[논문]자동차 전장 커넥터 방수 시일의 유한요소해석

한정진; 황원태; 김호경

doi:10.9725/kts.2019.35.1.52

자동차 전장 커넥터 방수 시일의 유한요소해석
FEM Analysis of a Waterproof Seal of Automotive Electrical Connectors 원문보기

한국윤활학회지 = Tribology and lubricants, v.35 no.1, 2019년, pp.52 - 58

한정진 (서울과학기술대학교 일반대학원 자동차공학과) , 황원태 (서울과학기술대학교 일반대학원 자동차공학과) , 김호경 (서울과학기술대학교 기계.자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In the case of high-voltage connectors applied to automobiles, waterproofing has become an important issue for the safety of automobiles. In this study, structural analysis is performed on silicone rubber-type waterproof seals used in the voltage connector. For the structural analysis, the tensile properties of the actual rubber seal are evaluated using a miniaturized tensile testing machine. The Mooney-Rivlin material constants of the rubber seal are determined as follows; $D_1=0$, $C_{01}=0.241$, $C_{10}=0.0142$. The analysis shows that the contact pressure at the top of the seal where the seal and male connector are in contact is approximately three times higher than that at the bottom of the seal where the seal and female connector are in contact. It is confirmed that the waterproofing performance of the rubber seal depends on the contact pressure of the seal bottom where the seal and female connector are in contact. The contact pressure for waterproofing is found to be 4.7 bar. The strain concentration of the curved part is attributed to excessive initial tension. Therefore, a redesign is recommended for uniform stress or strain distribution in the curved section of the seal in response to the stress relaxation problem due to permanent deformation.

주제어

표/그림 (11)

그림 Fig. 2. Miniaturized tensile testing machine with vision extensometer system for testing the rubber seal sample.
그림 Fig. 1. (a) Rubber seal sample specimen and (b) standard tensile rubber specimen.
그림 Fig. 3. Comparison of stress-strain curves of standard specimen and seal sample.
그림 Fig. 4. Male/female connector assembly with the rubber seal.
그림 Fig. 5. Quarter model for structural analysis.
그림 Fig. 6. (a) Rubber seal analysis model and (b) seal housing (male, female) analysis model.
그림 Fig. 7. Distribution of contact pressure of lower face of the seal during stretching.
그림 Fig. 8. (a) Distribution of strain of (a) lower and (b) upper faces of the seal during stretching.
그림 Fig. 9. Distribution of contact pressure of lower face of the seal during squeezing.
그림 Fig. 10. Distribution of contact pressure of upper face of the seal during squeezing.
그림 Fig. 11. Seal samples before and after aging tests at 120°C for 500 hours.

AI 본문요약
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문제 정의

구조해석을 위하여 시일의 고무에 대한 인장 물성치를 평가를 하였다. 구조해석을 통하여 시일의 초기장력으로 인한 접촉압력과 암/수 커넥터가 장착 후의 시일에 작용하는 접촉압력을 검토하고자 한다. 최종적으로 시일의 방수 성능과 개선방안을 제안하고자한다.
본 연구에서는 자동차의 고전압용 커넥터에 사용하는 실리콘 고무 계열의 방수 시일에 대하여 구조해석을 수행하고자 한다. 구조해석을 위하여 시일의 고무에 대한 인장 물성치를 평가를 하였다.
본 연구에서는 자동차의 고전압용 커넥터에 사용하는 실리콘 고무 계열의 방수 시일에 대하여 구조해석을 수행하였다. 구조해석을 위하여 실제 시일의 고무에 대한 인장 물성치를 평가를 하였다.
구조해석을 통하여 시일의 초기장력으로 인한 접촉압력과 암/수 커넥터가 장착 후의 시일에 작용하는 접촉압력을 검토하고자 한다. 최종적으로 시일의 방수 성능과 개선방안을 제안하고자한다.

