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제안 방법
- Al-foam에 대해서는 MAT Crushable Foam(MAT 063)을 적용하였으며 항복응력과 체적변형률 곡선은 Al-foam 시편(밀도 : 300kg/m3)에 대한 압축 시험에서 구한 하중-변위 곡선으로부터 응력-변형률 곡선을 계산하여 적용하였다. 20mm 충격시험에서 피탄된 패널의 단면을 나타낸 Fig. 5에서 보듯이 S2-glass/Phenolic 패널은 섬유나 모재(matrix)에 파손이 발생하지 않았으므로 파손을 고려하지 않는 MAT Orthotropic Elastic을 적용하였다.
- Rigid contact surface는 도로 표면과 같이 큰 강체 표면을 모델링하기 위한 것으로 지면을 4각형의 segment로 모델링하는데 4개의 모서리 절점만으로 설정할 수 있다. 20mm 충격탄 시험에서 같은 피탄 패널에서 충격 위치를 변경하면서 충격탄을 총 3발 발사하였으며 3발의 충돌속도의 평균은 약 463 m/s였으므로 해석시 20mm 충격탄의 충돌속도를 463 m/s로 적용하였다.
- NBR은 패널에서 피탄 충격에 의해 압축되므로 압축시험에서 구한 응력-변형률 곡선을 Mooney-Rivlin rubber 모델에 적용하였다. Al-foam에 대해서는 MAT Crushable Foam(MAT 063)을 적용하였으며 항복응력과 체적변형률 곡선은 Al-foam 시편(밀도 : 300kg/m3)에 대한 압축 시험에서 구한 하중-변위 곡선으로부터 응력-변형률 곡선을 계산하여 적용하였다. 20mm 충격시험에서 피탄된 패널의 단면을 나타낸 Fig.
- 폭압해석을 위한 압력하중 산출은 미육군의 폭압해석 프로그램인 CONWEP을 이용하여 계산하였다[6]. CONWEP에서 계산된 압력의 타당성을 검토하기 위하여 2.0kg의 C-4 폭약에 대하여 이격거리가 3.0m 이고 공기중 폭발일 경우에 CONWEP에서 계산된 반사압력을 내충격 개방형 구조물에 대한 폭압시험에서 폭압면인 구조물의 좌측 패널에서 측정된 압력과 비교하였으며 Fig. 8과 같이 유사한 것으로 나타났다. Fig.
- 8과 같이 유사한 것으로 나타났다. Fig. 8에서 폭압시험에서 측정된 압력(실선)의 최대값과 CONWEP에서 계산된 반사압력(붉은색 점선)의 최대값의 비율은 약 1.2이므로 LS-DYNA를 이용한 폭압 해석에서는 CONWEP에서 계산된 반사압력에 1.2배한 압력(흐린 점선)을 해석모델의 구조물의 좌측면에 solid 요소인 패널에 대해서는 LOAD SEGMENT로, shell 요소인 구조물 지지 다리에 대해서는 LOAD SHELL로 부과하였다.
- LS-DYNA에서 계산된 20mm 충격탄의 운동에너지 및 피탄 패널과 프레임의 내부에너지 변화를 Fig. 13과 같이 비교하였다. Fig.
- 3은 패널을 제거하지 않은 전체 해석모델이다. Shell 및 solid 요소를 위한 element formulation은 기본식으로 지정되어 있는 Belytschko-Tsay와 Constant stress solid element을 각각 적용하였다. Solid 요소와 shell 요소에서 단일 적분점으로 인해 발생하는 hourglass 에너지를 제어하기 위하여 Control Hourglass 를 사용하였으며 대변형 문제이므로 hourglass viscous 유형(IHQ)은 Eq.
- 적층 패널에서 각 소재간 경계면은 접착되어 있으므로 해석모델에서는 Contact Tied Surface To Surface로 모델링하였다. 구조물에 대한 경계조건은 지면과 구조물의 지지다리의 바닥면 사이의 접촉을 Contact Rigid Surface로 모델링 하였으며 중력가속도는 1g(9.8 m/s2)를 적용하였다. Rigid contact surface는 도로 표면과 같이 큰 강체 표면을 모델링하기 위한 것으로 지면을 4각형의 segment로 모델링하는데 4개의 모서리 절점만으로 설정할 수 있다.
