적층 두께, 면밀도, 질량관성모우멘트는 소재의 구조-역학적 특성을 나타내는 중요한 인자들이다. 본 연구에서는 이와 같은 인자들이 다층-복합재료구조의 내충격 성능에 미치는 영향을 고찰하기 위해 높은 충격자 속도 하에서 탄자한계속도기 최대가 되는 재료-구조 최적화를 수행하였다. 세라믹복합재료, 고무, 알루미늄 그리고 알루미늄 폼으로 구성된 다층-복합재료구조의 최적화를 위해 Florence 모델과 Awerbuch-Bonder 모델을 연계한 통합 모델을 개발하였으며, 구속 조건으로써 적층 두께, 면밀도, 질량관성모우멘트를 함께 사용하였다. 결과에서 알 수 있듯이, 제안된 통합 모델을 통해 계산된 탄자한계속도는 유한표소해석에서의 탄자한계속도와 거의 유사함을 확인하였다. 통합 모델을 바탕으로 재료-구조 최적화를 통해 설정된 다층구조는 최적화를 수행하지 않은 다층구조에 비해 약 10.8%의 탄자한계속도 및 26.7%의 충격흡수에너지 향상이 나타남을 알 수 있다.
적층 두께, 면밀도, 질량관성모우멘트는 소재의 구조-역학적 특성을 나타내는 중요한 인자들이다. 본 연구에서는 이와 같은 인자들이 다층-복합재료구조의 내충격 성능에 미치는 영향을 고찰하기 위해 높은 충격자 속도 하에서 탄자한계속도기 최대가 되는 재료-구조 최적화를 수행하였다. 세라믹복합재료, 고무, 알루미늄 그리고 알루미늄 폼으로 구성된 다층-복합재료구조의 최적화를 위해 Florence 모델과 Awerbuch-Bonder 모델을 연계한 통합 모델을 개발하였으며, 구속 조건으로써 적층 두께, 면밀도, 질량관성모우멘트를 함께 사용하였다. 결과에서 알 수 있듯이, 제안된 통합 모델을 통해 계산된 탄자한계속도는 유한표소해석에서의 탄자한계속도와 거의 유사함을 확인하였다. 통합 모델을 바탕으로 재료-구조 최적화를 통해 설정된 다층구조는 최적화를 수행하지 않은 다층구조에 비해 약 10.8%의 탄자한계속도 및 26.7%의 충격흡수에너지 향상이 나타남을 알 수 있다.
Total thickness, areal density and mass moment of inertia of materials are important material factors for structural characteristics. In this work, a material-structural optimization was performed up to the maximum ballistic limit of multi-layered composite structures under high impact velocity foll...
Total thickness, areal density and mass moment of inertia of materials are important material factors for structural characteristics. In this work, a material-structural optimization was performed up to the maximum ballistic limit of multi-layered composite structures under high impact velocity followed by the investigation of the influence of these factors on an impact absorption performance. A unified model combined with Florence's and Awerbuch-Bonder's models was used in optimizing the multi-layered composite structure consisting of CMC, rubber, aluminum and Al-foam. Total thickness, areal density and mass moment of inertia were used for the optimization constraint. As shown in the results, the ballistic limit determined from a newly developed unified model was closely similar to the finite clement analysis. Additionally, the ballistic limit and impact absorption energy obtained by the optimized structure were improved approximately 16.8% and 26.7%, respectively comparing with a not optimized multi-layered structure.
Total thickness, areal density and mass moment of inertia of materials are important material factors for structural characteristics. In this work, a material-structural optimization was performed up to the maximum ballistic limit of multi-layered composite structures under high impact velocity followed by the investigation of the influence of these factors on an impact absorption performance. A unified model combined with Florence's and Awerbuch-Bonder's models was used in optimizing the multi-layered composite structure consisting of CMC, rubber, aluminum and Al-foam. Total thickness, areal density and mass moment of inertia were used for the optimization constraint. As shown in the results, the ballistic limit determined from a newly developed unified model was closely similar to the finite clement analysis. Additionally, the ballistic limit and impact absorption energy obtained by the optimized structure were improved approximately 16.8% and 26.7%, respectively comparing with a not optimized multi-layered structure.
