본 연구에서는 안전모 쉘 구조물의 정상부에 돌출부를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우에 대해, 안전모의 두께와 하중면적을 변수로 변형률 에너지 밀도, 응력, 변위거동을 유한요소법으로 해석하였다. 변형률 에너지 밀도는 안전모로 전달되는 충격에너지 전달을 흡수하는 성능을 나타내는 변수로 안전모의 안전성을 고찰하는 중요한 요소 중의 하나이다. 유한요소 해석 결과에 의하면, 4,540N의 충격력이 안전모의 정상부 표면에 가해질 때 충격하중을 받는 하중면적이 증가할수록 최대응력은 선형적으로 줄어든다. 그러나, 최대 변형률 에너지 밀도는 하중면적이 증가할수록 커지는 것으로 나타났다. 변형률 에너지 밀도가 줄어들면, 안전모 착용자의 머리와 목 부분으로 전달되는 충격력은 줄어드는 것으로 나타났으며, 이것은 안전모의 충격에너지 흡수 안전성을 약화시키는 요인이 될 수 있다. 따라서, 안전모의 안전한 설계를 위해서는 정상부에 돌출 구조물을 설치하는 것이 좋지만, 이러한 수정 안전모는 충격에너지 흡수성능 측면에서는 불리함을 알 수 있다.
본 연구에서는 안전모 쉘 구조물의 정상부에 돌출부를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우에 대해, 안전모의 두께와 하중면적을 변수로 변형률 에너지 밀도, 응력, 변위거동을 유한요소법으로 해석하였다. 변형률 에너지 밀도는 안전모로 전달되는 충격에너지 전달을 흡수하는 성능을 나타내는 변수로 안전모의 안전성을 고찰하는 중요한 요소 중의 하나이다. 유한요소 해석 결과에 의하면, 4,540N의 충격력이 안전모의 정상부 표면에 가해질 때 충격하중을 받는 하중면적이 증가할수록 최대응력은 선형적으로 줄어든다. 그러나, 최대 변형률 에너지 밀도는 하중면적이 증가할수록 커지는 것으로 나타났다. 변형률 에너지 밀도가 줄어들면, 안전모 착용자의 머리와 목 부분으로 전달되는 충격력은 줄어드는 것으로 나타났으며, 이것은 안전모의 충격에너지 흡수 안전성을 약화시키는 요인이 될 수 있다. 따라서, 안전모의 안전한 설계를 위해서는 정상부에 돌출 구조물을 설치하는 것이 좋지만, 이러한 수정 안전모는 충격에너지 흡수성능 측면에서는 불리함을 알 수 있다.
In this study, the strain energy density, stress and deformation behaviors have been analyzed as functions of a thickness and a force area of protective helmets with and without an extruder on the top of the shell structure using the finite element method. The strain energy density in which is relat...
In this study, the strain energy density, stress and deformation behaviors have been analyzed as functions of a thickness and a force area of protective helmets with and without an extruder on the top of the shell structure using the finite element method. The strain energy density in which is related to the absorption capacity of an impact energy transfer is one of a key element of the helmet safety. The FEM analyzed results show that when the impulsive force of 4,540N is applied on the top surface of the helmets, the maximum stress is linearly reduced for an increased area of impact forces. But, the maximum strain energy density has been reduced for the increased force area. The reduced strain energy density may increase the impulsive forces transferred to the head and neck of helmet wearers, which may decrease the impact energy absorption safety of the helmets. In thus, it is safer design of the helmet in which has an extruded structure on the summit surface, but the modified helmet may decrease the impact energy absorption capacity.
In this study, the strain energy density, stress and deformation behaviors have been analyzed as functions of a thickness and a force area of protective helmets with and without an extruder on the top of the shell structure using the finite element method. The strain energy density in which is related to the absorption capacity of an impact energy transfer is one of a key element of the helmet safety. The FEM analyzed results show that when the impulsive force of 4,540N is applied on the top surface of the helmets, the maximum stress is linearly reduced for an increased area of impact forces. But, the maximum strain energy density has been reduced for the increased force area. The reduced strain energy density may increase the impulsive forces transferred to the head and neck of helmet wearers, which may decrease the impact energy absorption safety of the helmets. In thus, it is safer design of the helmet in which has an extruded structure on the summit surface, but the modified helmet may decrease the impact energy absorption capacity.
