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문제 정의
- 본 연구에서는 많은 시험 횟수와 비용을 줄이고 용접부에 대한 충격 저항성 평가 기준을 마련하기 위한 기초 단계로서 충격에 의해 알루미늄 2519 모재 (Base Plate)에 발생하는 균 建 진전 거동을 모사할 수 있는 동적 충격 해석 (Dynamic Impact Analysis) 모델을 개발하고 충격시험을 수행하여 개발한 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이로부터 알루미늄 2519 소재 두께 변화에 따른 용접부의 충격 저항성 평가 기준 속도를 도출하였다.
- 2) 알루미늄 2519 모재에 대한 임계속도를 두께별 판 재에 대하여 얻었다. 이를 바탕으로 용접부 충돌 속도를 도출함으로서 용접부 충격시험에 적용할 수 있는 기초자료를 구축하였다.
- 특히 판재 두께가 증가할수록 그래프의 기울기가 완만해지므로 속도에 대한 크랙 길이의 민감도는 판재 두께가 증가할수록 감소하는 경향을 보이고 있다. 이상과 같이 각 판재 두께 및 속도변화에 대하여 판재에 발생되는 균열 길이를 얻었으며 얻어진 균열 길이를 이용하여 판재의 임계속도를 구하고 자 한다.
제안 방법
- 임계속도(Critical Velocity)란 균열이 없는 건전한 모재에 충격 탄두의 충돌에 의해 12인치 혹은 그 이상의 균열을 유발시키는 탄두의 속도로 정의된다. 따라서 최소 균열 길이 12인치를 적용한 임계속 도를 얻고 이를 이용하여 알루미늄 2519 용접구조물의 충격성 평가를 위한 용접부 충돌속도를 계산하였다.
- 따라서 온도의 영향이 배제된 단순화된 Johnson- Cook 항복 모델을 사용하였으며 프로그램에서 이를 나 타내 주는 *MAT-SIMPLIFIED-JOHNSON-COOK 재료 모델을 적용하였다. 또한 탄두에 대한 동적 물성 이 없기 때문에 시험에서 얻은 탄두의 변형 형상과 반복해석을 통한 변형 형상을 비교하고 재료 물성 데이터베이스(Material data)”〕를 참고하여 설정하였다. 해석에 적용된 알루미늄 2519 판재 및 충격 탄두의 기계적 물성 및 동적 물성은 표 1에 나타내었다.
- 시험은 먼저 시편을 고정치 구에 견고히 고정시킨 후 탄의 충격지점 (Impact Point)을 명확히 표기한 다음 포와 판재의 충격 면이 서로 수직이 되도록 시편을 조정하고 포와 시편의 거리를 맞춘다. 탄 속 측정을 위하여 탄 속 측정 장비를 설치하고 요구 탄 속을 맞추기 위하여 탄의 추진제의 양을 조절한 다음 시편에 발사하여 탄 속을 계측하고 시편에 발생되는 균열 길이를 측정한다.
- 알루미늄 2519 용접구조물에 대한 용접부 충격속도를 구하기 위하여 탄과 모재에 대한 동적 충격 수치 해석을 수행하고 해석의 타당성을 입증하기 위하여 모재에 충격시험을 수행하여 그 결과를 비교 분석하였다. 알루미늄 2519 모재 두꺼별 임계속도를 구하고 임계속도를 이용하여 추후 용접부 충격시험에 적용될 충돌속도를 계산하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결론은 다음과 같다.
- 알루미늄 2519 용접구조물에 대한 용접부 충격속도를 구하기 위하여 탄과 모재에 대한 동적 충격 수치 해석을 수행하고 해석의 타당성을 입증하기 위하여 모재에 충격시험을 수행하여 그 결과를 비교 분석하였다. 알루미늄 2519 모재 두꺼별 임계속도를 구하고 임계속도를 이용하여 추후 용접부 충격시험에 적용될 충돌속도를 계산하였다.
- 알루미늄 2519 판재의 동적 균열 발생 현상을 모 사하기 위해 개발된 수치해석 모델의 타당성을 검증하고 이로부터 다양한 두께 변화에 대한 용접부의 충격 저항성 평가 기준을 예측하기 위해 방탄 충격시험 (Ballistic Impact Test)을 수행하였다.
- 알루미늄 판재는 균열을 모사하기 위하여 각각의 요소가 공유하는 절점과 동일 위치에 새로운 절점을 생성하고 이들 절점은 요소가 공유하지 않도록 한 다음에 서로 묶어(Tied)주고 파손 유효소성변형률 (Effective Plastic Strain at Failure)을 정의한 다음 파손 유효소성변형률이 어느 정도 이상이 되면 균열이 요소를 따라 전파되게 모델링하였다. 이상과 같이 모델링하기 위하여 별도로 작성된 프로그램을 이용하여 판재 전체에 나타나는 절점들의 셋(Set)을 만들고 이를 이용하여 해석 소프트웨어의 입력 데이터룰 구성하였다.
