본 논문에서는 반복하중에 의해 손상을 입은 아스팔트 콘크리트의 점탄성 구성모델에 대한 역학적 접근방법을 제시하였다. 모의변수로 나타낸 탄성-점탄성 일치원리는 아스팔트 콘크리트의 점탄성과 시간의존 손상의 증가를 별도로 평가하도록 적용되었다. 선형-점탄성 파괴역학에 사용되고 있는 미소균열의 증가법칙이 물체내 손상증가를 나타내는데 성공적으로 사용되었다. 응력과 모의변형도로 나타나는 구성방정식은 먼저 변형도조절에 대해 세워졌으며, 응력과 모의변형도를 모의응력과 변형도로 간단하게 대체함으로써 응력조절 구성방정식으로 변형되었다. 모의응력으로 나타낸 변형된 구성방정식은 응력조절모드에서 파괴에 이르는 아스팔트 콘크리트의 모든 역학적 거동을 충분히 예측하고 있다.
정확한 점탄성 재료의 히스테리시스 모델은 에너지 손실을 정량화 하는데 매우 중요하다. 우리는 본 논문에서 대변형 상태의 탄성체에 대한 비선형 초-점탄성 지배방정식 모델을 제시하고자 한다. 본 연구는 Hoofatt의 모델에서 Neo-Hookean 초탄성 모델 대신 Yeoh 초탄성 모델로 지배 방정식을 유도하여 탄성체의 점탄성 거동을 모델링하였다. 또한 폴리우레탄 시편을 사용하여, 평균 변형률 ${\varepsilon}_m=1.5$, 진폭 변형률 ${\varepsilon}_a=0.2{\sim}0.8$, 주파수 f=0.02~0.2의 조건에서 단축 사인형 반복 하중 실험과 제시한 점탄성 모델을 Matlab으로 비교하였다. 본 연구의 점탄성 모델은 변형률이 230% 이상의 대변형 상태의 에너지 손실도 계산할 수 있다.
본 논문에서는 아스팔트 포장의 균열 성장을 분석하기 위해서 확장유한요소법을 사용하였다. 또한 아스팔트의 점탄성 효과를 고려하기 위하여 맥스웰 체인을 이용한 점탄성 구성방정식을 사용하였으며, 균열 모델로는 선형점성균열 모델을 사용하였다. 특히 점탄성 구성방정식을 구성할 때 측정을 통해 얻어지는 온도별 변형계수와 지연시간을 Prony 급수를 이용해 재구성한 크리프 곡선을 직접 사용하지 않고 연속적인 미분이 가능한 멱승 로그 식으로 대체하여 사용하였다. 멱승 로그 식으로 완화시간 스펙트럼(relaxation spectrum)을 계산하여 맥스웰 체인의 부분탄성계수(partial moduli)를 도출하였다. 멱승 로그 적정 식을 통해 구한 맥스웰 체인의 부분 탄성계수는 크리프 곡선을 직접 이용하는 방법으로 구한 부분 탄성계수 보다 안정적인 형태의 곡선을 나타내어 해석을 용이하게 해준다. 개발된 정적균열 해석 모듈을 이용하여 아스팔트 시편의 온도별 정적균열 성장 실험 결과를 성공적으로 모사할 수 있었다.
대부분의 고분자 가공공정에 있어서 가공원액(고분자 액체 또는 용융물)은 선형영역을 벗어나는 큰 크기의 변형을 받으므로 기존의 선형 점탄성 이론으로는 그 공정해석이 불가능하다. 그러므로 대변형하에서 고분자 물질의 비선형 거동 해석은 실제 공정과 관련된 공학적인 관점에서 볼 때 매우 중요한 과제라고 할 수 있다. 특히 응력완화 실험은 점탄성 액체의 비선형 완화 거동을 고찰하고 지금까지 제시된 각종 구성방정식을 평가하는데 유용하다.(중략)
비선형 해석의 중요성이 증가하고 있는 혼합형 고체 추진제의 비선형거동중 재료비선형에 대한 거시적/미시적 현상을 설명하고, 그 주요한 원인으로서 Mullin 효과와 결합제/충전미립자 사이의 접착분리(Dewetting)를 주로 고찰하였다. 이를 응용한 지금까지의 비선형 구성방정식의 개발동향을 검토하여 비교하였으며 최근에 제시되고 있는 손상변수를 분석하였다. 여러 변형률 크기에 대한 응력이완 모듈러스 실험을 통하여 변형률 크기가 손상변수로서 적합하지 않음을 보였으며, 변형률 크기에 따라 모듈러스의 저하가 크기 때문에 비선형 점탄성 해석이 중요한 문제임을 제시하였다.
실험적 사실에 근거하여 고분자 유체의 점탄성 구성방정식에 빈번히 적용되어온 time-strain separability 가설의 타당성을 수학적 안정성 관점에서 분석한다. 안정성 조건으로는 방정식의 빠른 응답과 관련된 Hadamard 안정성과 소산 성질에 의하여 결정되는 소산 안정성이 있으며, asymptotic 분석을 이용한 결과 가설을 따르는 구성방정식은 Hadamard 또는 소산 불안정함이 증명되었다. 응력완화 실험에서 이미 관찰된 짧은 시간영역에서 time-strain separability의 가설이 적용되지 않는다는 사실은 본 결과와 일치한다. 따라서 separability를 구성방정식에 적용하는 것은 수학적 불안정뿐 아니라 열역학적 모순점을 나타내게 되며, 또한 실험에서도 그 타당성의 한계에 주의할 필요가 있다. 더욱이 damping 함수 역시 실제와는 무관한 가상적 값을 제공하므로 damping 함수의 사용은 긴 시간영역에서 응력완화 거동을 기술하기 위한 curve fitting 이상의 의미는 없다 하겠다.
A viscoelastic constitutive equation of rubber is proposed under small oscillatory load superimposed on large static deformation. The proposed model is derived through linearization of Simos nonlinear viscoelastic constitutive model and reference configuration transformation. Statically pre-deformed state is used as reference configuration. The model is extended to a generalized viscoelastic constitutive equation including widely-used Mormans model. Static deformation correction factor is introduced to consider the influence of pre-strain on the relaxation function. The model is tested for dynamic behavior of rubbers with different carbon black fractions. It is shown that the constitutive equation with static deformation correction factor agrees well with test results.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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