변형률 속도를 고려한 원형 튜브의 동적 좌굴 현상의 상계 해석에 관한 연구

Abstract

원형 튜브는 축방향으로 하중을 받으면 좌굴 거동을 한다. 따라서 원형 튜브로 이루어진 에너지 흡수 부재를 설계하는데 좌굴 거동을 이해하는 것이 중요하다. 구조의 동적 탄소성 좌굴은 기하학적 형상, 관성 효과, 대변형, 재료의 비탄성 거동 등의 요인으로 인하여 매우 복잡한 양상을 나타낸다. 상계 해석은 이러한 복잡한 좌굴 현상에 대한 평균 하중과 에너지 흡수 성능을 효과적으로 예측할 수 있는 방법이다. 일반적으로 상계 해석은 재료 또는 구조의 운동학적 가용속도장을 가정함으로써 평균 하중과 에너지 흡수량에 대하여 계산할 수 있다. 보다 정확한 해를 얻기 위해서는 기하학적 형상뿐만 아니라 재료의 동적 효과도 고려해주어야 한다. 좌굴 거동의 운동학적 가용속도장에 대한 연구는 Alexander, Abramowicz 등, Grzebieta 등에 의하여 연구되어 왔다. 본 연구에서는 다양한 형상의 튜브와 하중 조건에 대하여 실험과 유한요소 해석을 실시하여 기존의 연구들을 검증해보았다. 실험 및 유한요소 해석 결과는 주름의 너비와 길이가 튜브의 초기 외경과 두께의 함수임을 나타내고 있으며, 변형률 속도가 증가하면 주름 너비와 높이는 일정한 비율을 유지하며 감소하는 경향이 있음을 보이고 있다. 또한 변형 형상의 자세한 관찰을 통하여 변형 형상은 굽힘에 의한 호 부분과 호와 호 사이에 존재하는 직선 부분으로 나뉘며 직선 부분의 길이는 변형률 속도에 따라 변하는 것을 확인하였다. 기존의 운동학적 가용속도장들은 좌굴 거동을 지나치게 단순화하였고 재료의 변형률 속도 효과를 고려하지 않았기 때문에 이러한 실제 좌굴 거동을 정확하게 묘사하지 못하였다. 그러므로 본 논문에서는 다양한 튜브 형상과 재료의 변형률 속도 효과를 고려하는 새로운 운동학적 가용속도장을 제안하였다. 제안된 운동학적 가용속도장은 재료의 변형률 속도 효과를 고려하여 주름 너비와 높이, 변형 모드의 변화를 예측할 수 있다. 본 연구에서 제안된 운동학적 가용속도장을 적용하여 수행된 상계 해석 결과는 좌굴 거동에 대하여 실험과 유한요소 해석으로부터 얻은 평균 하중과 에너지 흡수량에 대하여 기존의 연구들보다 정확한 값들을 얻을 수 있음을 확인하였다.