 Trouser 시편의 찢김에너지를 비교할 때, Single edge 시편의 평균값이 Trouser 시편의 값들 사이에 위치하고 있음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 정적 찢김 시험은 시편의 형상에 독립적이며, 복잡한 하중 상태가 아닐 경우 하중의 크기와 방향에 대하여서도 독립적인 특성을 가진다는 것을 확인할 수 있었다.
이와 같은 경우, 각각의 균열 길이를 합산하여 계산하였다. 또한, Fig. 6과 같이 일정한 시험 횟수 이후에는 균열의 성장이 선형적임을 확인할 수 있었다.
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. 비교적 간단한 찢김 시험 데이터만을 가지고 고무 부품의 근사적인 수명을 예측할 수 있다는 점에서 본 논문이 사용한 방법은 내구성 기반의 고무부품 설계 과정에서 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
3과 같이 Single edge 시편의 찢김에너지 평균값들과 Trouser 시편의 찢김에너지를 비교할 때, Single edge 시편의 평균값이 Trouser 시편의 값들 사이에 위치하고 있음을 확인할 수 있었다. 이를 통해 정적 찢김 시험은 시편의 형상에 독립적이며, 복잡한 하중 상태가 아닐 경우 하중의 크기와 방향에 대하여서도 독립적인 특성을 가진다는 것을 확인할 수 있었다.
8N/mm로 계산되었다. 찢김 시험 데이터의 산포를 고려할 때, 가상 균열을 이용한 정식화 방법의 신뢰성을 간접적으로 확인할 수 있었다.
피로 시험 결과로부터 모터부 마운트의 내구수명을 약 100만회라 가정했을 때, 약 90% 정도 근사적인 수명을 예측할 수 있었다. 10% 정도의 오차는 초기 찢김 과정에서의 수명을 무시한 것과 고무 재료의 랜덤성 등의 영향일 것으로 추정된다.
후속연구
비교적 간단한 찢김 시험 데이터만을 가지고 고무 부품의 근사적인 수명을 예측할 수 있다는 점에서 본 논문이 사용한 방법은 내구성 기반의 고무부품 설계 과정에서 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 앞으로 더욱 많은 부품들에 적용하여 신뢰성을 검증 받아야 할 것이다.
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. 비교적 간단한 찢김 시험 데이터만을 가지고 고무 부품의 근사적인 수명을 예측할 수 있다는 점에서 본 논문이 사용한 방법은 내구성 기반의 고무부품 설계 과정에서 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 앞으로 더욱 많은 부품들에 적용하여 신뢰성을 검증 받아야 할 것이다.
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)
참고문헌 (16)
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Choudhury, N. R. and Bhowmick, A. K., 1990, "Strength of Thermoplastic Elastomers from Rubber Polyolefin," J. of Materials Science, Vo.25, pp. 161-167.
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.
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.
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.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.