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문제 정의
본 연구에서는 안전모에 작용하는 충격에너지를 안전하게 흡수할 수 있는 설계변수로 변형률 에너지 밀도를 고려하여 종래의 안전모와 돌출 구조물을 갖는 새로운 안전모에 대한 충격에너지 안전성을 비교 고찰하고자 한다. 또한, 안전모의 정상부에 작용하는 충격력을 접수하는 하중면적에 의해 충격에너지 흡수 정도가 달라지므로 이에 관련된 변형률 에너지에 대한 고찰도 함께 수행하고자 한다.
본 연구에서는 안전모에 작용하는 충격에너지를 안전하게 흡수할 수 있는 설계변수로 변형률 에너지 밀도를 고려하여 종래의 안전모와 돌출 구조물을 갖는 새로운 안전모에 대한 충격에너지 안전성을 비교 고찰하고자 한다. 또한, 안전모의 정상부에 작용하는 충격력을 접수하는 하중면적에 의해 충격에너지 흡수 정도가 달라지므로 이에 관련된 변형률 에너지에 대한 고찰도 함께 수행하고자 한다.
5~8은 종래의 안전모와 안전모의 정상부에 돌출 구조물을 장착한 안전모에 대한 충격에너지 흡수성능을 평가한 해석결과이다. 본 연구에서는 안전모의 정상부에 4,540N의 충격력이 가할 때 플라스틱 안전모가 흡수할 수 있는 충격에너지를 추정한 것으로 머리에 전달되는 에너지 감쇄효과를 상대적으로 고찰할 수 있다.
제안 방법
이들 두 가지 설계모델에서 안전모의 두께는 직경에 비해 대단히 작기 때문에 4각 쉘 요소(shell element)를 사용하였고, X축과 Y축에는 대칭적 구속조건을 적용하였다. 또한, 안전모를 바닥면에 놓았을 때의 경계조건은 Z=0을 적용하여 X-Y축의 안전성에 대해 고찰하였다.
1의 안전모에 작용하는 충격에너지를 흡수하는 변형률 에너지 안전성과 강도 안전성을 상대적으로 고찰하기 위해 MSC/MARC[3] 프로그램을 사용하였다. 이들 두 가지 설계모델에서 안전모의 두께는 직경에 비해 대단히 작기 때문에 4각 쉘 요소(shell element)를 사용하였고, X축과 Y축에는 대칭적 구속조건을 적용하였다. 또한, 안전모를 바닥면에 놓았을 때의 경계조건은 Z=0을 적용하여 X-Y축의 안전성에 대해 고찰하였다.
종래의 안전모와 정상부에 돌출 구조물을 갖는 새로운 안전모에 대한 충격강도 안전성과 충격에너지 감쇄효과를 상대적으로 비교하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 플라스틱 안전모는 PC/ABS 소재를 사용하였고, 이 소재에 대한 물성치는 Table 1에서 제시하고 있다.
이론/모형
Fig. 1의 안전모에 작용하는 충격에너지를 흡수하는 변형률 에너지 안전성과 강도 안전성을 상대적으로 고찰하기 위해 MSC/MARC[3] 프로그램을 사용하였다. 이들 두 가지 설계모델에서 안전모의 두께는 직경에 비해 대단히 작기 때문에 4각 쉘 요소(shell element)를 사용하였고, X축과 Y축에는 대칭적 구속조건을 적용하였다.
안전모에 작용하는 충격강도와 충격에너지 흡수성능을 고찰하기 위해서 안전행정부의 산업용 안전모[4]와 미국의 NFPA 1971[5] 기준을 참고로 고찰하였다. 국제적으로 통용되는 안전규격에 따르면 3.
성능/효과
7은 두 가지 안전모에 대한 최대 변형률 에너지 밀도를 제시한 결과이다. FEM 해석결과에 의하면, 안전모의 두께가 두꺼워질수록 충격에너지 밀도는 포물선적으로 떨어지는 결과를 제시하고 있다. 이것은 충격에너지를 흡수하는 감쇄효과가 줄어든다는 것을 의미한다.
0mm의 두께로 제작된 안전모의 정상부에 4,540N의 충격하중을 가할 때 발생한 von Mises 응력분포와 변위량 분포를 각각 보여주고 있다. FEM 해석결과에 의하면, 종래 안전모의 정상부에서 발생한 von Mises 최대응력은 181MPa로 높게 나타났지만, 정상부에 돌출 구조물을 형성한 새로운 안전모 모델에서는 123MPa로 32%나 증가된 강도 안전성을 보여주고 있다. 그렇지만, 이들 해석결과는 플라스틱 소재의 강도 안전성을 고려할 때 대단히 위험한 해석결과라 할 수 있다.
