동일 에너지 조건하에 충격체 질량과 속도변화에 따른 발포 고분자의 흡수 에너지에 관한 실험적 연구 An Experimental Study on the Absorbed Energy of Polymeric Foam According to Different Mass and Impact Velocity Based on the Constant Impact Energy원문보기
본 연구에서는, 발포 폴리프로필렌의 충격에너지 흡수특성이 충격체 질량과 속도중 어느 변수에 더 많은 영향을 받는 지 고찰해 보기 위하여, 충격체 질량과 속도에 변화를 주어 5개의 조합을 만들고, 이 조합들이 동일한 초기 충격에너지 조건(100 J 및 200 J)이 될 수 있도록, 값을 선정한 뒤, 충격시험을 수행하여, 충격에너지 흡수특성을 실험적으로 규명하였다. 또한 발포 폴리프로필렌의 기본적인 특성을 파악하기 위하여, 준정적 시험(Quasistatic test)도 수행되었다. 준정적 시험은 MTS 858을 이용하였고, 충격시험을 위해, Instron dynatup 9250 HV가 사용되었다. 충격시험결과, 발포 폴리프로필렌은 충격체 속도에 비해 질량에 더 많은 영향을 받는 것으로 나타났다.
본 연구에서는, 발포 폴리프로필렌의 충격에너지 흡수특성이 충격체 질량과 속도중 어느 변수에 더 많은 영향을 받는 지 고찰해 보기 위하여, 충격체 질량과 속도에 변화를 주어 5개의 조합을 만들고, 이 조합들이 동일한 초기 충격에너지 조건(100 J 및 200 J)이 될 수 있도록, 값을 선정한 뒤, 충격시험을 수행하여, 충격에너지 흡수특성을 실험적으로 규명하였다. 또한 발포 폴리프로필렌의 기본적인 특성을 파악하기 위하여, 준정적 시험(Quasistatic test)도 수행되었다. 준정적 시험은 MTS 858을 이용하였고, 충격시험을 위해, Instron dynatup 9250 HV가 사용되었다. 충격시험결과, 발포 폴리프로필렌은 충격체 속도에 비해 질량에 더 많은 영향을 받는 것으로 나타났다.
In the present study, impact tests were carried out to investigate the crashworthy behaviour of the expanded polypropylene under the constant incident energy (100 J and 200 J) with five different combinations of striker mass and velocity. Also, preliminary quasi-static test was performed to obtain b...
In the present study, impact tests were carried out to investigate the crashworthy behaviour of the expanded polypropylene under the constant incident energy (100 J and 200 J) with five different combinations of striker mass and velocity. Also, preliminary quasi-static test was performed to obtain basic characteristics of the expanded polypropylene. MTS 858 and Instron dynatup 9250 HV were used for the quasi-static test and impact tests, respectively. In consequence, it was found that the impact energy absorption characteristics of the expanded polypropylene was more influenced by the striker mass instead of the velocity of the striker.
In the present study, impact tests were carried out to investigate the crashworthy behaviour of the expanded polypropylene under the constant incident energy (100 J and 200 J) with five different combinations of striker mass and velocity. Also, preliminary quasi-static test was performed to obtain basic characteristics of the expanded polypropylene. MTS 858 and Instron dynatup 9250 HV were used for the quasi-static test and impact tests, respectively. In consequence, it was found that the impact energy absorption characteristics of the expanded polypropylene was more influenced by the striker mass instead of the velocity of the striker.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는, 발포 폴리프로필렌에 대하여, 초기 충격에너지가 100 J 및 200 J이 될 수 있는 충격체 질량과 속도에 대한 5개의 조합 조건에 따른 충격에너지 흡수를 실험적으로 규명하였고, 충격체 질량과 속도중 어느 것이 충격에너지 흡수에 더 중요한 인자인가를 분석하였다. 또한 발포 폴리프로필렌의 기본적인 특성을 파악하기 위하여, 준정적 시험(Quasi-static test)도 수행되었다.
본 연구에서는 충격체 초기값과 동일한 질량과 변형율에 따라 변하는 속도에 관하여 15배 발포된 폴리프로필렌의 충돌에너지 흡수에 대한 연구가 진행되었다.
제안 방법
Viot은 발포 폴리프로필렌의 정수압 압축특성을 분석하였다[10]. Ozturk와 Anlas는 다중압축을 받는 발포고분자에 대한 유한요소해석을 수행하고, 에너지 흡수를 계산하였다[11,12]. Yang 등은 발포고분자의 에너지 흡수능력에 대한 응력연화거동의 영향을 분석하였다[13].
발포 폴리프로필렌 시편((주)엠피아이씨)은 폴리프로필렌을 약 15배 정도 부피를 증가시켜 제조된 것으로, 시편의 변형거동을 1차원으로 단순화하기 위해, Fig. 1에서 보이는 바와 같이 실린더형으로 시편을 가공하였다.
