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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 탄두 전방 구조물의 충격 완화 효과와 이를 고려한 탄두의 감량 설계 가능성에 대하여 분석하였다. 유도탄의 탄두 전방 구조물은 그림 1과 같이 탐색기 (Seeker)와 유도조종 부(Guidance and Control Unit)가 조립되어 있으며 이러한 구조물들은 복합재 레이돔, 알루미늄 케이스, PCB 보드, 나사류, 케이블 등 매우 복잡한 구조를 가지고 있다.
제안 방법
- Honeycombe 알루미늄 박판을 이용하여 벌집 모양 의 다공성 구조물을 제작한 것으로 이러한 소재의 재료를 축 대칭 해석용으로 모델링 하는 것은 어려울 뿐 더러 해석의 정확도를 보장할 수 없으므로 본 해석에서는 그림 7과 같이 알루미늄 원판과 같은 기계적 특성을 가진 다공성 구조물 형상으로 모델링 하여 해석에 적용하였다.
- 관통해석을 수행할 경우 탄두의 전방 구조물의 형상이 매우 복잡하고 다양한 소재로 구성되어 있어 전방 구조물을 모델링하고 해석하는데 많은 어려움이 있으므로 본 연구에서는 전방 구조물의 구조분석을 통하여 중량비를 구하고 이를 토대로 단순화한 모델링을 하였다.
- 그림에서 좌측이 유도탄의 전방이며 원판형의 알루미늄과 알루미늄 honeycomb 그리고 나일론6의 배열은 탐색기와 유도조종 부의 각 부품을 대표할 수 있도록 중량비가 허용하는 범위 내에서 다양한 배열에 대한 관통해석团과 철판관통시험回을 통하여 전방 구조물 의 모사 설계를 결정하였다.
- 그림 8은 전방 구조물이 없는 유한요소해석모델로서 탄체가 표적에 직접 충돌하게 되어있는 모델이다. 두 모델 모두 해석 시간을 줄이기 위해서 표적과의 거리를 최소로 지정하였다.
- 전산모사에서 탄두의 전방 구조물은 형상이 매우 복잡하고 다양한 소재로 구성되므로 전 방 구조물의 구조분석을 통하여 단순화하여 모델링 하였다. 또한, 실제 축소 탄을 이용한 관통시험을23〕수 행하여 이론해석과 전산모사'W의 타당성을 검증하고 전방 구조물이 함대함 유도 탄두의 생존성에 미치는 영향을 분석하였다.
- 본 연구에서 설계한 전방 구조물도 축소형 탄두에 맞추어 축소하여 제작한 후 철판관통시험을 수행하였다. 사진 1은 제작된 축소 탄체와 전방 구조물이다.
- 유도탄 탄두의 전방 구조물 충격 완화 효과를 고려하기 위하여 탄두 전방 모사 구조물을 설계하고 이에 대한 유한요소 해석과 시험을 수행하여 결과를 분석하였다. 결론은 다음과 같다.
- 유한요소해석에 사용된 요소는 축 대칭 (Axisymmetric) 요소를 사용하였고 재료모델링은 'MAT_PLASTIC_KINEMATIC'을 사용하여 선형탄성-선형소성의 탄소성 재료로 모델링 하였다. 즉, 항 복 응력에 이르기 전까지 응력 변형율의 관계는 선형적이며 그 기울기가 탄성계수(Young's Modulus)이 고, 항복응력을 초과하는 응력이 발생하게 되면 소성 계수(Tangent Modulus)의 기울기로 응력변형율의 관계가 결정된다.
- 이론해석과 수치해석으로 분석한 전방 구조물의 충 격 완화 효과 타당성 검증을 위하여 철판 관통시험을 축 소형탄두를 이용하여 수행하였다.
- 탄두와 표적의 충돌에서 전방 구조물이 충격파 (shock wave)의 감쇄(attenuation)에 미치는 효과를 이론적으로 분석하고 전산모사를 이용하여 관통 현상 을 해석하였다. 전산모사에서 탄두의 전방 구조물은 형상이 매우 복잡하고 다양한 소재로 구성되므로 전 방 구조물의 구조분석을 통하여 단순화하여 모델링 하였다. 또한, 실제 축소 탄을 이용한 관통시험을23〕수 행하여 이론해석과 전산모사'W의 타당성을 검증하고 전방 구조물이 함대함 유도 탄두의 생존성에 미치는 영향을 분석하였다.
- 충돌속도는 함대함 탄두의 충돌속도인 289m/s의 속도로 표적에 충돌하는 것으로 설정하였으며 탄두가 표적을 완전히 관통하고 나오는 시간을 고려하여 해 석시간을 결정하였다.
