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[국내논문] 압입시험을 통하여 초탄성 재료 물성치를 평가하는 단순한 방법
A Simple Method for the Estimation of Hyperelastic Material Properties by Indentation Tests 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.32 no.5, 2019년, pp.273 - 278  

송재욱 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) ,  김민석 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) ,  정구훈 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과) ,  김현규 (서울과학기술대학교 기계자동차공학과)

초록
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본 논문에서는 압입시험을 통해서 초탄성 재료 물성치를 평가하는 간단한 방법을 제시하였다. 초탄성 재료 모델 중, 3개의 물성치($C_{10}$, $C_{20}$, $C_{30}$)를 가지는 Yeoh 모델을 선택하여 주연신률로 표현되는 변형률 에너지 밀도를 적용하였다. Yeoh 물성치를 변화시키며, 구형 압입시험 유한요소해석을 수행하여 압입자 반력-변위 곡선을 획득하였다. 압입자 반력-변위 곡선을 3차 다항식으로 근사하였고, 이 다항식을 물성치($C_{10}$, $C_{20}$, $C_{30}$)의 3차 곱으로 근사된 3차 다항식으로 표현하였다. 압입자 반력-변위곡선 근사를 위해 회귀분석을 진행하여 수식들의 계수를 결정하였으며, 이 회귀식을 이용하여 초탄성 재료의 물성치를 평가하였다. 초탄성 재료 물성치 평가를 수행하고 오차를 비교하여 유효성을 보여 주었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, a new simple method for the estimation of hyperelastic material properties by indentation tests is proposed. Among hyperelastic material models, the Yeoh model with three material properties ($C_{10}$, $C_{20}$, $C_{30}$) is adopted to describe the str...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 압입시험을 이용해 초탄성 재료 물성치를 평가하는 단순한 방법을 개발하였고 수치적으로 검증하였다. 일정 범위 내에서 초탄성 재료 물성치를 변화시키면서 압입 시험에 대한 유한요소해석을 수행하고 압입자 반력-변위 데이터를 획득하였다.
  • 2에 보여주고 있다. 본 연구에서는 재료 물성치 변화에 대한 각각의 유한요소해석 결과를 사용하여 미지의 초탄성 재료의 압입시험에서 얻은 반력-변위 곡선으로부터 재료 물성치를 평가하고자 한다.
  • 본 연구에서는 이전의 연구들을 보다 단순화하여 압입시험의 하중-변위 곡선을 3차식으로 근사하고, 이 식의 계수값들을 초탄성 재료 물성치의 3차항의 곱으로 이루어진 회귀식으로 표현하였다. 이 회귀식을 사용하여 보다 쉽게 초탄성 재료 물성치를 평가하는 방법을 제시하고자 한다.

가설 설정

  • , 2012)에서도 유사하게 보여주고 있다. 따라서 압입 깊이가 작은 구간의 반력 P는 C10의 영향이 지배적이라 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
초탄성 재료의 물성치 평가가 선형 탄성재료와 달리 어려운 이유는 무엇인가? 초탄성(hyperelastic) 재료는 항공기, 자동차와 같은 기계들의 부품을 비롯해서 각종 전자제품 등에 널리 쓰이고 있으며, 이러한 제품들의 역학적 거동을 정확하게 해석하기 위해서는 초탄성 재료의 물성치 평가가 필요하게 된다. 이를 위하여 초탄성 재료의 물성치를 실험적으로 측정하여야 하는데, 선형 탄성재료와 달리 비선형성의 응력-변위 거동을 보이기 때문에 물성치 평가가 어렵게 된다. 초탄성 재료 모델의 계수들을 시편 실험을 통하여 구하는 방법(Jameset al.
hyperelastic 재료의 용도는? 초탄성(hyperelastic) 재료는 항공기, 자동차와 같은 기계들의 부품을 비롯해서 각종 전자제품 등에 널리 쓰이고 있으며, 이러한 제품들의 역학적 거동을 정확하게 해석하기 위해서는 초탄성 재료의 물성치 평가가 필요하게 된다. 이를 위하여 초탄성 재료의 물성치를 실험적으로 측정하여야 하는데, 선형 탄성재료와 달리 비선형성의 응력-변위 거동을 보이기 때문에 물성치 평가가 어렵게 된다.
일반적으로 초탄성 재료의 거동 해석에 많이 사용되는 모델들의 장단점은 무엇인가? 일반적으로 초탄성 재료의 거동 해석에서 Neo-Hookean,Mooney-Rivlin, Ogden 모델을 많이 사용하고 있다. NeoHookean과 Mooney-Rivlin 모델은 간단하게 거동을 표현한다는 장점이 있지만 대변형인 경우 정확도에 한계가 있고,Ogden모델은 대변형에서도 정확한 표현이 가능하지만 높은 차수를 가지기 때문에 많은 수의 물성치를 구해야 하는 단점이 있다(Marckmann et al., 2006; Kim et al.
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참고문헌 (15)

