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문제 정의
- 본 연구에서는 고무재료의 정확한 압축 물성을 구하기 위하여 이축 인장 시험기와 테이퍼진 압축판을 이용한 시험을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 원형판재로 제작된 이축 인장 시편을 방사방향으로 신장시켜 이축 응력과 이축 변형률을 측정할 수 있는 장치를 설계.제작하였으며, 실험에서 얻어진 이축 응력과 이축 변형률을 압축 데이타로 변환하여 단축 압축 시험 값과 비교하여 단축압축시험에서 발생될 수 있는 마찰에 의한 오차를 분석하였다.
- 이축 인장시험의 목적은 상기에서 제시한 것과 같이 정확한 압축물성을 찾기 위한 것이다. 즉, 압축실험 시 발생되는 마찰계수의 영향으로부터 발생되는 오차를 이축 인장시험을 통해 찾아내는 것이 중요하다.
제안 방법
- 제작하였으며, 실험에서 얻어진 이축 응력과 이축 변형률을 압축 데이타로 변환하여 단축 압축 시험 값과 비교하여 단축압축시험에서 발생될 수 있는 마찰에 의한 오차를 분석하였다. 또한, 단순 압축시험 시 압축그립의 접촉형상을 변화시켜 마찰에 의한 오차를 보상하는 방법을 제안하여 이축 인장시험으로부터 구한 순수 응력-변형률 데이터와 비교 검토하였다.
- 쇼어 경도 45, 55 및 65인 고무재료의 이축 인장(equi-biaxal tension), 단순인장 및 압축 (uniaxal test) 그리고 순수전단(pure shear)시험을 수행하였다. 시험결과 이축 인장의 강성이 가장 크게 나타났으며 이어서 순수전단과 단순 인장의 순서로 강성이 작아지는 결과를 알 수 있다.
- 원주방향으로 균일한 하중을 부가하기 위하여 16개의 그립을 고무시편의 가장자리에 체결하였다. 각각의 그립은 동일한 체결력을 유지하며 고무판과 그립사이에 미끄럼이 발생되지 않는 구조이다.
- 즉, 압축실험 시 발생되는 마찰계수의 영향으로부터 발생되는 오차를 이축 인장시험을 통해 찾아내는 것이 중요하다. 유한요소해석을 통해 압축 시편의 시험을 모사하였다. 유한요소 해석은 비 선형 해석에 많이 사용되는 상용 유한요소해석 프로그램(ABAQUS/Standard 6.
- 단점이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 기존의 압축 실험방법에서 마찰에 의한 오차를 개선하려 고 노력 하였으며 , 압축그립 의 접 촉형상을 테이퍼 형으로 제작하였다[6]. KS R 4026, ISO 7743, ASTM D575등에서 제시한 압축시험법에서 고무시편과 접촉되는 그립 면은 형상이 평면이다.
- 즉, 시험과정에서 시편이 그립으로부터 이탈되거나 미끄러짐이 발생된다. 이러한 문제를 해결하기 위해 시편의 두께가 얇아져도 동일한 체결 하중이 작용하도록 그립을 제작하였다[3]. 16개의 그립은 동일한 토크로 체결되어야 하며, 시편의 두께 변화에 따라 일정한 하중이 연속적으로 작용해야 된다.
- 것으로 해석하였다. 이축 인장시험에서 얻은 결과와 압축해석으로부터 얻은 결과가 일치하는가를 분석하였다.
- 이축 인장실험의 결과와 비교하기 위해 고무 시편과 압축그립의 접촉면 마찰계수가 작용하지 않는 것으로 해석하였다. 이축 인장시험에서 얻은 결과와 압축해석으로부터 얻은 결과가 일치하는가를 분석하였다.
- 설계.제작하였으며, 실험에서 얻어진 이축 응력과 이축 변형률을 압축 데이타로 변환하여 단축 압축 시험 값과 비교하여 단축압축시험에서 발생될 수 있는 마찰에 의한 오차를 분석하였다. 또한, 단순 압축시험 시 압축그립의 접촉형상을 변화시켜 마찰에 의한 오차를 보상하는 방법을 제안하여 이축 인장시험으로부터 구한 순수 응력-변형률 데이터와 비교 검토하였다.
- 해석에 사용된 요소 수는 182개이며, 절점 수는 253개이다. 해석 시간을 단축시키기 위해 축대칭 솔리드 형상으로 모델링을 구성하였다[4]. 모델의 중심점은 축 대칭 구속을 하였다.
대상 데이터
- 1)을 활용하였다. 모델의 형상은 Shell형상으로 구성하였으며, 해석에 사용된 요소는 S4R을 사용하였다. 해석에 사용된 요소 수는 182개이며, 절점 수는 253개이다.
- 본 연구에 사용된 고무 시편은 가황 처리된 천연고무 판재를 사용하였다. 시험에 사용된 고무판의 재료는 쇼어 경도 45, 55, 65의 고무 재료를 사용하였다.
