우리 일상생활에서 인지하지 못하는 사이에 많은 체결부를 사용하게 됩니다. 주변에 보이는 바지의 지퍼부터 플라스틱 케이스, 상자, 전자장비, 자전거, 자동차 등 다양하게 활용되고 사용 중에 있습니다.
상대적으로 작은 형상을 이용하기 때문에 연성이 큰 스틸 계열이나 플라스틱을 많이 활용하게 되고 큰 변형을 가지고 반복적으로 사용하는 상황이 많습니다. 다양한 형상, 재료 기준으로 제품에 맞는 체결, 분리력과 소성변형의 정도를 파악하고 설계에 반영하는 것이 필요합니다.
체결부에 대한 해석이 필요한 이유는 무엇인가?
체결부에 대해 이야기 할 때 가장 먼저 떠오르는 것은 용접, 볼트 등 이지만 실제로 인지하고 못하고 사용하는 것들 중 가장 많은 것은 형상 크기에 따른 Snap-fit(억지끼움) 설계입니다. 주변에서 가장 손 쉽게 볼 수 있는 것은 플라스틱 버클이라고 볼 수 있습니다. 살짝 휘어서 체결된 후에는 형상적인 차이로 이탈되는 것을 저항하는 매커니즘으로 구동 됩니다. 이 외에도 케이스 내 홈을 통해 고정하거나, 전자 장비의 터미널, 후크, 카라비너 등 다양한 산업군에서 사용되고 있고 매우 편리하게 사용하기도 합니다.
사용하는 당시의 상황을 생각하며 문제점에 대해 생각해보면, 가장 먼저 떠오르는 것은 파손되는 것입니다. 과도한 힘을 주거나 반복적인 사용 중에 끊어져 버리는 문제가 생기기도 합니다. 예측되지 않은 하중에 대하여 항복강도 이상의 소성변형이 발생하고 심하면 짧은 횟수에 파손이 되는 설계적 오류가 발생하는 것입니다. 체결부 파손에 따라 고정된 파트가 이탈되면서 사용성에 큰 문제가 생길 수 있으므로 발생 하중들에 대하여 사전에 설계적으로 반영하는 것이 매우 중요합니다.
체결 구조물에 대해 어떻게 해석적 접근을 할 수 있을까요?
형상을 이용한 Snap-fit 설계에서 가장 중요한 것은 억지 끼움의 정도에 따라 소성 변형의 정도와 안전성을 확인하는 것입니다. 형상 크기의 차이를 이용하여 체결 후 풀림에 저항하는 원리를 이용하기 때문에 강제적인 소성변형이 반복적으로 발생하고 그 정도에 따라 파손 여부 및 체결/분리력을 결정하는 주요한 변수가 됩니다.
항복 강도 이상의 소성영역에서는 변형률 증가에 따라 강성이 변화하므로 실험 결과 혹은 가상의 재료 곡선을 정의하여 비선형 해석으로의 접근이 필요합니다. 재료 곡선에서의 면적은 변형에 의한 에너지 소산량으로 이야기 하며, 항복 강도 변형률 0.2% 대비 일반 스틸의 경우 15~20% 수준으로 약 100배 이상의 면적 차이를 가지고 있어 이를 활용한 설계를 합니다.
이러한 원리를 접촉 비선형과 함께 연계하여 활용한다면 억지 끼움 정도에 대한 정확한 변형의 정도를 파악할 수 있고 그때 발생한 최대의 응력, 변형률 및 잔류 변형 등 다양하게 확인이 가능합니다. 이번 예제에서는 터미널 커넥터로 Snap-fit 설계가 반영된 모델입니다.
비선형 해석을 통해 구조물 체결/분리 시 발생하는 현상에 대해 실제적으로 어떤 값들이 존재하는지, 안전한지 등에 대해 확인하는 것을 주 목적으로 합니다.
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