제안 방법

6(b) 의 암 커넥터 모델은 완전구속되어 있는 상태에서 Fig. 6(a)의 고무 시일모델의 Y축과 Z축의 끝 단면을구속하여 고무 시일이 암 커넥터에 안착되었을 때의 길이까지 Y축으로 3.6 mm, Z축으로 2.05 mm만큼 강제변위를 적용하였다. 2단계에서는 스퀴징을 표현하기 위하여 1단계의 구속 조건을 유지하면서 Fig.
한편, 고무해석에 필요한 응력-변형률 (Stress-Strain) 선도와 ABAQUS를 이용하여 Mooney Rivlin[8], Ogden[9]의 재료 상수를 도출하였다. Mooney-Rivlin 상수를 적용한 선도가 Ogden 상수를 적용한 선도보다 시일 시험편의 응력-변형률선도에 보다 근접한 것을 확인하여 Mooney-Rivlin 재료상수를 적용하여 해석을 수행하였다. Mooney-Rivlin 재료상수 D=0, &=0.
구조해석은 해석의 단순화를 위하여 시일의 접촉이 이루어지는 암/수 커넥터 부분의 형상에 대하여 수행하였다. 모델의 형상이 상하좌우가 대칭인 구조이기 때문에 Fig.
한다. 구조해석을 위하여 시일의 고무에 대한 인장 물성치를 평가를 하였다. 구조해석을 통하여 시일의 초기장력으로 인한 접촉압력과 암/수 커넥터가 장착 후의 시일에 작용하는 접촉압력을 검토하고자 한다.
구조해석을 위하여 실제 시일의 고무에 대한 인장 물성치를 평가를 하였다.
구조해석을 통하여 시일의 초기장력으로 인한 접촉압력과 암/수 커넥터가 장착 후의 시일에 작용하는 접촉압력을 검토하였다. 해석을 통하여 시일과 수 커넥터가 접촉되는 시일 상부의 접촉압력이 시일과 암 커넥터가 접촉되는 시일 하부의 접촉압력보다 3배 이상 높게 나타났다.
사료된다. 따라서, 실제로 Fig. 1(a와 같은 고전압용 커넥터 고무 시일과 동일한 재질의 고무 시트에서 채취한 Fig. 1(b)와 같은 표준 시험편에 대하여 인장 시험을 수행하였다. 표준시험편의 인장시험은 KS M 6782: , 가황고무의 인장시험 방법에서 제시하는 아령 3호형 시험편을 선정하였다.
이는 시일이 생산되는 과정에서 curing 되면서 고무의 물성치에 영향을 미치는 것으로 사료된다. 따라서, 제작환경에서 제작된 완성품인 시일 시험편의 인장시험결과를 활용하였다. 한편, 고무해석에 필요한 응력-변형률 (Stress-Strain) 선도와 ABAQUS를 이용하여 Mooney Rivlin[8], Ogden[9]의 재료 상수를 도출하였다.
실제 시일의 경우 폐곡선 형상의 시험편이므로 이를 고정하는 지그를 제작하였다. 변형률 측정을 위하여 시일 표점은 흰색 페인트로 표시를 흥]였으며, 표점거리의 변위는 CCD 카메라를 이용하여 비 접촉식으로 측정하였다.
6(b)의 수 커넥터를 암, 수 커넥터가 결합이 완료되었을 때의 위치로 강제변위를 적용하였다. 시일과 암/수 커넥터는 오일에 의해 윤활이 도포된 관계로, 마찰계수를 0으로 설정하여 contact으로 처리하여 모델링하였다.
2와 같은 초소형 인장시험기를 사용하였다. 실제 시일의 경우 폐곡선 형상의 시험편이므로 이를 고정하는 지그를 제작하였다. 변형률 측정을 위하여 시일 표점은 흰색 페인트로 표시를 흥]였으며, 표점거리의 변위는 CCD 카메라를 이용하여 비 접촉식으로 측정하였다.
Yo(와 Lee는 응력완화가 립 시일의 성능에 미치는 영향을 보고하였다 [2]. 이를 위하여 열가소성 폴리우레탄에 대하여 응력완화 시험을 하고 고무 재료 상수를 추출하였다. 그리고 외부 이물질 유입에 대한 밀봉성능을 확인하기 위해 유한요소해석을 통하여 재질의 응력완화 현상이 립 시일 설계 시 반드시 고려해야 할 사항임을 발표하였다.