- 탄두와 표적의 충돌에서 전방 구조물이 충격파 (shock wave)의 감쇄(attenuation)에 미치는 효과를 이론적으로 분석하고 전산모사를 이용하여 관통 현상 을 해석하였다. 전산모사에서 탄두의 전방 구조물은 형상이 매우 복잡하고 다양한 소재로 구성되므로 전 방 구조물의 구조분석을 통하여 단순화하여 모델링 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 설계한 전방 구조물도 축소형 탄두에 맞추어 축소하여 제작한 후 철판관통시험을 수행하였다. 사진 1은 제작된 축소 탄체와 전방 구조물이다. 관통시험 결과 관통 후 축소 탄의 형상은 사진 2와 같다.
- 전방 구조물의 전체 무게는 탄두 중량의 30%정도이 고 이 중 약 80% 정도가 알루미늄합금, 나머지 20%는 폴리머, PCB 등으로 이루어져 있다. 전방 구조물을 모 사하기 위하여 알루미늄합금은 원판형의 알루미늄과 알루미늄 honeycomb, 나머지 소재는 원판형의 나일론 6(Nylon6, 밀도: l.lg/cn?)소재를 사용하였으며 형상은 그림 6과 같다.
이론/모형
- 일어나는 절점 또는 요소 단위의 접촉 정의가 필요 없고 파트와 파트의 정의만으로 파트의 모든 부분의 접촉이 가능하다. 본 해석에서는 'Automatic 2~D single surface contact'를 사용하였다. 이 접촉조건은 축 대칭 해석에서 모든 파트의 접촉을 한 번에 정의해 줄 수 있다.
- 일반적인 충돌해석의 경우 라그란 지 안(Lagrangian) 기법이나 오일러리 안(Eulerian) 기법 을 사용하고 있으며 오일러리 안 기법의 경우 정확한 계산을 하기 위해서는 전 계산영역에 대하여 조밀한 요소를 사용해야 하기 때문에 계산 시간이 많이 소 요되고 라그란지 안기 법은 계 산시 간은 오일 러 리 안기 법보다 적게 소요되나 관통과정에서 요소를 소진 (Erosion) 시킴으로써 오차가 발생하게 된다. 본 해석에서는 라그란지안 기법을 이용하여 해석을 수행하였다.
- 양해법 (Explicit) 유한요소해석 프로그램인 LS- DYNA>® 이용하여 2차원 축 대칭(Axisymmetric) 해석을 수행하였다. 일반적인 충돌해석의 경우 라그란 지 안(Lagrangian) 기법이나 오일러리 안(Eulerian) 기법 을 사용하고 있으며 오일러리 안 기법의 경우 정확한 계산을 하기 위해서는 전 계산영역에 대하여 조밀한 요소를 사용해야 하기 때문에 계산 시간이 많이 소 요되고 라그란지 안기 법은 계 산시 간은 오일 러 리 안기 법보다 적게 소요되나 관통과정에서 요소를 소진 (Erosion) 시킴으로써 오차가 발생하게 된다.
성능/효과
- 1) 표적 관통 시 유도탄의 탄두부 전방 구조물은 탄두에 가해지는 충격을 완화하는 역할을 하며 이는 유한요소 해석과 실험을 통하여 탄두의 변형이 5% 이상 감소되는 것을 확인하였다. 탄두는 완충 재에 의하여 생존성이 향상된다.
- 2) 철판 관통시험 결과, 수치해석과 일치되는 경향을 나타내었지만, 완충재가 적용된 탄체의 변형은 다소 오차를 나타내었으며, 이는 수치해석에서 완충 재 재질의 재료모델링과 파손모델링에 기인한 것으로 판단된다. 향후 일대일 탄두실험 및 3차원 정밀 구조해석을 통하여 보다 정확한 자료가 확보된다면 정량적인 완충효과를 산출할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림 12, 13은 전방 구조물이 없는 모델과 전방 구조물이 있는 모델의 표적 관통 시 속도, 가속도 분포비교이다. 관통 후 탄체의 속도는 각각 252m/s와 186m/s이며 가속 도는 최대 130000g 와 30000g로서 전방 구조물의 변형과 소진에 의하여 충돌가속도가 현저히 감소하였고 속도의 감소 또한 상당히 큰 것을 알 수 있다. 이로 인하여 앞서 서술한 탄체의 소성변형율의 차이가 나타난 것으로 판단된다.
후속연구
- 3) 관통형 또는 침투형 탄두 구조물의 생존성향상과 경량화를 위하여 전방 구조물 모사가 아닌 완충재 구조를 적용한 탄두 구조물의 개발이 가능할 것으로 예상된다.
- 2) 철판 관통시험 결과, 수치해석과 일치되는 경향을 나타내었지만, 완충재가 적용된 탄체의 변형은 다소 오차를 나타내었으며, 이는 수치해석에서 완충 재 재질의 재료모델링과 파손모델링에 기인한 것으로 판단된다. 향후 일대일 탄두실험 및 3차원 정밀 구조해석을 통하여 보다 정확한 자료가 확보된다면 정량적인 완충효과를 산출할 수 있을 것으로 판단된다.
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