우주 구조물을 위협하는 여러 요소들 중 MMOD(MicroMeteoroid and Orbital Debris)는 약 8~70km/s의 속도로 우주 구조물과 충돌하여 큰 피해를 주고 있다. 이러한 피해로부터 우주 구조물을 보호하기 위해서 현재 다양한 위플 쉴드가 연구, 적용되고 있다. 위플 쉴드에는 알루미늄이 주로 사용되고 있지만, 복합재료의 시용도 증가하고 있어 본 연구에서는 알루미늄과 복합 재료의 초고속 충돌 특성을 유한 요소 해석을 통해 비교하였다. 충격체는 직경 5.5mm인 알루미늄 2017-T4의 구를 사용하였고, 알루미늄 평판은 6061-T6, CFRP 평판은 T300/5208을 사용하였다. 충격체의 초기 충돌 속도는 1km/s이다. 충돌 후 충격체의 운동에너지는 알루미늄 평판의 경우 약 64J 감소하였고, CFRP 평판의 경우 약 63J 감소하였다. 비슷한 충돌 에너지 흡수 정도를 보이고 있지만, 밀도를 비교해 보았을 때 CFRP가 약 1.7배 가볍기 때문에 방탄 특성이 더 좋다고 할 수 있다.
우주 구조물을 위협하는 여러 요소들 중 MMOD(MicroMeteoroid and Orbital Debris)는 약 8~70km/s의 속도로 우주 구조물과 충돌하여 큰 피해를 주고 있다. 이러한 피해로부터 우주 구조물을 보호하기 위해서 현재 다양한 위플 쉴드가 연구, 적용되고 있다. 위플 쉴드에는 알루미늄이 주로 사용되고 있지만, 복합재료의 시용도 증가하고 있어 본 연구에서는 알루미늄과 복합 재료의 초고속 충돌 특성을 유한 요소 해석을 통해 비교하였다. 충격체는 직경 5.5mm인 알루미늄 2017-T4의 구를 사용하였고, 알루미늄 평판은 6061-T6, CFRP 평판은 T300/5208을 사용하였다. 충격체의 초기 충돌 속도는 1km/s이다. 충돌 후 충격체의 운동에너지는 알루미늄 평판의 경우 약 64J 감소하였고, CFRP 평판의 경우 약 63J 감소하였다. 비슷한 충돌 에너지 흡수 정도를 보이고 있지만, 밀도를 비교해 보았을 때 CFRP가 약 1.7배 가볍기 때문에 방탄 특성이 더 좋다고 할 수 있다.
Among the factors that threaten spacecraft, Micrometeoroid and Orbital Space Debris(MMOD) cause damage to spacecraft and impact velocity is about 8~70km/s. Nowadays, various Whipple Shield are studied and applied to protect spacecraft. As the materials used to Shielding System, aluminum is usually u...
Among the factors that threaten spacecraft, Micrometeoroid and Orbital Space Debris(MMOD) cause damage to spacecraft and impact velocity is about 8~70km/s. Nowadays, various Whipple Shield are studied and applied to protect spacecraft. As the materials used to Shielding System, aluminum is usually used but composite is also used increasingly. So this study compared characteristics of hypervelocity impact of Aluminum and composites through finite element analysis. The Projectile was a spherical shape using Aluminum 2017-T4, and aluminum plate was using Aluminum 6061-T6, CFRP plate was using T300/5208. Initial impact velocity of projectile was 1km/s. As a result, kinematic energy of projectile decreased to about 64J and about 63J for aluminum plate and CFRP plate, respectively after impact. Although both results is almost same about the absorption of impact energy, you can think the CFRP has good ballistic characteristic, because CFRP is lighter about 1.7 times compared with density of aluminum.