  1. Horgan, C.O., Murphy, J.G. (2009) On The Volumetric Part of Strain-Energy Functions used in the Constitutive Modeling of Slightly Compressible Solid Rubbers, Int. J. Solids & Struct., 46, pp.3078-3085. 

  2. Hwang, K.M., Oh, J.S., Lee, H.Y. (2009) Enhanced Spherical Indentation Techniques for Rubber Property Evaluation, Korean Soc. Mech. Eng. A, 33(12), pp.1357-1365. 

  3. Hyun, H.C., Lee, J.H., Lee, H. (2008) Mathematical Expressions for Stress-Strain Curve of Metallic Material, Korean Soc. Mech. Eng. A, 32(1), pp.21-28. 

  4. Hyun, H.C., Lee, J.H., Kim, M., Lee. H. (2012) A Spherical Indentation Technique for Property Evaluation of Hyperelastic Rubber, J. Mater. Res., 27(20), pp.2677-2690. 

  5. Kim, B., Lee. S.B., Lee. J., Cho. S., Park. H., Yeom. S., Park. S.H. (2012) A Comparison Among Neo-Hookean Model, Mooney-Rivlin Model, and Ogden Model for Chloroprene Rubber, Int. J. Precis. Eng. & Manuf., 13, pp.759-764. 

  6. Kim, W.D., Kim. D.J., Kim. W.S., Lee. Y.S. (2003) A Study on the Equi-biaxial Tension Test of Rubber Material, Trans. Korean Soc. Automot. Eng., 11(5), pp.95-104. 

  7. Lee, H.J., Kim, K.B., Lee, B.S., Lee, B.S. (2003) Analvsis of True Stress-True Strain Relations through the Modeling of Ball Indentation Test, Korean Soc. Mech. Eng. Spring Conf., pp.2660-665. 

  8. Lee, H.Y., Lee, J.H. (2004) Software and Hardware Development of Micro-indenter for Material Property Evaluation of Hyper-Elastic Rubber, Korean Soc. Mech. Eng. A, 28(16), pp.816-825. 

  9. Lee, J.H., Kwon, D. (1997) Evaluation of True Stress-True Strain Curve through Continuous Indentation Test, Korean J. Met. & Mater., 35(12), pp.1616-1625. 

  10. Lee, S., Jun, Y., Kim, H.G. (2014) A Study on the Evaluation of Stress-strain Relationships of Materials by Indentation Tests, Korean Soc. Mech. Eng. Fall Conf., pp.2070-7072. 

  11. Marckmann, G., Verron, E. (2006) Comparison of Hyperelastic Models for Rubberlike Materials, Rubber Chem. & Technol., 79, pp.835-850. 

  12. Ogden, R.W., Saccomadi, G., Sgura, I. (2004) Fitting Hyperelastic Models to Experimental Data, Comput. Mech., 34, p.484. 

  13. Wu, Y., Wang, H., Li, A. (2016) Parameter Identification Methods for Hyperelastic and Hyper-Viscoelastic Models, Appl. Sci., 6(12), p.386. 

  14. Yeoh, O.H. (1990) Characterization of Elastic Properties of Carbon-black-filled Rubber Vulcan -izates, Rubber Chemistry and Technology, 63, pp.792-805. 

  15. Yeoh, O.H. (1993) Some Forms of the Strain Energy Function for Rubber, Rubber Chem. & Technol., 66, pp.754-771. 

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