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문제 정의
본 연구에서는 다층-복합재료구조의 경량화 및 충격흡수성능 향상을 위해 기존의 이론적 모델[7-10]을 연계한 통합 모델을 제시하였으며, 이를 통해 적층 두께, 면민도 그리고 질량관성모우멘트 등의 구속조건 하에서 다층구조의 탄자한 계속도가 최대가 되는 재교-구조 최적화를 수행하였다. 이본 적 모델의 타당성 검증을 위해 유한요소해석을 수행하였으며 이를 바탕으로 최적화름 수행하지 않은 임반적인 다층구조와 최적화된 다층구조의 내층.
본 연구에서는 따라서 다층-복합재료구조의 탄자한계속도를 보다 정확히 예측하기 위하여 전술한 두 모델을 연계하여 다음과 같은 통합 모델을 제시하였다.
한편 실질적인 다층 구조물의 탄자한계속도를 실험적 또는 이론적으로 정확히 산출하기란 사용 소재 특성 및 각 소재로 구성된 층간 구조물의 상호작용에 따른 영향으로 인해 상당히 어려운 실정이다. 본 연구에서는 선행 개발된 단층 및 두 층(two-! ayer)에서의 탄자한계속도에 관한 이론 보델[13]을 확장하여 보다 향상된 내충격 성능을 갖는 다층-복합재료구조를 제시하였다. 최적화 재료-구조 선정과 그에 따른 탄자한계속도 계산에 있어 적층 재료는 완진 접함 상태로 구속하였으벼 재료 간 마찰로 인한 에너지 소산은 없는 것으로 가정하였다.
한편 실질적인 다층 구조물의 탄자한계속도를 실험적 또는 이론적으로 정확히 산출하기란 사용 소재 특성 및 각 소재로 구성된 층간 구조물의 상호작용에 따른 영향으로 인해 상당히 어려운 실정이다. 본 연구에서는 선행 개발된 단층 및 두 층(two-layer)에서의 탄자한계속도에 관한 이론 모델[13]을 확장하여 보다 향상된 내충격 성능을 갖는 다층-복합재교구소를 제시하였다. 최적화 재료-구조 선정과 그에 띠른 탄자한계속도 계산에 있어 적층 재료는 완전 접합상태로 구속하였으며 재료간 마찰로 인한 에너지 소산은 없는 것으로 가정하였다.
가설 설정
본 연구에서는 선행 개발된 단층 및 두 층(two-! ayer)에서의 탄자한계속도에 관한 이론 보델[13]을 확장하여 보다 향상된 내충격 성능을 갖는 다층-복합재료구조를 제시하였다. 최적화 재료-구조 선정과 그에 따른 탄자한계속도 계산에 있어 적층 재료는 완진 접함 상태로 구속하였으벼 재료 간 마찰로 인한 에너지 소산은 없는 것으로 가정하였다.
본 연구에서는 선행 개발된 단층 및 두 층(two-layer)에서의 탄자한계속도에 관한 이론 모델[13]을 확장하여 보다 향상된 내충격 성능을 갖는 다층-복합재교구소를 제시하였다. 최적화 재료-구조 선정과 그에 띠른 탄자한계속도 계산에 있어 적층 재료는 완전 접합상태로 구속하였으며 재료간 마찰로 인한 에너지 소산은 없는 것으로 가정하였다.
제안 방법
이본 적 모델의 타당성 검증을 위해 유한요소해석을 수행하였으며 이를 바탕으로 최적화름 수행하지 않은 임반적인 다층구조와 최적화된 다층구조의 내층.격 거동을 비교, 분석하였다. 수치해석을 위해 LS-DYNA를 이용하였으며 해석에 사용된 각 소재의 기계적 물성치 확보를 위해 기존의 연구결과[11, 12] 및 실험결과를 이용하였다.