- 그러나 이렇게 적용된 값이 많은 시험을 통하여 획득된 통계치 이거나 혹은 정량적으로 분석된 값임을 나타내는 자료는 보고되지 않고 있어 적용된 값이 기존 용접부 충격시험에서 수행되었던 경험에서 획득된 경험치라 판단된다. 이들 관계에 대한 분석은 추후 과제로 남겨두고 본 연구에서도 임계속도의 90%를 적용하여 용접부 충돌속도를 계산하였다. 표 6은 판재 두께별 모재의 임계속도와 계산된 용접부의 충돌속도를 나타낸다.
- 본 연구에서는 많은 시험 횟수와 비용을 줄이고 용접부에 대한 충격 저항성 평가 기준을 마련하기 위한 기초 단계로서 충격에 의해 알루미늄 2519 모재 (Base Plate)에 발생하는 균 建 진전 거동을 모사할 수 있는 동적 충격 해석 (Dynamic Impact Analysis) 모델을 개발하고 충격시험을 수행하여 개발한 모델의 신뢰성을 검증하였다. 이로부터 알루미늄 2519 소재 두께 변화에 따른 용접부의 충격 저항성 평가 기준 속도를 도출하였다.
- 이상과 같은 해석 과정을 통하여 알루미늄 2519 38.1mm 판재와 탄두의 속도를 변화 시켜 가면서 해석을 수행하였으며 표 2는 해석 결과를 정리한 것이다.
- 알루미늄 판재는 균열을 모사하기 위하여 각각의 요소가 공유하는 절점과 동일 위치에 새로운 절점을 생성하고 이들 절점은 요소가 공유하지 않도록 한 다음에 서로 묶어(Tied)주고 파손 유효소성변형률 (Effective Plastic Strain at Failure)을 정의한 다음 파손 유효소성변형률이 어느 정도 이상이 되면 균열이 요소를 따라 전파되게 모델링하였다. 이상과 같이 모델링하기 위하여 별도로 작성된 프로그램을 이용하여 판재 전체에 나타나는 절점들의 셋(Set)을 만들고 이를 이용하여 해석 소프트웨어의 입력 데이터룰 구성하였다.
- 판재의 균열 발생은 일반적으로 판재의 압연 방향으로 발생되기 때문에 판재의 수평 방향을 압연 방향으로 가정하고 균열 발생이 예상되는 절점의 파손 유효 소성변형률은 탄의 충돌 시 판재의 균열이 충격지점으로부터 수평방향으로 1%로 적용하였다. 참고자료 却 에서는 금속재인 경우 균열을 유발시키는 파손 유효 소성변형률이 대략 0.6%로 나타나 있으며 이러한 파손 소성 변형률을 결정하기 위하여 값을 변화시켜가면서 반복 해석을 수행하여 시험 결과와 비교적 일치 하는 경향이 나타나는 파손 유효소성변형률 값을 선정하였다.
- 그러나 국내에서 가용한 화기는 76mm 강선포이기 때문에 75mm급 충격 탄과 동일 중량을 갖도록 설계 제작하여 본시 험에 사용하였다. 충격 탄의 비행안정성을 위하여 구리 (Copper) 밴드를 부착하였다.
- 시험은 먼저 시편을 고정치 구에 견고히 고정시킨 후 탄의 충격지점 (Impact Point)을 명확히 표기한 다음 포와 판재의 충격 면이 서로 수직이 되도록 시편을 조정하고 포와 시편의 거리를 맞춘다. 탄 속 측정을 위하여 탄 속 측정 장비를 설치하고 요구 탄 속을 맞추기 위하여 탄의 추진제의 양을 조절한 다음 시편에 발사하여 탄 속을 계측하고 시편에 발생되는 균열 길이를 측정한다.
- 해석에 사용된 요소는 알루미늄 판재의 경우 쉘 요소(Shell Element)를 사용하였으며 충돌체인 탄두의 경우 3차원 솔리드 요소(Solid Element)를 사용하여 모델링하였다. 탄두와 탄체 결합 부분의 실제 형 상은 매우 복잡하지만 탄두의 변형보다는 판재의 거동에 관점을 두었기 때문에 탄두의 충격량을 판재에 그대로 전달될 수 있도록 중량을 맞추어 단순히 모델링하였다. 판재에 대한 요소수는 가로세로 각각 40개씩 모델링 하였다.
