재료물성실험의 불확실성에 따른 초탄성 재료 해석을 위한 비선형 재료모델 상수의 변화 분석

Abstract

고무와 같은 초탄성 재료(Hyperelastic material)는 낮은 하중에서도 대변형의 특성을 갖으며 높은 에너지 흡수율과 낮은 소음특성으로 인하여 기계, 토목 및 해양 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 초탄성 재료는 응력과 변형률이 비선형 관계를 가지므로훅의 법칙(Hooke’s law)이 적용되지 않는다. 따라서 초탄성 재료의 거동모사 및 성능 예측을 위한 해석에는 변형률 에너지 밀도함수(Strain Energy Density Function)로 표현되는 비선형 재료모델이 활용되며 재료모델 상수는 재료물성실험에서 획득되는 응력-변형률 선도를 통하여 획득된다. 특히, 초탄성 재료는 주재료와 첨가재의 종류, 배합조건 및 제작환경 조건에 따라 재료의 특성이 달라지기 때문에 표준화된 물성이 존재하지 않는다. 따라서 초탄성 재료의 거동모사나 성능평가를 위해서는 재료물성실험이 필수적으로 요구된다. 반면, 동일한 재료를 사용하여 동일한 실험을 수행하더라도 시편의 제작공차나 실험기기의 작동 오차 등의 불확실성(Uncertainty)으로 인하여 실험마다 상이한 결과가 도출된다. 이는 해석을 위해 선택한 실험결과에 따라 해석이 달라질 수 있음을 의미한다. 본 연구에서는 천연고무기반 시편을 사용하여 단순인장(Simple Tension Test) 시험을 수행하고 대표적인 3가지 비선형 재료모델(Ogden, Mooney-Rivlin, Arruda-Boyce)에 대하여 재료모델 상수들을 도출하고 상관관계를 분석하여 불확실성에 따른 재료모델 상수들의 변화 및 영향을 분석하였다.