다층-복합재료구조의 충격흡수성능 연구와 관련하여 사용 소재 별 적층 두께, 변밀노, 질량관성모우멘트를 고려하였으며 탄자한계속도가 최대화되는 소재-구조 최적화를 수행하였다. 소재 또는 적층 구조에 따라 관통기구가 적절히 고려된 통합모델이 제시되었으며 각 층들과 탄자한계속도 및 임의의 속도 하에서 각 소재-구조의 충격흡수에너지를 비교, 분석하기 위해 이론적 계산과 함께 유한요소해석을 병행하였다.
즉, 최적화된 다층-복합재료구조에 있어 세라믹복합재료의 경우 충격자가 초기속도인 500 m/s로 충격되어 433 m/s의 속도루 통과됨을 알 수 있다. 두 반째 적층 소재인 EPDM50 고무는 433 m/s의 속도로 충격되어 384 m/s의 속도로 통과되었으며 그 후로 알루미늄, 알루미늄 폼을 차례로 통과하여 최종적으로 252 m/s의 속도로 다층구조를 관통하였다. 이러한 결과를 바탕으로 각 층에서의 충격흡수에너지를 계산한 후 Fig.
즉 1단계에서는 관통자가 표적을 압축하는 단계로서 전단변형이 일어나지 않는다고 가정하였으며, 이후 2단계에서는 전단변형에 의하여 플러그가 형성되고, 최종적인 3 단계에서는 플러그의 배출로서 완전 관통을 형성하게 된다. 따라서 Awerbuch-Bonder는 원통형 충격자에 의해 플러깅이 발생됨에 따라 표적재료에 형성된 관동 전후면 구멍의 평균반지름은 관통자의 반지름 r과 같고, 플러그의 길이는 표적 두께 h와 같다고 할 때 다음 식과 같은 이론적인 탄자한계속도를 제시하였다.
최적화를우] 한 다층-복합재료구조 또한 제산건괴들의 상대 E 교. 분석을 위해 총 두께 및 적층 순서는 일반적인 다층구조와 동인히게 적용하였음에 반해 각 소새별 두께는 최적화 수행음 통해 결정된 값으로 적용하였다. 면밀도 및 진량관성 보우벤트는 각 소재별 두께에 따라 계산될 수 있다.
상용유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA# 이용하여 각 재료의 항복강도를 고려한 탄소성(elasto-plastic) 영역에서 세라믹 복합재료와 알루미늄은 isotropic clastic plastic failure, 고무는 Blatz-Ko 그리고 알루미늄 폼은 crushable foam 재료 모델을 사용하여 원통형의 중격자 (부게: 123.0 g, 반경: 10 mm, 길이: 50 mm, 강체로 가정)에 의한 충격 거동을 고찰하였다. 충격자와 구조물 내 재료 간의 접촉조건은 eroding surface to surface를 사용하였다.
소재 또는 적층 구조에 따라 관통기구가 적절히 고려된 통합모델이 제시되었으며 각 층들과 탄자한계속도 및 임의의 속도 하에서 각 소재-구조의 충격흡수에너지를 비교, 분석하기 위해 이론적 계산과 함께 유한요소해석을 병행하였다. 주요 견론은 다음과 같다.
이 과정에서 첫째, 세라믹복합재료(AD-90) 및 고무(EPDM50) 층으로 이루어진 두 층 구조 해석이 수행되었으며 둘째, 일루미늄(AT7039) 단층 또는 알루미늄 폼 단층 구조 해석을 하였고 끝으로 전체 다층복합재료구조에 대한 해석을 수행하였다.