발포 폴리프로필렌의 기본적인 응력-변형률 특성을 파악하기 위해, 준정적 압축시험이 진행되었다. 준정적 실험은 MTS 858을 이용하여 60 kg/m3의 밀도를 갖는 발포 폴리프로필렌 시편을 0.
본 준정적 시험결과를 토대로, 향후 발포 폴리프로펠린의 충격시험시, 시험기의 충격치 측정기에 과도한 압축력이 발생하지 않도록, 압축변형량 한계값을 약 65%로 선정하여 진행하였다.
이를 위해, 실린더형 발포 폴리프로필렌 시편을 준비하고, 준정적 시험과 충격시험을 수행하였다. 준정적 시험을 통하여, 발포 폴리프로필렌의 덴시피케이션 시작 구간은 60~63%로 확인되었다.
준정적 실험은 MTS 858을 이용하여 60 kg/m3의 밀도를 갖는 발포 폴리프로필렌 시편을 0.001 s−1의 변형율 속도 조건으로 수행되었다.
는 충격체의 속도를 나타낸다. 충격시험은 Instron dynatup 9250 HV를 이용하여 실험을 수행하였다. 초기 충격에너지(Incident impact energy)는 100 J과 200 J을 선택하였다.
준정적 시험을 통하여, 발포 폴리프로필렌의 덴시피케이션 시작 구간은 60~63%로 확인되었다. 충격시험은 동일한 초기 충격에너지 2가지 경우(100 J 및 200 J)를 기준으로 충격체의 질량과 속도에 변화를 주어 5가지 cases를 수행하였다. 초기 충격에너지가 100 J과 200 J인 경우, 모두 충격체의 질량이 증가할수록 탄성구간의 기울기 값이 증가함을 보였고, 반면에 충격체 질량의 증가에 상관없이 정체구간 기울기는 모두 유사하게 나타남을 볼 수 있었다.
충격체의 질량은 시험기의 충격체 내부에 무게를 장착하는 것으로 변화시켰으며, 본 시험기에서는, 충격체의 질량을 5가지로, 즉 7 kg, 11 kg, 16 kg, 21 kg 및 26 kg으로 변화시켜서 시험을 수행하였다. 100 J의 경우 충격체 속도는 각각의 충격체 질량에 대해 5.
대상 데이터
또한 발포 폴리프로필렌의 기본적인 특성을 파악하기 위하여, 준정적 시험(Quasi-static test)도 수행되었다. 준정적 시험은 MTS 858을 이용하였고, 충격시험을 위해, Instron dynatup 9250 HV가 사용되었다.
성능/효과
변형한 계점값은 각 시편에 대하여 60~63% 사이에 비슷하게 존재하였고 변형한계점까지 흡수한 에너지를 각 시편에 대해 계산하였다. 100 J의 입력에너지로 시험했을 경우 Case V일 때 에너지 흡수율이 7.45 kJ/kg으로 가장 높았으며, Case I일 때 에너지 흡수율이 6.18 kJ/kg으로 가장 낮게 측정되었다. 200 J 동일 에너지로 실험한 결과 역시, Case V일 때에 7.
반면 정체 구간의 5가지 경우에는 모두 유사한 기울기 값을 갖는 것을 확인하였다. 200 J 경우에도 마찬가지로 충격체의 질량이 증가할수록 탄성구간 기울기가 최대 160% 크게 나타났으며 정체구간 기울기도 100 J과 마찬가지로 유사한 값을 갖는 것으로 확인되었다. Table 4는 충격 실험 결과 그래프에 대한 내용을 보여주고 있다.
18 kJ/kg으로 가장 낮게 측정되었다. 200 J 동일 에너지로 실험한 결과 역시, Case V일 때에 7.58 kJ/kg으로 가장 큰 값이 측정되었으며, Case I일 때에 6.57 kJ/kg으로 가장 작은 에너지 흡수율이 측정되었다.
Table 1에서는 발포되기 전 폴리프로필렌의 물성이 나타나 있고, Table 2에서는 시편으로 가공된 발포 폴리프로펠린의 측정된 치수 및 밀도가 나타나 있다. 균일하게 발포되어, 60 kg/m3을 기준으로 밀도오차는 약 3.3% 이하인 것을 확인하였다.
동일에너지 조건하에 충돌시 발포 폴리프로필렌의 흡수에너지양은 충격체의 질량과 속도 중에서, 충격체의 질량에 더 많은 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 다시 말하면, 동일에너지 조건하에서 충돌시 변형률 속도의 영향보다는 관성의 영향이 충돌에너지 흡수에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다. 참고로, 충격시험결과 그래프들이 진동하는 모습을 보이는 것은 응력이 시편에 파동(Wave)의 형식으로 전달되고, 또한 전달된 응력파는 반사되어 되돌아오는 현상이 발생하기 때문이다[20].