Among the factors that threaten spacecraft, Micrometeoroid and Orbital Space Debris(MMOD) cause damage to spacecraft and impact velocity is about 8~70km/s. Nowadays, various Whipple Shield are studied and applied to protect spacecraft. As the materials used to Shielding System, aluminum is usually used but composite is also used increasingly. So this study compared characteristics of hypervelocity impact of Aluminum and composites through finite element analysis. The Projectile was a spherical shape using Aluminum 2017-T4, and aluminum plate was using Aluminum 6061-T6, CFRP plate was using T300/5208. Initial impact velocity of projectile was 1km/s. As a result, kinematic energy of projectile decreased to about 64J and about 63J for aluminum plate and CFRP plate, respectively after impact. Although both results is almost same about the absorption of impact energy, you can think the CFRP has good ballistic characteristic, because CFRP is lighter about 1.7 times compared with density of aluminum.
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문제 정의
본 연구에서는 고속 충돌 시 에너지 흡수 정도를 비교하기 위해, 2mm 두께의 알루미늄 평판과 CFRP 평판의 lkm/s 의 속도로 충돌하는 고속 충돌 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 복합재료를 이용한 새로운 쉴딩 시스템을 제안하기 위해서 선행 연구로서, 알루미늄 평판과 CFRP 평판의 초고속 충돌 특성을 해석을 통해 알아보려고 한다. 본 해석에서는, 알루미늄 충격체가 lkm/s로 알루미늄 평판과 CFRP 평판에 충돌하는 해석을 수행하고, 그 결과를 비교해보았다.
해 보았다. 약 lkm/s의 속도 범위에서 실험한 결과와 해석한 결과를 비교하여 해석의 타당성을 확보하고 어떠한 보안 점이 필요한지 살펴보았다.
제안 방법
또한, CFRP 평판의 층별 충돌 특성을 살펴보기 위하여 솔리드 요소로 모델링 하였다. 여기에는 MAT059(Composite Failure Solid Model)와 층 별 층간 분리를 모사하기 위해 Tiebreak(Contact Automatic One Way Surface to Surface Tiebreak) 옵션을 적용하였다.
또한, 본 연구실에서 보유하고 있는 2 Stage Gas Gun을 사용하여 알루미늄 평판과 CF/P 평판의 초고속 충돌 실험을 해 보았다. 약 lkm/s의 속도 범위에서 실험한 결과와 해석한 결과를 비교하여 해석의 타당성을 확보하고 어떠한 보안 점이 필요한지 살펴보았다.
본 연구실에서 보유하고 있는 2 Stage Gas Gun을 이용하여 알루미늄 평판과 CFRP 평판의 초고속 충돌 실험을 해보았다. 본 실험에서는 CFRP 평판의 면밀도와 동일하게 하기 위해 알루미늄 평판의 두께를 1mm로 하였다.
본 연구에서는 상용해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 고속충돌 해석을 수행하였다. 기존의 연구들은 약 200~500m/s의 속도 범위를 고속 충돌로 정의하여 해석 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 우주용 MM0D 쉴딩 시스템에 사용될 재료의 초고속 충돌 해석을 상용 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 수행하였다. 해석에 사용된 재료는 알루미늄과 CFRP 로, 두께 2mm의 평판을 약 lkm/s의 속도로 충돌하여 결과를 비교하였다.
본 연구에서는 충격체에 의한 파손과 충격체의 관통을 모사하기 위해 응력이 일정한 파손기준식 또는 파손 변형률을 만족하면 해당 요소가 소멸되는 Contact Eroding Surface to Surface를 사용하였다. 요소의 소멸 효과를 주기 위해 각 재료에 유효 파손 변형률(Effective Failure Strain)을 적용하였다.
본 해석에서는, 알루미늄 충격체가 lkm/s로 알루미늄 평판과 CFRP 평판에 충돌하는 해석을 수행하고, 그 결과를 비교해보았다.
요소로 모델링 하였다. 여기에는 MAT059(Composite Failure Solid Model)와 층 별 층간 분리를 모사하기 위해 Tiebreak(Contact Automatic One Way Surface to Surface Tiebreak) 옵션을 적용하였다.
