Elastomers and CompositesVol. 47, No. 3, pp. 201~209 (September 2012)

doi: http://dx.doi.org/10.7473/EC.2012.47.3.201

특 집

자동차 그로멧의 유한요소해석 및 노화시험에 대한 연구

이성범† ․염상훈 ․한창용* ․우창수**

인제대학교 기계공학과, 고안전차량핵심기술연구소*쿠쿠전자주식회사 기술연구소

**한국기계연구원 나노융합기계연구본부접수일(2012년 6월 25일), 수정일(2012년 7월 11일), 게재확정일(2012년 7월 16일)

A Study on Finite Element Analysis and Aging Test forAutomotive Grommet

Seong Beom Lee†, Sanghoon Yeom, Chang Yong Han*, and Chang Su Woo**Department of Mechanical Engineering, High Safety Vehicle Core Technology

Research Center, Inje University, Gimhae, Gyeongnam 621-749, Korea*Technique Research Institute, Cuckoo Electronics Co., LTD.,

Yangsan, Gyeongnam 626-210, Korea**Division of nano-convergence mechanical system,

Korea Institute of Machinery & Materials, Daejeon 305-343, Korea(Received June 25, 2012, Revised July 11, 2012, Accepted July 16, 2012)

요 약：그로멧은 자동차의 고무부품들 중의 하나로 에틸렌 프로필렌 고무로 구성되어 있으며, 고무의 비선형 초탄성

성질은 고무제품의 거동을 예측하는데 중요하다. 본 논문에서는, 일축인장시험과 이축인장시험을 통하여 안정된 응력

-변형률 관계를 구하고 그로멧에 대한 유한요소해석을 수행하였고, 수명예측을 위한 노화시험을 소개하였다.

ABSTRACT：Grommet is one of the Automotive rubber components and is made from EPDM(Ethylene Propylene Diene monomer M-class) rubber and the nonlinear hyperelastic material properties of rubber are important to predict the behaviorof rubber product. In this study, the stable stress-strain relations were obtained from the uni-axial tension test and theequi-biaxial tension test. Finite element analysis for grommet was carried out and heat aging test for the lifetime predictionof grommet was introduced.

Keywords：grommet, EPDM, finite element analysis, heat aging test

†Corresponding Author. E-mail: mechlsb@inje.ac.kr

Ⅰ. 서 론

자동차에 대한 수요가 증가함에 따라, 자동차의 부품산업도

함께 성장을 하고 있으며, 자동차의 많은 부품들에 대한 연구

가 활발하게 전개되고 있다. 자동차의 많은 고무 부품들 중에

는 타이어와 같이 자동차의 안전 및 주행 성능과 밀접한 관계

가 있어 크게 주목받고 있는 경우도 있으나, 대부분의 고무부

품들은 기능상의 중요도에도 불구하고, 다른 금속 재질 부품

들에 비하여 큰 관심을 받지 못하여 왔다. 하지만, 최근 자동차

의 내구성과 환경오염 문제가 사회적 이슈로 됨에 따라, 자동

차의 고무제품에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있으며, 최근에는 자동차에 사용되는 액체 및 기체 차단용 고무부품에

대한 연구도 활발하게 진행되고 있다.1

고무는 금속과는 달리 대변형에서도 탄성을 유지하는 초탄

성 특성을 가지고 있으며, 하중과 변형이 비선형관계를 보이

고 있어 고무재료의 비선형 물성 파악이 중요하다.2 또한, 고무

는 플라스틱이나 다른 재료와는 구별되는 여러 가지 독특한

특성을 가지고 있고, 가공하기 위해서는 가황가교 등의 복잡

한 공정을 거쳐야 하며, 한번 가교가 되면 재생할 수 없는 단점

도 가지고 있다.3

이러한 문제점을 개선하기 위하여 합성고무에 대한 많은

연구가 진행되어 EPDM(Ethylene Propylene Diene monomer M-class)고무가 개발되었으며, EPDM고무는 합성고무의 일종

으로, EPDM고무를 이용한 부품으로는 오링, 개스킷, 씰, 롤러

커버, 컨베이어 벨트, 웨더스트립, 그로멧 등이 있다.4

자동차의 EPDM 고무부품 중 하나인 그로멧은 주로 LPG차

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Figure 1. Grommet.