두 반째 적층 소재인 EPDM50 고무는 433 m/s의 속도로 충격되어 384 m/s의 속도로 통과되었으며 그 후로 알루미늄, 알루미늄 폼을 차례로 통과하여 최종적으로 252 m/s의 속도로 다층구조를 관통하였다. 이러한 결과를 바탕으로 각 층에서의 충격흡수에너지를 계산한 후 Fig. 4와 같이 비교, 분석하였다. 결과에서 알 수 있듯이 최적화된 다층-복합재료구조 내에서 알루미늄 폼을 제외한 소재들이 흡수한 충격 흡수에너지가 최적화를 수행치 않은 일반 다층구조 대에서 각각의 소재가 흡수한 충격흅수에너시보다 큼을 알 수 있다.
이본 적 모델의 타당성 검증을 위해 유한요소해석을 수행하였으며 이를 바탕으로 최적화름 수행하지 않은 임반적인 다층구조와 최적화된 다층구조의 내층.격 거동을 비교, 분석하였다.
일반적인 다층구조와 최적화된 다층구조의 충격 흡수성능을 고찰하기 위하여 상기 구조들에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 이 과정에서 첫째, 세라믹복합재료(AD-90) 및 고무(EPDM50) 층으로 이루어진 두 층 구조 해석이 수행되었으며 둘째, 일루미늄(AT7039) 단층 또는 알루미늄 폼 단층 구조 해석을 하였고 끝으로 전체 다층복합재료구조에 대한 해석을 수행하였다.
전체절점의 개수 또한 다층구조의 경우 146, 033 개로 구성하였고 충격 자의 절점은 13, 209 개로 설정하였다. 적층구조 내 재료 층간 경계조건은 tied surface to surface를 적용하였다. Table 2는 유한요소해석에 사용된 각 재료의 물성치를 나타내고 있다.
즉 임의의 초기 속도로 해석을 수행 후 충격 자의 전면부가 각 층을 완전히 통과할 때의 종극 속도를 측정하여 식 (8)과 같이 충격자의 운동에너지 손실, 즉 충격 흡수에너지를 계산하였으며, 이를 통해 식 (9)와 같이 구조물의 탄자한계속도를 계산할 수 있었다. 충격자에 의한 충분한 관통성능을 고찰하기 위해 충격자 초기속도를 다층-복합재료구조의 경우 500 m/s, 세라믹복합재료-고무 두 층 구조의 경우 500 m/s, 알루미늄 단층의 경우 100 m/s, 알루미늄 폼 단층의 경우 50 m/s로 각각 선정하였다.
알루미늄 폼의 탄자한계속도를 나타낸다. 통합 모델의 적용을 위해 세라믹복합재료와 연성재료를 포함하는 두 층 구조 및 단층소재의 관통 기구가 동시에 고려되었으며 최적화를 위해 적층 두께, 재료 면밀도 및 질량관성모우멘트를 함께 고려함으로써 소재-구조적 특성을 효과적으로 반영하였다. 한편 적층 재료 두께, 면밀도 및 질량관성모우멘트는 다음과 같은 식으로 표현될 수 있다.
대상 데이터
2). 각각의 모델은 모두 8 개의 절점을 갖는 직육면체 요소로 구성되며, 충격 부위 중심부에 이를수록 더욱 조밀하게 모사하였다’ 미소 직육면체 요소의 최소 크기는 0.2 X 0.2 X 0.017 mm3 이며, 전체 요소의 개수는 4 개의 재료가 모두 적층된 다층구조의 경우 138, 250 개로 구성하였고 충격자의 요소는 11, 550 개로 설정하였다. 전체절점의 개수 또한 다층구조의 경우 146, 033 개로 구성하였고 충격 자의 절점은 13, 209 개로 설정하였다.
사용된 모델의 크기는 가로, 세로 각각 80 mm 이며, 해석모델은 대칭성을 고려하여 전체 모델의 1/4 형상으로 설정하였다(Fig. 2). 각각의 모델은 모두 8 개의 절점을 갖는 직육면체 요소로 구성되며, 충격 부위 중심부에 이를수록 더욱 조밀하게 모사하였다’ 미소 직육면체 요소의 최소 크기는 0.