- 탄두와 탄체 결합 부분의 실제 형 상은 매우 복잡하지만 탄두의 변형보다는 판재의 거동에 관점을 두었기 때문에 탄두의 충격량을 판재에 그대로 전달될 수 있도록 중량을 맞추어 단순히 모델링하였다. 판재에 대한 요소수는 가로세로 각각 40개씩 모델링 하였다. 판재의 강체 운동(Rigid Body Motion)을 없애기 위하여 판재의 네 모서리 부분의 자유도를 모두 구속하였으며 탄두의 속도(Projectile Velocity)를 적용하기 위하여 탄두의 절점을 셋(Set)으로 구성한 다음 초기속도(Initial Velocity)를 부여하였다.
- 판재에 대한 요소수는 가로세로 각각 40개씩 모델링 하였다. 판재의 강체 운동(Rigid Body Motion)을 없애기 위하여 판재의 네 모서리 부분의 자유도를 모두 구속하였으며 탄두의 속도(Projectile Velocity)를 적용하기 위하여 탄두의 절점을 셋(Set)으로 구성한 다음 초기속도(Initial Velocity)를 부여하였다.
- 판재의 균열 발생은 일반적으로 판재의 압연 방향으로 발생되기 때문에 판재의 수평 방향을 압연 방향으로 가정하고 균열 발생이 예상되는 절점의 파손 유효 소성변형률은 탄의 충돌 시 판재의 균열이 충격지점으로부터 수평방향으로 1%로 적용하였다. 참고자료 却 에서는 금속재인 경우 균열을 유발시키는 파손 유효 소성변형률이 대략 0.
- 탄두(Projectile)의 변형 형상(Deformed Shape)과 알루미늄 판재에 발생되는 균열 길이를 얻기 위하여 양해법 (Explicit) 유한요소 소프트웨어인 LS-DYNA를 이용하여 동적 충격 해석을 수행하였다. 해석은 탄과 판재 간에는 접촉(Contact)을 정의하고 판재에 발생되는 균열을 모사하기 위한 모델링을 수행하였다.
대상 데이터
- 미국 군사규격 s에서 제시한 알루미늄 2519 용접부의 충격시험에 사용되는 충격 탄은 직경이 75mm로서 순수 알루미늄인 1100 소재로 규정되어있는 판재가 공탄(Plate-Proofing Projectile) 이다. 그러나 국내에서 가용한 화기는 76mm 강선포이기 때문에 75mm급 충격 탄과 동일 중량을 갖도록 설계 제작하여 본시 험에 사용하였다. 충격 탄의 비행안정성을 위하여 구리 (Copper) 밴드를 부착하였다.
- 미국 군사규격 s에서 제시한 알루미늄 2519 용접부의 충격시험에 사용되는 충격 탄은 직경이 75mm로서 순수 알루미늄인 1100 소재로 규정되어있는 판재가 공탄(Plate-Proofing Projectile) 이다. 그러나 국내에서 가용한 화기는 76mm 강선포이기 때문에 75mm급 충격 탄과 동일 중량을 갖도록 설계 제작하여 본시 험에 사용하였다.
- 알루미늄 2519 모재에 대한 충격시험은 충격 탄 (Impact Projectile)을 발사시킬 수 있는 포(Gun), 시 편을 견고히 지지할 수 있도록 제작된 시편고정치구, 탄 속 측정을 위한 속도 계측 장비로 구성된다. 시편은 용접부가 없는 알루미늄 2519 판재로 크기는 700x 700x38.1(mm)이며 포와 시편의 거리는 탄의 비행 안 정성과 탄의 요구 속도를 만족시키기 위하여 26m로 설정하였다. 그림 7은 시험 구성 장치의 개략도를 나타낸다.
- 이상과 같이 시험과 수치해석을 통하여 나타난 균 열길이를 비교 검토하여 해석의 신뢰성을 입증하였고 최종적으로는 각 판재 두께별 임계속도 및 용접부 충돌속도를 도출하여 알루미늄 2519 용접부 충격시험을 위한 기초자료를 획득하였다.
- 5mm로 실제 균 열길이를 정확히 나타내기에는 다소 크기 때문에 발 생된 오차라 판단된다. 플레이트에 발생되는 크랙은 해석 요소의 크기를 작게 할수록 정확히 모사가 되겠지만 반복해석을 위한 해석 시간을 고려하고 요소의 크기가 해석 결과에 영향을 주지 않는 범위 내에서 요 소의 길이를 17.5mm로 선정하였다.
- 해석에 사용된 요소는 알루미늄 판재의 경우 쉘 요소(Shell Element)를 사용하였으며 충돌체인 탄두의 경우 3차원 솔리드 요소(Solid Element)를 사용하여 모델링하였다. 탄두와 탄체 결합 부분의 실제 형 상은 매우 복잡하지만 탄두의 변형보다는 판재의 거동에 관점을 두었기 때문에 탄두의 충격량을 판재에 그대로 전달될 수 있도록 중량을 맞추어 단순히 모델링하였다.