또한, 변위량 분포를 제시한 Fig. 3의 해석결과에 의하면, 종래 안전모의 정상부에서 발생한 최대 변위량은 24.8mm로 큰 변위량을 나타나지만, 정상부에 돌출 구조물을 형성한 안전모 모델에서는 10mm로 59.7%나 감소된 우수한 강도 안전성을 보여주고 있다.
해석 결과에 의하면, 충격력을 받는 하중면적이 증가함에 따라 von Mises 최대응력은 거의 선형적으로 줄어드는 경향을 나타내고 있다. 일례로 충격력을 받는 하중면적이 0.2mm2로 대단히 작을 경우는 69.4MPa의 높은 von Mises 응력을 나타내지만, 하중면적이 4mm2로 20배나 증가할 경우는 39.1MPa로 크게 낮아지는 것을 알 수 있다. 이것은 외부의 비산체가 안전모의 정상부에 부딪힐 때 접수면적을 최대한 크게 충돌할 수 있는 방안을 안전모에 설계하면 유리할 것이라는 데이터이다.
4는 안전모의 정상부에 가한 충격력 4,540N을 가할 때 충격력을 받는 하중면적의 크기에 따라 달라지는 충격강도 안전성을 해석한 결과이다. 해석 결과에 의하면, 충격력을 받는 하중면적이 증가함에 따라 von Mises 최대응력은 거의 선형적으로 줄어드는 경향을 나타내고 있다. 일례로 충격력을 받는 하중면적이 0.
8은 안전모의 정상부에 외부 충격력 4,540N을 가할 때 충격력을 받는 하중면적의 크기에 따라 달라지는 충격에너지 감쇄도 안전성을 해석한 결과이다. 해석결과에 의하면 충격력을 받는 하중면적이 증가함에 따라 최대 충격에너지 밀도는 포물선적으로 줄어드는 경향을 나타내고 있다. 충격력을 받는 하중면적이 0.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
최소한의 안전기준을 만족한 안전모보다 안정성을 충분히 갖춘 안전모를 사용하는 것은 왜 중요한가?
그렇지만, 대부분의 사업장에서 원가절감이라는 명분하에 산업안전기준에서 정한 최소한의 안전기준을 만족한 안전모를 사용하고 있다. 산업재해를 줄이기 위해서는 최소기준을 만족하는 안전모보다는 안전성을 충분히 갖춘 안전모를 선정하여 형식적인 안전보다는 실질적인 개인안전을 확보하는 것이 중요하다.
본 연구에서, 변형률 에너지 밀도는 어떤 요소인가?
본 연구에서는 안전모 쉘 구조물의 정상부에 돌출부를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우에 대해, 안전모의 두께와 하중면적을 변수로 변형률 에너지 밀도, 응력, 변위거동을 유한요소법으로 해석하였다. 변형률 에너지 밀도는 안전모로 전달되는 충격에너지 전달을 흡수하는 성능을 나타내는 변수로 안전모의 안전성을 고찰하는 중요한 요소 중의 하나이다. 유한요소 해석 결과에 의하면, 4,540N의 충격력이 안전모의 정상부 표면에 가해질 때 충격하중을 받는 하중면적이 증가할수록 최대응력은 선형적으로 줄어든다.
본 연구의 유한요소 해석 결과, 충격하중을 받는 하중 면적이 증가할수록 최대 응력은 어떠한가?
변형률 에너지 밀도는 안전모로 전달되는 충격에너지 전달을 흡수하는 성능을 나타내는 변수로 안전모의 안전성을 고찰하는 중요한 요소 중의 하나이다. 유한요소 해석 결과에 의하면, 4,540N의 충격력이 안전모의 정상부 표면에 가해질 때 충격하중을 받는 하중면적이 증가할수록 최대응력은 선형적으로 줄어든다. 그러나, 최대 변형률 에너지 밀도는 하중면적이 증가할수록 커지는 것으로 나타났다.
참고문헌 (5)
Chung Kyun Kim and Do Hyun Kim, "Numerical Study on the Strength Safety and Displacement Behaviors of a Helmet," J. of the KIGAS, 12(4), 34-40, (2008)
Chung Kyun Kim, "On the Damping Effects of Helmet Safety with a Corrugation Damper using Taguchi's Optimization Design," J. of the KIGAS, 12(4), 41-45, (2008)
"MARC user's manual," Ver. K6.1, MARC Analysis Research Co., (1996)
Protective helmets standard, MOEL, (1997. 12. 29)
NFPA standards 1971-2000, National Fire Protection Association, (2007)
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