[논문]동일 충격 에너지 조건에서의 발포 폴리우레탄의 충격특성에 관한 연구

정광영; 최영종; 전성식

[국내논문] 동일 충격 에너지 조건에서의 발포 폴리우레탄의 충격특성에 관한 연구
Crashworthy behaviour of rigid polyurethane foam under constant impact energy 원문보기

정광영 (국립공주대학교 기계자동차공학부) , 최영종 ((주) 이노윌) , 전성식 (국립공주대학교 기계자동차공학부)

Based on experimental impact testing data, due to changing of velocity and mass of the impactor simultaneously under constant impact energy, crashworthiness of polyurethane foam has been observed. Dynamic tests were carried out in an instrumented impact-testing machine. Also, modified Sherwood-Frost model was proposed to investigate the crashworthy behaviour of rigid polyurethane foam under the condition of constant impact energy.

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문제 정의

Langseth 등 [13]은 알루미늄 압출재에 관하여 충격체의 질량을 고정하고 속도에 변화를 가하는 또한 그 반대의 충격시험을 수행하였다. 본 연구에서는 발포 폴리우레탄의 구성방정식을 결정하기 위하여 기존의 Sherwood-Frost 모델에 Impulse-momentum 이론[14]을 접목시킨 새로운 수정 모델을 제시하였다. 또한 동일 충격 에너지 조건에서의 발포 폴리우레탄의 충격시험을 수행하고, 새로운 모델의 결과와 비교, 분석하였다.
본 연구에서는 발포 폴리우레탄의 충돌시 거동 특성을 이해하기 위하여 impulse momentum 이론을 접목한 수정된 Sherwood-Frost 모델을 제시하였다. 이를 통하여 충돌시 시편의 변형거동을 시간에 따라 예측 가능 하였고, 시험치와 비교한 transient velocity, 응력-변형률 선도 및 에너지 흡수 선도가 우수하게 일치하는 것으로 나타났다.

제안 방법

본 연구에서는 발포 폴리우레탄의 구성방정식을 결정하기 위하여 기존의 Sherwood-Frost 모델에 Impulse-momentum 이론[14]을 접목시킨 새로운 수정 모델을 제시하였다. 또한 동일 충격 에너지 조건에서의 발포 폴리우레탄의 충격시험을 수행하고, 새로운 모델의 결과와 비교, 분석하였다.
식 (1) 은 정적 시험과 같이 변형률 속도가 알려진 경우에는 적용이 용이하지만, 충돌과 같이 시험중 변형률 속도가 계속 변화하는 경우에는 사용하기 곤란하다. 이에 따라, 본 연구에서는 식 (3)과 같은 Impulse-momentum 이론을 새롭게 접목시켜, 충돌시 매 시간마다 변화하는 변형률 속도를 예측하였다.
MTS 810 (최대 하중: 100 kN)을 이용하여 상온에서 준정적 압축시험을 수행하였다. 밀도가 64 kg/m³이고, rigid형의 발포 폴리우레탄(주식회사 라 컴텍에서 공급)에 대하여 높이 40mm, 지름 42mm 의 원통 형상의 시편을 준비하였다.
본 발포 폴리우레탄은 약 5% 정도내에서 상대 밀도의 불균일이 존재하는 것을 알 수 있었다. 본 시험은 변형률이 0.9에 도달할 때까지 압축을 가 하였고, 시험은 변형률 속도가 0.001 s^-1 및 0.1 s^-1 의 두가지에 대하여 수행하였다. 시험결과는 Fig.
2 를 통하여, 본 발포 폴리우레탄의 경우에 변형률 속도에 따른 기계적 특성이 변화되는 것을 확인할 수 있었으며, 이에 따라 식 (1)에서 필요한 계수값 및 함수의 형태를 다음과 같이 결정하였다. 형상함수의 계수값은 준정적 시험결과에 가장 잘 맞도록 regression 을 수행하였다[9].
낙하식 충격시험기 (Instron Dynatup 9250 HV)를 사용하여 시험을 수행하였다. 시험은 두개의 초기 충격에너지 수준, 즉 100 J 과 200 J 을 선택하였다.
시험은 두개의 초기 충격에너지 수준, 즉 100 J 과 200 J 을 선택하였다. 또한 각각 동일한 에너지 수준에서 충격체의 질량과 속도에 변화를 세가지로 주어 시험을 수행하였다. 이에 따라, 충격체의 질량은, 26.
그러나, 접선을 긋는 방법이 연구자에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 같은 결과에 대해서도 다른 ODS 를 선택할 가능성이 있다. 따라서, 상대적으로 객관적인 ODS 값을 선택하기 위하여 Fig. 4 와 같이 ODS 의 최소 및 최대를 찾아서 그 평균을 취하였다.