동일 에너지 조건하에서 충격체 질량이 증가할수록 발포 폴리프로필렌 재질의 탄성 영역 기울기와 정체구간의 평균 응력이 높아져서 흡수 에너지가 더 증가되는 것을 확인할 수 있었다.
동일에너지 조건하에 충돌시 발포 폴리프로필렌의 흡수에너지양은 충격체의 질량과 속도 중에서, 충격체의 질량에 더 많은 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 다시 말하면, 동일에너지 조건하에서 충돌시 변형률 속도의 영향보다는 관성의 영향이 충돌에너지 흡수에 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다.
100 J일 경우에는 충격체 질량이 증가할수록 시편의 탄성 구간 기울기가 최대 220% 높게 나타났다. 반면 정체 구간의 5가지 경우에는 모두 유사한 기울기 값을 갖는 것을 확인하였다. 200 J 경우에도 마찬가지로 충격체의 질량이 증가할수록 탄성구간 기울기가 최대 160% 크게 나타났으며 정체구간 기울기도 100 J과 마찬가지로 유사한 값을 갖는 것으로 확인되었다.
이를 위해, 실린더형 발포 폴리프로필렌 시편을 준비하고, 준정적 시험과 충격시험을 수행하였다. 준정적 시험을 통하여, 발포 폴리프로필렌의 덴시피케이션 시작 구간은 60~63%로 확인되었다. 충격시험은 동일한 초기 충격에너지 2가지 경우(100 J 및 200 J)를 기준으로 충격체의 질량과 속도에 변화를 주어 5가지 cases를 수행하였다.
충격시험은 동일한 초기 충격에너지 2가지 경우(100 J 및 200 J)를 기준으로 충격체의 질량과 속도에 변화를 주어 5가지 cases를 수행하였다. 초기 충격에너지가 100 J과 200 J인 경우, 모두 충격체의 질량이 증가할수록 탄성구간의 기울기 값이 증가함을 보였고, 반면에 충격체 질량의 증가에 상관없이 정체구간 기울기는 모두 유사하게 나타남을 볼 수 있었다. 100 J의 경우 최소 6.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
발포 폴리프로필렌은 어느 분야에 사용되는가?
특히 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene), PVC(Polyvinyl Chloride), 폴리우레탄(PU, Polyurethane)과 같은 고분자는 충격에너지 흡수 뿐 아니라, 전자기 차폐, 흡음 및 소음진동 방지 등의 목적으로 자동차, 전자제품 등 여러 분야에서 응용되고 있다[1]. 그 중에서도 발포 폴리프로필렌은 충격에너지 흡수가 뛰어난 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 자동차 충격 흡수 부재로 범퍼나 도어 빔, 자동차 루프 등 여러 부분에서 적용되어 쓰이고 있다[2,3].
발포고분자에는 어떤 것들이 있는가?
외부로부터 작용하는 충격하중을 흡수하기 위해, 발포고분자가 사용되고 있다. 특히 폴리에틸렌(PE, Polyethylene), 폴리프로필렌(PP, Polypropylene), PVC(Polyvinyl Chloride), 폴리우레탄(PU, Polyurethane)과 같은 고분자는 충격에너지 흡수 뿐 아니라, 전자기 차폐, 흡음 및 소음진동 방지 등의 목적으로 자동차, 전자제품 등 여러 분야에서 응용되고 있다[1]. 그 중에서도 발포 폴리프로필렌은 충격에너지 흡수가 뛰어난 것으로 알려져 있으며, 이에 따라 자동차 충격 흡수 부재로 범퍼나 도어 빔, 자동차 루프 등 여러 부분에서 적용되어 쓰이고 있다[2,3].
충격에너지는 어떤 변수에 좌우되는가?
기존의 진행된 연구내용을 보게되면, 발포 고분자에 대한 충돌에너지 흡수라든지, 구성방정식 결정, 유한요소해석을 통한 충돌하중시 변형거동 분석 및 샌드위치 구조로 이용되었을 때 충돌 변형거동 등에 대부분 초점이 맞추어져 있다. 그러나, 충격에너지는 충격체의 질량과 속도라는 두가지 변수에 좌우되며, 따라서, 동일한 충격에너지를 가하였다 하더라도, 발포 고분자의 재질에 따라, 충격체 질량의 변화에 민감할 수도 있고, 아니면 충격체의 속도에 민감하게 반응할 수도 있다. 그러나, 발포 고분자에 대한 이 두 변수의 영향에 대한 분석은 현재까지 제한적으로만 진행되었다[19].
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