대상 데이터

본 연구의 대상인 암/수 커넥터 및 방수 시일의 구조는 Fig. 4와 같다. 시일 해석을 수행 시 총 2단계의 해석이 필요하다.
6(a) 및 6(b)로 모델링하였다. 시일은 3D Solid 요소인 C₃D8H요소로 구성하였으며, 절점 (Node)은 26, 341개, 요소 (Element)수는 22, 540개이다. 암/수 커넥터는 2D Shell 강체 요소인 R3D4요소로 절점은 2, 442개 , 요소는 2, 275개로 구성하였다.
시일의 물성데이터는 ABAQUS를 이용하여 Moony- Rivlin 재료상수를 도출하여 물성 데이터로 사용하였다. 해석모델의 경계조건은 1단계와 2단계로 나누어 작성하였다.
표준시험편의 인장시험은 KS M 6782: , 가황고무의 인장시험 방법에서 제시하는 아령 3호형 시험편을 선정하였다. 실제 시일의 인장시험에는 Fig. 2와 같은 초소형 인장시험기를 사용하였다. 실제 시일의 경우 폐곡선 형상의 시험편이므로 이를 고정하는 지그를 제작하였다.
시일은 3D Solid 요소인 C₃D8H요소로 구성하였으며, 절점 (Node)은 26, 341개, 요소 (Element)수는 22, 540개이다. 암/수 커넥터는 2D Shell 강체 요소인 R3D4요소로 절점은 2, 442개 , 요소는 2, 275개로 구성하였다.
1(b)와 같은 표준 시험편에 대하여 인장 시험을 수행하였다. 표준시험편의 인장시험은 KS M 6782: , 가황고무의 인장시험 방법에서 제시하는 아령 3호형 시험편을 선정하였다. 실제 시일의 인장시험에는 Fig.

이론/모형

따라서, 제작환경에서 제작된 완성품인 시일 시험편의 인장시험결과를 활용하였다. 한편, 고무해석에 필요한 응력-변형률 (Stress-Strain) 선도와 ABAQUS를 이용하여 Mooney Rivlin[8], Ogden[9]의 재료 상수를 도출하였다. Mooney-Rivlin 상수를 적용한 선도가 Ogden 상수를 적용한 선도보다 시일 시험편의 응력-변형률선도에 보다 근접한 것을 확인하여 Mooney-Rivlin 재료상수를 적용하여 해석을 수행하였다.
해석모델의 전처리 과정은 HyperMesh를 이용하였고, Solver는 ABAQUS를 이용하여 Implicit 방식으로 수행하였다. 모델의 전체적인 요소크기는 0.