- 구성된다. 시험기에 사용된 로드셀(load cell)은 MTS 사의 strain gage형 2.5 kN을 사용하였으며, 레이저액스텐소메타는 FOG사의 0.1〃m의 분해능을 갖는 P-50을 사용하였다.
- 판재를 사용하였다. 시험에 사용된 고무판의 재료는 쇼어 경도 45, 55, 65의 고무 재료를 사용하였다. Fig.
- 모델의 형상은 Shell형상으로 구성하였으며, 해석에 사용된 요소는 S4R을 사용하였다. 해석에 사용된 요소 수는 182개이며, 절점 수는 253개이다. 해석 시간을 단축시키기 위해 축대칭 솔리드 형상으로 모델링을 구성하였다[4].
데이터처리
- 10은 경도 55인 고무시편의 다양한 물성시험 결과를 나타낸다. 이축 인장시험으로 얻어진 응력과 변형률 값을 식(5)와 식(8)을 이용하여 압축응력과 변형률 결과를 얻을 수 있었으며, 단순 압축시험 결과와 비교하였다. 경도가 작은 고무 재료의 경우 압축시험 결과와 큰 차이가 없지만 경도가 큰 재료일수록 압축시험결과와 이축 인장실험으로 얻어진 결과의 차이가 크게 나타났다.
이론/모형
- 유한요소해석을 통해 압축 시편의 시험을 모사하였다. 유한요소 해석은 비 선형 해석에 많이 사용되는 상용 유한요소해석 프로그램(ABAQUS/Standard 6.1)을 활용하였다. 모델의 형상은 Shell형상으로 구성하였으며, 해석에 사용된 요소는 S4R을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 이축 인장시험으로 얻은 이축 응력과 이축 변형률은 압축응력과 압축변형률로 변환할 수 있으며, 이축 인장시험 결과로부터 계산된 압축 응력 값과 압축 변형률 값은 마찰이 작용하지 않는 단순압축시험의 결과와 잘 일치하였다. 즉, 정확한 압축응력과 압축 변형률은 이축 인장시험으로 계산되어야 된다.
- (2) 고무재료의 압축시험 시 발생되는 마찰에 의한 오차는 고무재료의 경도가 증가될수록 크게 나타났다.
- (4) 테이퍼진 압축그립을 이용한 압축시험은 마찰력에 의한 시험 오차를 줄이는 효과가 있으며, 이축 인장시험으로부터 얻은 결과와 유사하게 나타났다.
- 쇼어경도 45, 55, 65인 고무재료의 이축 인장시험 결과는 단축 인장시험및 순수 전단시험 결과와 같이 초탄(hyperelastic) 특성을 나타내는 응력과 변형률곡선을 얻을 수 있었다. 고무재료의 경도가 높을수록 높은 강성을 나타내었다.
- 동일 시편에 시험 횟수가 증가할수록 강성이 낮아지는 경향을 볼 수 있으며 이는 고무조직 내부의 분자구조 변화에 따른 뮬린스 효과(Mullins effect)의해 강성(stiffness)이 낮아지는 것이며, 4회 및 5회 이상 반복실험에서 안정화 되는 경향이 나타났다[5]. 쇼어경도 45, 55, 65인 고무재료의 이축 인장시험 결과는 단축 인장시험및 순수 전단시험 결과와 같이 초탄(hyperelastic) 특성을 나타내는 응력과 변형률곡선을 얻을 수 있었다. 고무재료의 경도가 높을수록 높은 강성을 나타내었다.
- 단순압축시험은 압축 그립의 평면형상과 테이퍼 형상으로 실험하였다. 시험결과 이축 인장시험으로부터 계산된 응력과 변형률 선도 값이 테이퍼진 형상의 압축시험 값과 0.3 변형률 범위에서 유사하게 일치되는 것을 알 수 있었다.
- test) 그리고 순수전단(pure shear)시험을 수행하였다. 시험결과 이축 인장의 강성이 가장 크게 나타났으며 이어서 순수전단과 단순 인장의 순서로 강성이 작아지는 결과를 알 수 있다. Fig.
- 7은 마찰계수를 고려하지 않은 압축해석 결과와 이축 인장실험으로부터 얻은 변환된 압축 결과를 비교한 것이다. 이축 인장시험으로 계산된 압축결과 값이 마찰계수가 고려되지 않은 압축해석 값과 낮은 변형률 범위에서 유사하게 일치됨을 알 수 있었다.
- 경도가 작은 고무 재료의 경우 압축시험 결과와 큰 차이가 없지만 경도가 큰 재료일수록 압축시험결과와 이축 인장실험으로 얻어진 결과의 차이가 크게 나타났다. 즉, 경도가 큰 고무재료를 압축시험으로 얻은 물성으로 하중과 변형률관계를 예측하면 큰 오차가 발생됨을 알 수 있었다.
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