량의 가스연료커플링에 조립되어, 먼지 및 이물질을 막아주는

역할을 하는 기능성 제품으로, Figure 1은 그로멧의 형상을

보여주고 있다. 고무부품에 대한 해석은 비선형 및 대변형에 대한 유한요소

법을 이용하며, 현재 널리 사용되고 있는 상용소프트웨어로는

ABAQUS, MARC, ANSYS 등이 있다.5-8 또한, 초탄성 해석은

Swanson, Sundberg, Haggblad 등에 의하여 연구되어 왔다.9,10

대부분의 고무부품은 환경적인 영향에 의한 노화와 반복하

중에 의한 피로손상 누적으로 수명을 다하게 되므로, 하중과

온도를 고려한 고무부품의 피로수명 예측 및 평가에 대한 연

구가 필요하며, 본 연구에서는 자동차의 여러 고무부품 중 그

로멧을 선정하여, 이에 대한 유한요소해석 및 노화시험을 수

행하였다.

Ⅱ. 본 론

1. 변형률에너지 함수

일반적인 탄성재료는 하중을 가하였다가 제거하면 하중과

변형이 선형적인 관계를 유지하는 범위 내에서는 원래의 상태

로 되돌아오는 탄성거동을 나타낸다. 하지만, 고무재료는 일

반탄성체와는 달리 하중과 변형이 비선형관계를 보이는 대변

형 범위에서도 탄성거동을 나타내는 초탄성 특성을 보여주며, 이러한 고무재료의 특성은 수치적으로 고무재료의 거동을 나

타내는 변형률에너지함수의 계수로 표현할 수 있다.11

고무의 변형을 표현하기 위하여, 재료거동이 탄성 및 등방

성이라는 가정 하에 변형률에너지함수 W는 연신률불변량의

함수와 주연신률의 함수로 식 (1)과 (2)와 같이 표현된다.

(1)

(2)

여기에서, 은 주연신률이며, 재료가 등방성인 경우, 은 다음의 식 (3)-(5)와 같다.

(3)

(4)

(5)

대부분의 고무재료는 비압축성이므로, 이며, 고무의

해석에 널리 사용되고 있는 Mooney-Rivlin모델과 Ogden모델

은 식 (6), (7)과 같다.

Mooney-Rivlin model :

(6)

Ogden model :

(7)

여기에서, , , 은 시험결과로부터 결정되는 재료상수

로서 일축인장시험, 압축시험, 전단시험 등으로부터 얻어지는

응력과 변형률의 관계를 이용하여 결정된다.

2. 재료의 물성시험

자동차 그로멧의 소재가 되는 EDPM고무는 반복되는 하중

을 받으면 초기 상태의 분자구조가 재배치되는 Mullins 효과

가 나타나므로, 유한요소해석을 위해서는 응력-변형률 곡선

의 안정화된 데이터를 이용하여야 한다. 재료의 물성시험으로

는 일축인장시험, 이축인장시험, 압축시험, 전단시험 등이 있

으며, Figure 2는 고무에 대한 일축인장시험, 이축인장시험, 압축시험의 모드를 보여주고 있다.11

일반적으로, 압축시험의 경우에 발생하는 여러 가지 문제점

을 보완하기 위하여 압축시험 대신 이축인장시험을 이용하는

것이 보편적이며, Figure 3은 본 연구에 활용된 일축인장시험

기와 이축인장시험기를 보여주고 있다.12 또한, Figure 4는 고

무의 일축인장시험과 이축인장시험을 위한 시편을 보여주고

있다. 자동차 그로멧의 EPDM 재료에 대한 경도 및 인장강도는

Table 1에 표기하였고, 일축인장시험으로부터 얻은 응력-변형

률 관계는 Figure 5에 나타나 있다.

A Study on Finite Element Analysis and Aging Test for Automotive Grommet 203

(a) Uniaxial tension (b) Equi-biaxial tension (c) Compression

Figure 2. Mode of rubber material test.

(a) Uni-axial tension test equipment (b) Equi-biaxial tension test equipment

Figure 3. Test equipments.

(a) Specimen for Uni-axial tension test (b) Specimen for Equi-biaxial tension test

Figure 4. Specimens for test.

