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두께에 따른 알루미늄 폼의 파괴 특성에 관한 연구
A Study on Fracture Characteristic of Aluminum Foam by Thickness 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.39 no.10, 2015년, pp.971 - 977  

고등 (공주대학교 대학원 기계공학과) ,  조재웅 (공주대학교 기계자동차공학부)

초록
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발포금속은 우수한 물리적 특성과 역학적 성능 때문에 많은 첨단기술 분야에 널리 사용되고 있다. 폐쇄형 알루미늄 폼은 발포금속 중에 하나이며, 우수한 충격에너지 흡수하는 성능 때문에 자동차와 항공기에 많이 쓰이고 있다. 본 연구에서는 폐쇄형 알루미늄 폼의 충격 실험을 통해 두께에 따른 기계적 특성을 분석하였으며, 검증으로 시뮬레이션 해석을 하였다. 시뮬레이션 해석 방법으로서는 ANSYS 를 이용하여 실험과 똑 같은 경계조건으로 유한요소해석을 진행하였다. 실험과 해석의 결과들을 비교해보면 10mm, 20mm, 30mm 인 경우에 20mm 인 경우는 제일 효율적인 것으로 사료된다. 20mm 의 경우가 시험편의 두께에 비하여 세가지 모델들의 경우에 있어 충격 에너지의 흡수가 가장 큰 것으로 나타났다. 본 연구의 결과들을 이용하면, 알루미늄 폼으로 된 기계 구조물의 개발에 필요한 자료를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Because foam metal has the excellent physical characteristics and mechanical performance, they are applied extensively into a lot of advanced technology areas. The aluminum foam with closed cell is one of the foam metals. It is applied widely into automobile and airplane because of the excellent abs...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 많은 분야에서 충격흡수 심재로 사용되고 있는 폐쇄형 알루미늄 폼의 충격 해석을 통해 기계적 특성을 분석하였다. 알루미늄 폼의 10mm, 20mm, 30mm 인 두께가 3가지 경우에 따라서 충격 실험과 시뮬레이션 해석을 하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
  • 본 연구에서는 먼저 실험을 통하여 시험편의 변형 모습을 관찰하고 시간-하중, 시간-에너지의 관계를 분석하였다. 본 연구에서는 실험재료와 동일한 물성을 지닌 유한요소모델(Finite element model)을 가지고 ANSYS 를 통하여 충격해석을 수행함으로써 하중, 에너지 및 변형량이 실험 데이터와 비슷한지를 검증하였다.

가설 설정

  • 또한 해석에서 스트라이커에 X 축과 Y 축 방향으로 움직일 수 없는 변위를 부여하지 않으면 스트라이커가 시험편에서 받는 반력 때문에 위아래로 가지 않고 다른 방향으로 가기 때문에 스트라이커에 X 축과 Y 축 상에서는 움직일 수 없는 변위를 부여하였다. 그리고 스트라이커는 강체로 되어 있어 변형이 되지 않는다고 가정하고, 실제로 충격 실험하는 시험장치에서의 스트라이커의 질량 및 그 충격에너지에 맞추었다. Table 2는 본 연구에서 사용된 알루미늄 폼의 물성치를 나타낸 것이다.
  • 본 연구에서 나온 실험결과와 시뮬레이션결과가 매우 비슷하게 나온 것을 확인하였다. 해석 시에 알루미늄 폼의 전체 무게를 일정하게 유지한다는 전제하에 평균 기공크기를 크게 하면 그에 반비례하여 알루미늄 폼의 밀도가 작아질 것이고, 알루미늄 폼의 기공을 작게 하면 알루미늄 폼의 밀도가 커질 것이다. 이러한 수치모델 시뮬레이션의 해석 결과는 실제로 관련 알루미늄 폼의 구조물을 개발할 때 상당히 유효한 기계적 변형 및 강도예측 정보를 제공할 수 있다고 사료된다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
알루미늄 폼이란 무엇인가? 발포금속의 우수한 물리적 특성과 역학적 성능 때문에 항공우주, 국방, 차폐 보호, 충격에너지 흡수 등 첨단기술 분야에 널리 사용되고 있다. (1~3) 알루미늄 폼은 내부에 많은 공기 셀 격자를 형성하고 있는 금속소재로, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 용해 후 증점제와 발포제를 첨가하여 스펀지 형상으로 발포시켜 제조한 초경량 금속이다. 기공의 형태에 따라서 개방형(Opened-cell)과 폐쇄형(Closed-cell)으로 나누어지는데 폐쇄형의 공기 셀 격자가 서로 독립하고 폐쇄하는 반면에 개방형의 공기 셀 격자가 서로 연결된다.
알루미늄 폼을 기공의 형태에 따라 구분하시오 (1~3) 알루미늄 폼은 내부에 많은 공기 셀 격자를 형성하고 있는 금속소재로, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 용해 후 증점제와 발포제를 첨가하여 스펀지 형상으로 발포시켜 제조한 초경량 금속이다. 기공의 형태에 따라서 개방형(Opened-cell)과 폐쇄형(Closed-cell)으로 나누어지는데 폐쇄형의 공기 셀 격자가 서로 독립하고 폐쇄하는 반면에 개방형의 공기 셀 격자가 서로 연결된다. (4~6) 이러한 신소재는 가벼운 구조와 우수한 충격에너지 흡수하는 성능 때문에 널리 사용되고 있으며, 미래자동차와 다른 교통 기계에 사용될 수 있어 최근에 알루미늄 폼에 대한 역학적 연구는 많이 진행해왔다.
발포금속은 어떤 분야에 사용되고 있는가? 발포금속은 구조와 기능을 일체화하는 신소재이다. 발포금속의 우수한 물리적 특성과 역학적 성능 때문에 항공우주, 국방, 차폐 보호, 충격에너지 흡수 등 첨단기술 분야에 널리 사용되고 있다. (1~3) 알루미늄 폼은 내부에 많은 공기 셀 격자를 형성하고 있는 금속소재로, 알루미늄이나 알루미늄 합금을 용해 후 증점제와 발포제를 첨가하여 스펀지 형상으로 발포시켜 제조한 초경량 금속이다.
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참고문헌 (12)

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  7. Huiwen, H., Wenjun, L. and Zhenyuan, L., 2012, "Impact crash analyses of an off-road utility vehicle-Part II: Simulation of frontal pole, pole side, rear barrier and rollover impact crashes," International Journal of Crashworthiness, Vol. 17, No. 2, pp.163-172. 

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  11. Jo, S. W. and Kwak, S. Y., 2012, "Analysis of Impact Behavior of Al-Alloy Castings Considering Internal Defects," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 36, No. 12, pp. 1599-1604. 

  12. Park, S. B., Han, D. H. and Kang, L. H., 2014, "Investigation of Impact Detection Characteristics of Piezoelectric Paint According to Boundary Conditions," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 38, No. 12, pp. 1335-1343. 

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