017 mm3 이며, 전체 요소의 개수는 4 개의 재료가 모두 적층된 다층구조의 경우 138, 250 개로 구성하였고 충격자의 요소는 11, 550 개로 설정하였다. 전체절점의 개수 또한 다층구조의 경우 146, 033 개로 구성하였고 충격 자의 절점은 13, 209 개로 설정하였다. 적층구조 내 재료 층간 경계조건은 tied surface to surface를 적용하였다.
이론/모형
격 거동을 비교, 분석하였다. 수치해석을 위해 LS-DYNA를 이용하였으며 해석에 사용된 각 소재의 기계적 물성치 확보를 위해 기존의 연구결과[11, 12] 및 실험결과를 이용하였다.
성능/효과
(1) 다층복합재료구소 해석을 위해 제시한 Florence 및 Awerbuch-Bonder 통합 모델을 이용하여 계산한 이론적 탄사한계속도와 유한요소해석에서 예측된 단자한계속도가각각의 모델로 산출한 이론값과 수치해석 결과의 차이보다 작은 오차를 보임에 따라 다층-복합재료구조 선정에 필요한 통합모델의 타당성을 확인할 수 있다.
(3) 세라믹복합재료는 충격자의 마모를 유발시키며 충격을 분산시키는 효과를 지님에 반해 여타 재료에 비해 두께 또는 면밀도 대비 충격흡수효율이 낮게 나타났다. 또한 두께가 얇을수록 면밀도 대비 효율이 증가함에 따라 다층구조 설계 시 보다 적절한 두께 선정이 요구된다.
(4) 면밀도 효과를 고려하여 충격흡수효율을 분석한 결과 상대적으로 알루미늄 폼이 가장 우수한 성능을 보였으며 따라서 알루미늄 폼이 다층-복합재료구조의 경량회-에 특히 유용함을 알 수 있다.
아울러 Table 4는 최적화된 다층-복합재료구조에서 동일한 물리량을 두 방법에 따라 계산한 결과를 나타내고 있다. 결과에서 알 수 있듯이 세라믹복합재료와 고무두 층으로 이루어진 이론적인 탄자한계속도와 수치해석 결과에서 계산된 탄자한계속도는 약 15-38 %의 오차를 보였으며, 특히 세라믹복합재료 층이 두꺼울수록 큰 오차를 보였다. 이는 유한요소해석에서는 세라믹복합재료 층에 의해 충격자의 운동에너지 감소가 뚜렷이 나타나지만 Florence 모델에서는 세라믹층이 가지는 충격흡수 기구가 적절히 반영되지 않은 결과로보여진다.
5는 일반적인 다층구조와 최적화된 다층구조에서 흡수된 충격에너지를 각 소재의 두께 및 면밀도로 나눈 깂-으로써, 이는 각 소재의 충격흡수효율을 평가한에 있어 중요한 척노로 활용될 수 있다. 결과에서 알 수 있듯이 소재 두께 별 충격흡수에너지의 경우 알루미늄 폼을 제외한 여타 재료들은 일반적인 다층구조보다 최적화된 다층구조에서 각각 높게 나타났으며 따라서 최적화된 다층-복합 재교구조에서 각 소재의 두께 별 충격흡수효율이 증가함을 알 수 있다.
4와 같이 비교, 분석하였다. 결과에서 알 수 있듯이 최적화된 다층-복합재료구조 내에서 알루미늄 폼을 제외한 소재들이 흡수한 충격 흡수에너지가 최적화를 수행치 않은 일반 다층구조 대에서 각각의 소재가 흡수한 충격흅수에너시보다 큼을 알 수 있다. 또한 일반적인 다층구조와 최적화된 다층구조가 흡수한 총 충격 흡수에너지는 일반적인 다층구조의 경우 9.