성능/효과

이를 위하여 열가소성 폴리우레탄에 대하여 응력완화 시험을 하고 고무 재료 상수를 추출하였다. 그리고 외부 이물질 유입에 대한 밀봉성능을 확인하기 위해 유한요소해석을 통하여 재질의 응력완화 현상이 립 시일 설계 시 반드시 고려해야 할 사항임을 발표하였다. Belforte 등은 공압 실린더에 사용되는 시일에 대하여 마찰력과 마모를 줄이기 위하여 얇은 막의 공기 흐름을 적용하여 시일을 설계하는 방안을 해석을 통하여 수행하여 이를 실험결과와 비교하였다 [3].
곡선부분의 응력과 변형률이 집중되는 것은 과도한 초기장력으로 인한 것으로 사료된다. 따라서, 장시간의 장력이 작용하는 상황에서 영구변형으로 인한 응력이완 문제를 고려하여 초기 장력상태에서의 응력이 집중되는 시일의 곡선 구간에서의 균일한 응력 혹은 변형률 분포를 위한 재설계가 바람직한 것으로 나타났다.
이는 해석된 고무 시일의 방수 성능은 시일과 암 커넥터가 접촉되는 시일 하부의 접촉압력에 좌우됨을 확인하였다. 따라서, 해석 시일의 방수성능은 최종적으로 4.7bar로 나타났다. 초기장력 스트레칭 상태와 암/ 수 커넥터 결합 후의 전반적인 응력의 크기가 곡선 부를 제외하고 유사한 것으로 나타났다.
48 MPa의 접촉압력을 유지하다가 B점 부분에서 최소 접촉압력 약간 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 곡선부분에 해당하는 B점부터 C점까지의 접촉압력은 0.47MPaG4.7bar)~0.6MPa(;6bare 높게 발생되는 것을 확인하였다. 따라서, 시일의 기밀성능을 결정하는 것은 최소 접촉압력이므로 하부의 기밀성능은 최소 접촉압력에 해당하는 4.
3을 통하여 두 시험편의 인장 응력-변형률 선도에서 차이를 확인하였다. 변형률 30%에서 시일 시험편의 응력이 표준형 시험편보다 30% 낮게 나타나는 것을 확인하였다. 이는 시일이 생산되는 과정에서 curing 되면서 고무의 물성치에 영향을 미치는 것으로 사료된다.
1%가 집중적으로 분포되어 있는 것을 확인하였다. 본 결과를 통하여 과도하게 집중된 응력이나 변형률은 장시간 사용 시 변형률이 집중된 부분에서의 영구적인 변형이 가속화되어 이로 인하여 시일의 초기 장력이 급격히 감소한다. 즉, 곡선 부분에 인장 영구변형, 응력이완이 발생하여 시일의 내구성 문제를 야기할 수 있다고 판단된다.
9는 시일 하부의 A부터 C점까지의 접촉압력을나타낸 결과이다. 본 그래프를 통하여 시일의 A점부터 B점까지의 구간에서는 0.48 MPa의 접촉압력을 유지하다가 B점 부분에서 최소 접촉압력 약간 감소하는 것을 확인하였다. 또한, 곡선부분에 해당하는 B점부터 C점까지의 접촉압력은 0.
27 MPa로 급감하는 것을 확인하였다. 시일 상부와 하부의 접촉압력 분포는 시일 하부에 비해 시일 상부의 접촉압력이 약 3배 정도 높게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 시일의 기밀 성능을 좌우하는 것은 최소값이다.
10은 시일 상부의 A부터 C점까지의 접촉압력을 나타낸 결과이다. 시일의 A점부터 B 점까지의 구간에서는 1.31 MPa의 접촉압력을 유지하다가 B 점 부분에서 최소 접촉압력 0.47 MPa로 감소하며, 라운드 중간 부분에서는 1.38 MPa 이상으로 증가하다가 C점에서는 1.27 MPa로 급감하는 것을 확인하였다. 시일 상부와 하부의 접촉압력 분포는 시일 하부에 비해 시일 상부의 접촉압력이 약 3배 정도 높게 발생하는 것을 확인할 수 있다.
해석을 통하여 시일과 수 커넥터가 접촉되는 시일 상부의 접촉압력이 시일과 암 커넥터가 접촉되는 시일 하부의 접촉압력보다 3배 이상 높게 나타났다. 이는 해석된 고무 시일의 방수 성능은 시일과 암 커넥터가 접촉되는 시일 하부의 접촉압력에 좌우됨을 확인하였다. 따라서, 해석 시일의 방수성능은 최종적으로 4.
3 bar에서 누설이 발생하는 것을 통하여 확인하였다. 이는 해석상의 결과인 Fig. 9의 B 지점에 해당하는 4.7 bar의 약 9% 정도의 오차를 갖는 값으로 이를 통하여 해석의 정확성을 확인하였다. 참고로, 유효응력과 변형률은 초기장력 상태 해석과 동일하게 라운드 부분에서 각각 1.
0142로 결정하였다. 재료물성치의 유효성에 대한 검증은 시일 시험편에 대하여 Mooney-Rivlin 재료 상수를 적용한 해석결과와 인장실험 데이터가 일치함을 확인하였다.
7 bar의 약 9% 정도의 오차를 갖는 값으로 이를 통하여 해석의 정확성을 확인하였다. 참고로, 유효응력과 변형률은 초기장력 상태 해석과 동일하게 라운드 부분에서 각각 1.3 MPa, 50%로 가장 높은 것을 확인하였다. 이는 초기장력 스트레칭시의 응력과 변형률 값 1.
7bar로 나타났다. 초기장력 스트레칭 상태와 암/ 수 커넥터 결합 후의 전반적인 응력의 크기가 곡선 부를 제외하고 유사한 것으로 나타났다. 곡선부분의 응력과 변형률이 집중되는 것은 과도한 초기장력으로 인한 것으로 사료된다.
해석결과는 본 시일을 적용한 커넥터에 대한 방수 실험을 통하여 약 4.3 bar에서 누설이 발생하는 것을 통하여 확인하였다. 이는 해석상의 결과인 Fig.
검토하였다. 해석을 통하여 시일과 수 커넥터가 접촉되는 시일 상부의 접촉압력이 시일과 암 커넥터가 접촉되는 시일 하부의 접촉압력보다 3배 이상 높게 나타났다. 이는 해석된 고무 시일의 방수 성능은 시일과 암 커넥터가 접촉되는 시일 하부의 접촉압력에 좌우됨을 확인하였다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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