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(a) from Uni-axial tension test (b) from Equi-biaxial tension test

Figure 6. Stress-strain curve.

일축인장시험은 KS규격 아령형 3호 일축인장시편을 사용하

였고, 100 mm/min. 의 속력으로 25%, 50%, 75%, 100%의 변형

률 구간에서 각각 5회의 반복하중을 가하여 응력-변형률 관계

를 획득하였으며, 이축인장시험은 원형시편을 시험기에 장착

하여 40 mm/min.의 속력으로 25%, 50%, 75%, 100%의 변형률

Table 1. Material Property of EPDM

Hardness(IRHD)

Tensile strength(MPa)

Elongation(%)

Modulus

25% 50% 75% 100%

64.1 13.38 452 0.85 1.42 2.09 2.88

Figure 5. Stress-strain curve.

구간에서 원주방향으로 각 5회의 반복하중을 가하여 응력-변형률관계를 구하였으며, 실험결과는 Figure 6에 나타내었다.13

3. 유한요소해석

본 논문에서는 자동차의 그로멧 부품을 대상으로 하였으며, 유한요소해석을 수행하기 위한 그로멧의 모델링은 Figure 7과

같이 단면만을 모델링하여 수직변형에 따른 해석을 수행하였

다. 구속조건으로는 수직변형을 알아보기 위하여 축대칭 조건

을 사용하였으며, 그로멧의 상단과 하단 부위를 강체로 설정

하였다. 하중조건은 아랫방향으로 변위조건을 주어 해석을 수

행하였다.13

Figure 8은 전체 형상의 절반을 모델링하여 수평변형에 따

른 유한요소해석을 수행하였다. 구속조건은 수평변형을 알아

보기 위하여 그로멧의 하단부를 고정하였으며, 대칭 경계조건

Figure 7. Section modeling of Grommet.

A Study on Finite Element Analysis and Aging Test for Automotive Grommet 205

(a) 10mm (b) 10mm (c) 15mm

(d) 15mm (e) 20mm (f) 20mm

Figure 9. Analysis of grommet at vertical load.

Figure 8. Finite Element Analysis for 1/2 model of Grommet.

을 적용하였다. 하중 조건은 중심축을 강체로 설정하여 오른

쪽 30° 방향으로 기울여 유한요소해석을 수행하였다. 비선형 재료 물성값으로는, Mooney-Rivlin모델과 Ogden모델을 이용하였고, 일축인장시험 및 이축인장시험을 통해 얻어

진 응력-변형률 데이터는 유한요소해석의 비선형 재료상수로

이용하기 위해 커브피팅 과정을 통하여 비선형 재료상수를

획득하였다. Table 2, 3은 각각 변형률 범위 25%, 50%, 75%, 100%에 따른

Mooney-Rivlin함수와 Ogden함수의 비선형 재료상수이다.13

Table 2. Nonlinear material constants for Mooney-Rivlin function

Strain range 25% 50% 75% 100% 0.98556 0.72437 0.60808 0.53925

-0.32992 -0.12616 -0.057876 -0.02363

Table 3. Nonlinear material constants for Ogden function

Strain range 25% 50% 75% 100% 4.049 1.8e-5 12.556 0.674

7.4e-7 0.413 1.6e-7 2.764

3.076 0.752 1.0e-5 10.595

4.0e-7 2.995 0.927 0.002

0.583 2.193 0.725 0.002

4.255 7.7e-7 2.819 2.465

Figure 9 (a), (c), (e)는 수직하중에 대한 변형량을 나타내고

있으며 Figure 9 (b), (d), (f)는 수직하중에 대한 형상 변화에

따라 von mises-stress 의 변화를 나타내고 있다. Figure 10 (a), (c), (e)는 수평하중에 대한 변형량을 나타내고

있으며 Figure 10 (b), (d), (f)는 수평하중에 대한 von mises- stress 의 변화량에 따른 형상 변화를 나타낸다.

206 Seong Beom Lee et al. / Elastomers and Composites Vol. 47, No. 3, pp. 201~209 (September 2012)

(a) 14° (b) 14°

(c) 21° (d) 21°

(e) 25° (f) 25°

Figure 10. Analysis of grommet at horizontal load.

A Study on Finite Element Analysis and Aging Test for Automotive Grommet 207

(a) Mooney-Rivlin model (b) Ogden modelFigure 11. Load-displacement curve at vertical load.

