This study aims to evaluate the suitability of various geometrical shapes of biaxial deformation specimens for assessing the biaxial deformation behavior of polymer materials through finite element analysis. The research comprehensively considered various geometries presented in the literature to determine the optimal specimen shape that ensures stress concentration in the gauge section, reduces shear stress, and promotes failure through high plastic deformation in the gauge section. To assess suitability, the average stress in the gauge section and the maximum stress in the notch section during biaxial tensile deformation were quantitatively derived and comparatively analyzed. First, analyzing the stresses in the gauge and notch sections for circular gauge sections with varying curvatures showed that a large curvature in the notch section significantly concentrated stress there, but the benefit to the gauge section stress was minimal. In contrast, an indented notch shape significantly increased stress in the gauge section while substantially alleviating stress concentration in the notch section compared to notches with large curvatures. Regarding the influence of gauge section geometry, it was confirmed that modifying the gauge section to a rhombus shape could alleviate stress in the notch section. Although this alleviation effect was minimal for low-curvature notches, indented notches showed a stress reduction effect of over 5 MPa. These findings are expected to serve as fundamental data for designing biaxial deformation specimens for polymer materials, a topic that has not yet been clearly established.

본 연구는 고분자 재료의 이축 변형 거동을 평가하기 위한 이축 변형 시편의 다양한 기하학적 형상을 고려하여, 이축 주응력 측정의 적합성을 유한요소해석을 통해 평가하고자 한다. 본 연구에서는 이축 변형 시편 설계 시 목표로 하는 게이지 부의 응력 집중 및 전단 응력의 저감과, 높은 소성 변형 유도를 통한 게이지 부 파괴 유도를 위해 기존 문헌에 제시된 다양한 형상을 종합적으로 고려하여 시편 형상의 적합성을 조사하였다. 적합성을 판단하기 위하여, 이축 인장 변형 상에서 게이지 부에서의 평균 응력과 노치부에서의 최대 응력을 정량적으로 도출하여 비교 분석하였다. 우선 가장 많이 활용되는 원형 형태의 게이지부에서 서로 다른 곡률에 따른 게이지 및 노치 부 응력을 분석한 결과, 노치부의 큰 곡률은 노치부 응력을 크게 집중시키지만 게이지 부의 응력에서의 이득은 그리 크지 않은 것으로 조사되었다. 반면에 함몰형 노치부는 게이지 부의 응력을 크게 증가시키며, 큰 곡률을 지닌 노치 부와 비교하였을 시 노치 부 응력 집중을 대폭 완화시키는 것으로 확인되었다. 게이지 부의 형상에 따른 조사 결과로는, 게이지 부 형상의 마름모꼴 변경이 노치 부의 응력을 완화시킬 수 있음이 확인되었다. 낮은 곡률의 경우에 이러한 완화 효과는 미미하지만, 함몰형 노치부의 경우 5MPa 이상의 응력 완화 효과를 나타냄을 확인하였다. 해당 연구 결과는 현재까지 정립되지 않은 고분자 소재의 이축변형시편의 형상을 설계함에 있어서 기초 자료로 활용될 수 있을 것으로 기대한다.

Keywords: 이축변형시험(Biaxial deformation tests), 이축변형시편(Cruciform specimens), 유한요소해석(Finite element analysis), 고분자소재(Polymers), 소성변형(Plastic deformations)