대상 데이터
CFRP 평판은 직교성 재료를 잘 표현하는 MAT054 (Enhanced Composite Damage)을 사용하였다. 복합재료의 경우 많은 디자인 변수들이 있기 때문에 적절한 값을 선택하여 입력해 주어야 한다.
본 실험에서는 CFRP 평판의 면밀도와 동일하게 하기 위해 알루미늄 평판의 두께를 1mm로 하였다. 알루미늄평판은 技번, CFRP 평판은 8번 실험하였고, 이들의 평균 값을 Table 6에 제시하였다.
또한, 경계 조건은 4 Edge Fixed 이다. 본 연구에 사용된 알루미늄과 CFRP의 재료 물성은 Table 1, 2, 3에 나타나 있다.
일반적으로 해석 모델에 대한 전체의 Hourglass 에너지가 그 내부 에너지의 10% 이상 이면해석 결과를 신뢰하지 않는다. 본 연구에서는 Hourglass type 4를 사용하였다,
알루미늄은 탄성영역 외에도 소성영역에서의 변화가 크기 때문에 평판과 충격체는 MAT003 (Platstic Kenematic)을 사용하였다. CFRP 평판은 직교성 재료를 잘 표현하는 MAT054 (Enhanced Composite Damage)을 사용하였다.
충격체는 직경 5.5mm 알루미늄 2017-T4의 구를 사용하였다. 평판은 Fig.
5mm 알루미늄 2017-T4의 구를 사용하였다. 평판은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 가로X세로X두께가 100x100x2 mm'이다.
그 부분의 격자를 조밀하게 나타내었다. 평판은 약 6400여 개의 쉘(Shell) 요소로 구성되어 있고, 충격체는 약 7000여 개의 솔리드(Solid) 요소로 구성되어 있다.
수행하였다. 해석에 사용된 재료는 알루미늄과 CFRP 로, 두께 2mm의 평판을 약 lkm/s의 속도로 충돌하여 결과를 비교하였다.
이론/모형
사용하였다. 요소의 소멸 효과를 주기 위해 각 재료에 유효 파손 변형률(Effective Failure Strain)을 적용하였다. 알루미늄 평판은 0.
성능/효과
이는 CFRP평판이 더 높은 충돌 에너지를 흡수하는 것으로 판단된다. 따라서, 같은 두께로 해석한 결과 비슷한 방탄 효과가 있음을 볼 수 있으나 밀도에서 CFRP 재료가 더 가볍기 때문에 같은 밀도 기준에서 보면, 복합재료의 시용이 일반 금속을 사용할 때보다 충돌 에너지 흡수 효율이 좋음을 알 수 있다.
참고문헌 (8)
Handbook for Limiting Orbital Debris", National Aeronautics and Space Administration(NASA), 2008.
Nicholas L. Johnson, "Orbital Debris : The growing threat to space operations", National Aeronautics and Space Administration(NASA), 2010.
"Orbital Debris Quarterly News", National Aeronautics and Space Administration(NASA), Vol. 14, 2010.
William P. Schonberg and Eve J. Walker, "Use of composite materials in multi-wall structures to prevent perforation by hypervelocity particle impact", Composite Structures, Vol. 19, 1991, pp. 15-40.
William P. Schonberg and Eve J. Walker, "Hypervelocity impact of dual-wall space structures with graphite/epoxy inner walls", Composite Engineering, Vol. 4, 1994, pp. 1045-1054.
L.J. Deka, S.D. Bartus, "Damage evolution and energy absorption of FRP plates subjected to ballistic impact using a numerical model", 9th International LS-DYNA Users Conference, 2006.
M. Yong, L. Iannucci, "Efficient modeling and optimization of hybrid multilayered plates subject to ballistic impact", International Journal of Impact Engineering, Vol. 37, 2010, pp. 605-624.
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