대상 데이터

MTS 810 (최대 하중: 100 kN)을 이용하여 상온에서 준정적 압축시험을 수행하였다. 밀도가 64 kg/m³이고, rigid형의 발포 폴리우레탄(주식회사 라 컴텍에서 공급)에 대하여 높이 40mm, 지름 42mm 의 원통 형상의 시편을 준비하였다. Table 1에 본시편에서 사용된 발포되지 않은 고체상태의 폴리우레탄의 기계적 물성을 보여주고 있다.
낙하식 충격시험기 (Instron Dynatup 9250 HV)를 사용하여 시험을 수행하였다. 시험은 두개의 초기 충격에너지 수준, 즉 100 J 과 200 J 을 선택하였다. 또한 각각 동일한 에너지 수준에서 충격체의 질량과 속도에 변화를 세가지로 주어 시험을 수행하였다.

이론/모형

입력에너지가 같은 경우 plateau 응력은 거의 변화하지 않는 것을 볼 수 있었으나, 충돌속도가 증가할수록 ODS (Onset of Densification Strain)가 늘어나는 것을 볼 수 있었고 이는 충격에너지 흡수량의 증가를 의미하게 된다. 본 연구에서는 ODS 의 결정을 위해 접선을 그어 접선의 교차점을 선택하는 방법을 따랐다 [16,17]. 그러나, 접선을 긋는 방법이 연구자에 따라 달라질 수 있으며, 이에 따라 같은 결과에 대해서도 다른 ODS 를 선택할 가능성이 있다.

성능/효과

본 발포 폴리우레탄은 약 5% 정도내에서 상대 밀도의 불균일이 존재하는 것을 알 수 있었다. 본 시험은 변형률이 0.
Fig. 5 에서는 couple 된 방정식을 이용하여 transient velocity 를 구한 결과를 시험치와 비교하였고, 결과가 상당히 잘 일치하는 것을 볼 수 있었다.
이와 같이 transient velocity, 응력-변형률 선도 및 에너지 흡수 선도에 대한 실험값과 해석값을 비교해 보면, 본 연궤서 새롭게 제시된 수정된 Sherwood-Frost 모델이 우수한 결과를 보이는 것으로 나타났다
본 연구에서는 발포 폴리우레탄의 충돌시 거동 특성을 이해하기 위하여 impulse momentum 이론을 접목한 수정된 Sherwood-Frost 모델을 제시하였다. 이를 통하여 충돌시 시편의 변형거동을 시간에 따라 예측 가능 하였고, 시험치와 비교한 transient velocity, 응력-변형률 선도 및 에너지 흡수 선도가 우수하게 일치하는 것으로 나타났다. 또한 발포 우레탄은 초기 입력되는 충격에너지는 같다 하더라도, 충격 속도가 높아지면, ODS 가 증가하여 에너지 흡수를 높이는 것으로 나타났다.
이를 통하여 충돌시 시편의 변형거동을 시간에 따라 예측 가능 하였고, 시험치와 비교한 transient velocity, 응력-변형률 선도 및 에너지 흡수 선도가 우수하게 일치하는 것으로 나타났다. 또한 발포 우레탄은 초기 입력되는 충격에너지는 같다 하더라도, 충격 속도가 높아지면, ODS 가 증가하여 에너지 흡수를 높이는 것으로 나타났다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

고분자계 다공성 재료는 주로 무엇으로 제조되는가?

현재 다공성 재료는 크게 금속형과 고분자계로 나눌 수 있으며, 금속형은 제조방법에 따라 개방형과 폐쇄형으로 이루어져있다. 이에 반해 고분자계 다공성 재료는 주로 반응사출성형 (RIM, Reaction Injection Moulding)으로 제조된다. 특히 공업적으로 다양하게 활용되고 있는 발포 폴리우레탄 (Polyurethane Foam)은 isocianate 와 polyol 의 반응시 생겨나는 발포반응에 의해 제조되며 역시 구조에 따라 개방형과 폐쇄형으로 나눌 수 있다.

다공성 재료는 어떤 목적으로 이용되고 있는가?

다공성 재료는 충격시 에너지 흡수, 전자기 차폐, 흡음 및 소음 진동 방지 등의 목적으로 자동차, 전자제품 등 여러 분야에서 응용되고 있다. 현재 다공성 재료는 크게 금속형과 고분자계로 나눌 수 있으며, 금속형은 제조방법에 따라 개방형과 폐쇄형으로 이루어져있다.

발포 폴리우레탄 (Polyurethane Foam)은 isocianate 와 polyol 의 반응시 생겨나는 발포반응에 의해 제조되고 개방형과 폐쇄형으로 나눌 수 있는데 이 명칭은 어떻게 정해지는가?

특히 공업적으로 다양하게 활용되고 있는 발포 폴리우레탄 (Polyurethane Foam)은 isocianate 와 polyol 의 반응시 생겨나는 발포반응에 의해 제조되며 역시 구조에 따라 개방형과 폐쇄형으로 나눌 수 있다. 발포 폴리우레탄은 대부분 이두가지 형이 공존하며, 개방형이 많이 분포되면 flexible 이란 표현을 붙여서 flexible 발포 우레탄이라 일컬어지고, 폐쇄형이 상대적으로 많이 분포하게되면, rigid 발포 우레탄이라 불려지고 있다 [1]. Shim 등 [2]은 2-4 m/s 의 범위에서 발포 폴리우레탄에 대한 충격시험을 수행하였고 Meguid 등 [3]은 발포 알루미늄에 대한 통계적 유한요소모델을 제시하였다.

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