수 있다[1,7-9,14]. 그러나 두께 별 충격흡수효율 측면에서 세라믹복합재료는 일반적인 다층 구조의 경우, 차지하는 두께가 전체의 40 %에 이르는데 반해 여타 재료의 두께 별 충격 흡수효율에 비해 비교적 높지 않게 나타났으며, 최적화된 다층 구조의 경우에 차지하는 두께가 전체의 31 % 임에도 불구하고 안루미늄 폼을 제외한 여타 재료의 두께 별 충격 흡수효율에 비해 낮게 나타났다. 뿐만 아니라 면밀도 별 충격 흡수효율에서도 세라믹복합재료가 차지하는 면밀도가 전체의 60-77 %에 이르는데 반해 다른 재료의 면밀도 별 충격 흡수효율에 비해 가장 낮게 나타났다.
7 % 뛰어난 성능을 보임을 알 수 있다. 따라서 높은 내충격 성능 개발을 위해서는 본 연구에 제시된 최적화 방법이 매우 효과적임을 알 수 있다. Fig.
결과에서 알 수 있듯이 최적화된 다층-복합재료구조 내에서 알루미늄 폼을 제외한 소재들이 흡수한 충격 흡수에너지가 최적화를 수행치 않은 일반 다층구조 대에서 각각의 소재가 흡수한 충격흅수에너시보다 큼을 알 수 있다. 또한 일반적인 다층구조와 최적화된 다층구조가 흡수한 총 충격 흡수에너지는 일반적인 다층구조의 경우 9.07 kJ, 최적화된 다층구초의경우 11, 48 kJ로써 최적화된 다층구조가 일반적인 다층구조에 비해 약 26.7 % 뛰어난 성능을 보임을 알 수 있다. 따라서 높은 내충격 성능 개발을 위해서는 본 연구에 제시된 최적화 방법이 매우 효과적임을 알 수 있다.
그러나 두께 별 충격흡수효율 측면에서 세라믹복합재료는 일반적인 다층 구조의 경우, 차지하는 두께가 전체의 40 %에 이르는데 반해 여타 재료의 두께 별 충격 흡수효율에 비해 비교적 높지 않게 나타났으며, 최적화된 다층 구조의 경우에 차지하는 두께가 전체의 31 % 임에도 불구하고 안루미늄 폼을 제외한 여타 재료의 두께 별 충격 흡수효율에 비해 낮게 나타났다. 뿐만 아니라 면밀도 별 충격 흡수효율에서도 세라믹복합재료가 차지하는 면밀도가 전체의 60-77 %에 이르는데 반해 다른 재료의 면밀도 별 충격 흡수효율에 비해 가장 낮게 나타났다. 한편 세라믹복합재료는 두께가 얇을수록 두께 또는 면밀도 대비 충격흡수효율 모두에서 증가함을 알 수 있다.
. 하지만 최적화된 다층구조에서는 최적화를 수행치 않은 일반 다층구조보다 면밀도가 감소함에도 불구하고 탄자 한계속도가 증가함을 확인하였으며 이는 이종 재료의 적층에 따른 추가적인 충격 흡수성능의 차이에 기인된 것으로 판단된다. 따라서 경량-내충격 구조를 설계함에 있어 다층-복합재료구조 최적화가 유용함을 제안할 수 있다.
가능성을 확인할 수 있었다. 한편 이 깉은 방식에 의해 이론적으로 계산한 탄자한계속도와 유한요소해석을 통해 예측한 탄자한계속도가 상당한 차이가 있음을 확인한 바, 근본적인 문제는 첫째, 다층 구조를 형성하는 이종 소재의 재료-구조적 특성이 적절히 반영되지 못함과 아울러 둘째, 독립적으로 최적화된 두 모델이 다층복합구조의 충격, 관통 기구를 충분히 연계시키지 못함에 기인한 것으로 분석하였다.
다층-복합재료구조의 경우 이론적 탄자한계속도와 수치적인 탄자한계속도는 2-6 %의 오차를 나타내며 이는 통합모델에서 각 재료의 특성 및 관통기구를 적절히 고려하였음을 알 수 있다. 한편 최적화된 다층-복합재료구조의 탄자한계속도가 일반적인 다층구조의 탄자한계속도보다 이론적으로 약 17 %, 수치적으로 13 %가 향상됨을 알 수, 있다.
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