- 해석에 이용된 판재의 두께는 각각 25.4, 31.8, 38.1, 44.5mm이며 속도변화에 대한 해석의 결과로 얻어진 예측된 균열의 길이를 그림 10에 나타내었다.
- 또한 탄두에 대한 동적 물성 이 없기 때문에 시험에서 얻은 탄두의 변형 형상과 반복해석을 통한 변형 형상을 비교하고 재료 물성 데이터베이스(Material data)”〕를 참고하여 설정하였다. 해석에 적용된 알루미늄 2519 판재 및 충격 탄두의 기계적 물성 및 동적 물성은 표 1에 나타내었다.
이론/모형
- 따라서 온도의 영향이 배제된 단순화된 Johnson- Cook 항복 모델을 사용하였으며 프로그램에서 이를 나 타내 주는 *MAT-SIMPLIFIED-JOHNSON-COOK 재료 모델을 적용하였다. 또한 탄두에 대한 동적 물성 이 없기 때문에 시험에서 얻은 탄두의 변형 형상과 반복해석을 통한 변형 형상을 비교하고 재료 물성 데이터베이스(Material data)”〕를 참고하여 설정하였다.
- A12519 판재의 동적 물성 (Dynamic Material Property)을 얻기 위흐}. 여 홉킨슨 봉 시험(Hopkinson Bar Test)을 통하여 Johnson-Cook® 모델에 대한 동적 물성을 구하였다. 해석에 적용된 Johnson-Cook의 항복 모델의 이론 식은 식 (1) 과 같다.
- 탄두(Projectile)의 변형 형상(Deformed Shape)과 알루미늄 판재에 발생되는 균열 길이를 얻기 위하여 양해법 (Explicit) 유한요소 소프트웨어인 LS-DYNA를 이용하여 동적 충격 해석을 수행하였다. 해석은 탄과 판재 간에는 접촉(Contact)을 정의하고 판재에 발생되는 균열을 모사하기 위한 모델링을 수행하였다.
성능/효과
- 1) 동적 충격 수치해석을 통하여 균열의 발생 및 진전 거동을 분석하였고 판재에 발생되는 균열의 길이를 정량적으로 산출하였으며 시험 결과와 비교하여 해석의 타당성을 입증하였다.
- 세로축은 예측된 균열 길이를 나타내고 있다. 대략적으로 예측된 균열 길이는 주어진 속 도범 위에서 판재 두께에 따라 다르지만 140~530mm의 범위에 있는 것으로 예측되었다.
- 9ms까지 판재에 모든 충격량을 전달하고 그 이후에는 판재로부터 이탈된다. 또한 판재의 균열이 그 이상 진전되지 않는 것을 감안할 때 적용된 해석 시간은 타당함을 알 수 있다. 그림 2는 해석을 위한 유한요소 모델 형상을 나타낸 것이다.
- 이상과 같이 해석에서 얻은 결과를 시험 결과와 비교하여 해석의 신뢰성을 입증할 수 있었으며 이를 바탕으로 판재 두께와 탄 속을 변경시켜가면서 해석을 수행하여 판재에 발생되는 균열 길이를 얻었다.
- 충격시험 결과 탄의 충돌속도(Striking Velocity)와 모재에 발생하는 균열 길이와 탄두의 충돌 전후의 변형 형상을 얻었다. 그림 9는 시편에 발생된 균열과 충돌 시 변형된 탄두의 형상을 나타낸다.
- 그림 10에서 나타났듯이 전반적으로 탄의 충돌속도 가 증가할수록 발생되는 균열의 길이도 어떠한 특이한 경향을 보이지 않고 거의 선형적으로 증가하는 것으로 나타났다. 특히 판재 두께가 증가할수록 그래프의 기울기가 완만해지므로 속도에 대한 크랙 길이의 민감도는 판재 두께가 증가할수록 감소하는 경향을 보이고 있다. 이상과 같이 각 판재 두께 및 속도변화에 대하여 판재에 발생되는 균열 길이를 얻었으며 얻어진 균열 길이를 이용하여 판재의 임계속도를 구하고 자 한다.
후속연구
- 3) 추후 더욱더 신뢰성 있는 수치해석을 위해서는 최소한의 시험데이터, 요구 균열 길이에 대한 세 부분 석, 적절한 동적 물성의 확보, 충돌속도 계산을 위한 정량적 근거확보, 세밀한 수치해석 모델링 등이 수행된다면 알루미늄 용접부에 대한 새로운 평가 기준을 확보할 수 있을 것으로 예상된다.
- 추후, 기존 규격 및 용접부 충격시험에 대한 관련 자료와 본 연구에서 이루어진 해석 절차 등의 정량적 관계를 도출한다면 많은 시험을 통하지 않고서 도 알루미늄 2519 용접부'충격시험에 대한 새로운 허용한계(충돌속도)를 도출할 수 있을 것으로 예측된다.
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