[논문]전산해석을 통한 고무전단강성 예측

권태훈; 김병훈; 노태호; 이원복; 조인현

[국내논문] 전산해석을 통한 고무전단강성 예측
Rubber Shear Modulus Prediction of Finite Element Method 원문보기

권태훈 ((주)한화 대전공장 개발부) , 김병훈 (한국항공우주연구원 추진제어팀) , 노태호 ((주)한화 대전공장 개발부) , 이원복 ((주)한화 대전공장 개발부) , 조인현 (한국항공우주연구원 추진제어팀)

고무제품의 경우 구조성능평가를 위해 단축인장, 순수전단, 이축인장 및 압축시험을 수행한다. 일반적으로 단축인장시험값을 기초물성으로 사용하며 용도에 따라 다른 시험을 수행한다. 검증을 위해 단축인장시험/해석 결과를 비교하여 타당성을 확인했다. 본 연구에서는 전단강성이 주요인자인 제품의 성능평가를 위해 단축인장시험에서 획득한 물성을 적용한 QLS 해석모델의 결과를 비교, 검증하였다.

The qualification test of rubber product is consisted of uniaxial tensile, pure shear, biaxial and compression test. Uniaxial test result is used for material property of Finite Element Method. Comparison of uniaxial tensile test and analysis satisfied requirement. A study has qualificated result of QLS analysis model for material property of uniaxial test and shear modulus.

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문제 정의

본 연구에서는 적용할 제품의 주요물성인 전단 강성(Shear Modulus)의 검증을 위해 재료의단축 인장 시험 결과를 토대로 유한요소해석을수행하여 추후 진행될 제품의 구조 성능해석시필요한 물성의 해석 신뢰도를 비교, 검증하였다.

제안 방법

시험 결과 분석시 전단 계수가 선형성을 나타내야하므로 Secant Method[l]를 사용하여 신장률 100% 구간까지의 기울기를 전단 계수 값으로정의했다. 전단 계수는 평균 0.

대상 데이터

위해 수행된다. 시험을 위해 Fig. 1과같은 시편을 제작했으며, 시편을 제품 제작시마다 3개를 제작하여 인장 시험을 수행했다. 인장시 시험기의 신장 속도는 500mm/min으로 설정했다.

데이터처리

인장 시험과 해석 결과를 비교하기 위해 ABAQUS를 사용하여 모델 생성 후 해석을 수행했다. 해석은 시험 결과와 비교를 위해 신장률 100%, 200%, 600% 과정으로 순차적으로 신장시켰다.
해석에서는 500%까지 시편을 신장시킨 후결과와 비교했다. Fig.
전단 변형이 주요 인자로 작용하는 제품에 적용하기 위해 고무 재료의 단축 인장 시험 및 QLS(Quadruple Lap Shear) 시험을 수행했으며유한요소해석에 적용하기 위해 각각의 시험에대해 해석을 한 후 시험 결과와 비교, 분석하였다.

이론/모형

QLS 시편 규격은 NASA SP 8114[3]에서정한 규격을 사용했다. Fig.
QLS 시편 해석은 단축 인장 시험 해석과 같이 ABAQUS를 사용하여 진행했으며 해석의 정확도를 높이기 위해 3차원 모델을 사용했다.

성능/효과

해석은 시험 결과와 비교를 위해 신장률 100%, 200%, 600% 과정으로 순차적으로 신장시켰다. Fig.
는 시험과 해석을 비교한 결과이다. 결과 비교시 전단 계수와 파단응력은 시험결과와 약 20%정도의 오차가 나타나고 있다.
물성 시험 결과 고무 재료는 단축 인장 시험에서 파단 응력과 변형률이 약 16.0MPaz 600% 수준이며 QLS 시험에서는 약 3.0MPa, 500% 수준으로 나타나고 있다. 해석 결과와 비교시 단축인장 시험 해석에서는 초기 200% 변형까지 시험결과와 오차가 10%이내 수준으로 크지 않지만 QLS 시험 해석에서는 전단 계수와 전단 파단응력이 약 20% 정도의 오차를 나타내고 있음을알 수 있다.
0MPa, 500% 수준으로 나타나고 있다. 해석 결과와 비교시 단축인장 시험 해석에서는 초기 200% 변형까지 시험결과와 오차가 10%이내 수준으로 크지 않지만 QLS 시험 해석에서는 전단 계수와 전단 파단응력이 약 20% 정도의 오차를 나타내고 있음을알 수 있다.
본 연구를 통해 단축 인장 시험에서 계산된고무의 물성값을 QLS 시험과 같은 전단 변형현상에 물성값의 적용이 가능함을 알 수 있다. 추후 전단 해석의 경우 신뢰성을 향상시키기위해 모델의 구속 조건 및 신장 속도, 해석 조건변경이 진행되어야 하며 재료 물성의 경우 정적시험이 아닌 점탄성 물성까지 고려하여 연구를진행할 예정이다.

후속연구

있다. 추후 전단 해석의 경우 신뢰성을 향상시키기위해 모델의 구속 조건 및 신장 속도, 해석 조건변경이 진행되어야 하며 재료 물성의 경우 정적시험이 아닌 점탄성 물성까지 고려하여 연구를진행할 예정이다.

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