(a) Mooney-Rivlin model (b) Ogden modelFigure 12. Von mises-stress result at vertical load.

(a) Mooney-Rivlin model (b) Ogden modelFigure 13. Von mises-stress result at horizontal load.

Figure 11, 12, 13은 각각 수직변형과 수평변형에 따른

Mooney-Rivlin함수와 Ogden함수에 따른 결과 그래프이다. 각

함수에 대한 변형률 값이 작을수록 응력 값이 증가함을 알

수 있다. 또한, Mooney-Rivlin함수의 경우, 25%의 변형률 값에

서의 비선형 재료상수를 사용하였을 때에는 안정된 결과 값을

획득하기 어려움도 확인할 수 있었으며, 수직하중에 비해 각

비선형 재료상수의 값이 작아질수록 von mises-stress 값의 차

이가 감소함을 확인할 수 있었다. 따라서, 고무부품의 물성은

생산방향에 따라 변화함을 알 수 있다.

208 Seong Beom Lee et al. / Elastomers and Composites Vol. 47, No. 3, pp. 201~209 (September 2012)

4. 노화시험

고무 제품의 수명을 판단하는 방법에는 크게 세 가지가 있

다. 첫째로는 실제 고무 제품을 필요한 곳에 사용하여 수명을

직접 판단하는 방법이고, 둘째로는 오랜 기간 동안 고무 제품

을 다룬 전문가의 경험으로 판단하는 방법이며, 셋째로는 실

제 사용 조건보다 가혹한 조건으로 빠른 시간 내에 수명을

판단하는 가속시험법을 사용하는 방법이다. 첫 번째와 두 번

째의 방법은 시간이 너무 많이 소요 된다는 단점이 있고, 가속

시험의 경우에는 고무 제품의 수명 예측과 사용자의 요구조건

이 일치하는 지의 여부가 중요하다. 가속 시험은 상온보다 가

혹한 조건에서 특정 요인에 대한 빠른 시간동안 특성을 저하

시키는 방법으로, 그로멧의 노화특성을 파악하기 위해 여러

가지 환경 조건 중에서 온도를 고려하여 Figure 14와 같은 환

경챔버를 이용하여 높은 온도에서의 열 노화시키는 방법을

선택하였으며, 세 가지 온도 조건 (60 °C, 75 °C, 90 °C)에서

Figure 14. Heat aging tester.

Figure 15. Change of Hardness with time.

Figure 16. Change of Tensile strength with time.

Figure 17. Change of Elongation with time.

3주(21일) 동안 노화시킨 후 그로멧의 경도, 인장강도, 신율

및 영구압축율의 변화를 측정하였다. 본 연구에서는, 3주(21일) 동안 노화시킨 시편을 챔버에서

꺼낸 뒤 상온에서 24시간 방치 한 후 물성을 측정하였다. Figure 15, 16, 17은 각각 온도에 따른 경도, 인장강도 및 신율

의 변화를 나타내고 있다. 경도는 시간이 지남에 따라 증가하

였으며, 신율은 조금 감소함을 알 수 있었다.

Ⅲ. 결 론

본 논문에서는 자동차용 그로멧에 대한 유한요소해석과 노

화시험을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다. 1) 자동차용 그로멧의 재료가 되는 EPDM고무의 물성시험

을 통하여 획득한 시험결과는유한요소해석에 필요한 비선형

재료상수를 획득하는데 필요한 요소이며, 이는 해석 결과에

영향을 미친다.

A Study on Finite Element Analysis and Aging Test for Automotive Grommet 209

2) 그로멧의 거동을 예측하기 위해서는, 정확한 비선형재료

상수가 필요하며, 이 재료상수는 고무의 사용 변형률 범위에

영향을 받으므로, 사용 변형률 범위에 따른 알맞은 비선형 재

료상수값을 선정하여야 한다. 3) 그로멧의 수명은 노화시험을 통하여 예측될 수 있으며, 고무의 노화시험을 수행하는 동안 고무의 경도는 온도가 높고

노화일수가 길어짐에 따라 높음을 알 수 있으며, 인장강도와

신율은 온도가 높고 따라 노화일수가 길어짐에 따라 낮아짐을

알 수 있었다.

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