- Al7039 패널의 밀도가 20mm 충격탄(Al1100-O)의 밀도보다 크므로 Contact Surface To Surface에 대한 입력에서 밀도가 작은 20mm 충격탄은 master로, 밀도가 큰 Al7039 패널은 slave로 정의하였다. 구조물에서 좌우 측면의 적층 패널과 프레임은 볼트에 의해 체결되어 밀착되어 있고 피탄 충격에 의해 측면의 패널이 프레임에 충격을 전달하므로 이둘 사이의 접촉을 Contact Tied Surface To Surface로 모델링하였다.
- 내충격 개방형 구조물에 대한 폭압 해석은 폭압시험 조건 중에서 폭압이 가장 큰 조건인 이격거리가 3.0m 이고 C-4 폭약의 양이 2.0kg인 경우에 대하여 수행하였다. 폭압해석을 위한 압력하중 산출은 미육군의 폭압해석 프로그램인 CONWEP을 이용하여 계산하였다[6].
- 내충격 개방형 구조물은 Fig. 1에서 보는 것처럼 프레임구조에 다층 패널을 장착한 형태로 지상차량의 차체구조에 적용하기 위한 충격실험용 구조물로 설계 및 제작되었다.
- 내충격 개방형 구조물을 구성하는 각 부품들에 대해 Table 1과 같이 소재의 종류, 요소의 종류 및 LS -DYNA의 material model을 정리하였다. 프레임의 단면은 사각형으로 길이와 폭에 비해 두께는 작으므로 shell 요소로 모델링하였으며 패널은 여러 소재가 적층되어 있고 두께가 두꺼우므로 solid 요소로 모델링하였다.
- Hallquist에 의해 충격하중에 대한 구조물의 응력해석을 위한 DYNA3D 코드로 개발된 이래로 지속적으로 기능이 업그레이드되어 자동차, 항공우주, 국방 분야 등에서 충돌, 폭발 및 관통해석 등에 폭넓게 사용되고 있다. 본 연구에서는 내충격 개방형 구조물에 대한 피탄 및 폭압 해석을 위해 LS-DYNA 해석모델을 작성하였으며 피탄 부위의 패널의 단면 형상, 프레임의 가속도 및 응력을 피탄 및 폭압 충격시험 결과와 비교하여 해석모델의 신뢰성을 검증하였다.
- 비선형 유한요소해석 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 내충격 개방형 구조물에 대한 피탄 및 폭압 충격해석을 수행하였다. 해석모델의 검증을 위해 패널 피탄 부위의 단면형상을 비교한 결과 시험결과와 같이 적층패널의 Al7039 층과 Al-foam 층이 대변형을 일으키며 충격을 흡수한 것으로 나타났고 폭압해석에서는 프레임에서 측정된 가속도와 응력을 비교한 결과 시험에서 측정된 결과와 매우 유사한 결과를 보였다.
- 10과 같이 시간이 경과함에 따라 피탄 충격에 의한 응력이 피탄면 프레임 전체로 전달되는 것을 볼 수 있다. 시간에 따른 프레임의 응력을 관찰하기 위해 피탄면인 좌측 프레임 전체에서 임의로 shell 요소를 선택하여 Fig. 11과 같이 Von Mises 응력을 비교하였다. Fig.
- 적층 패널에서 각 소재간 경계면은 접착되어 있으므로 해석모델에서는 Contact Tied Surface To Surface로 모델링하였다. 구조물에 대한 경계조건은 지면과 구조물의 지지다리의 바닥면 사이의 접촉을 Contact Rigid Surface로 모델링 하였으며 중력가속도는 1g(9.
- 이음체는 프레임에 삽입되기 때문에 사각형 블록 형상으로 설계되었으며 볼트로 프레임에 체결된다. 전, 후, 좌, 우 및 상부 패널은 밖에서부터 안쪽으로 Al7039, Al-foam, Rubber(NBR), S2glass/Phenolic 등 4종류의 소재를 배열하여 38.7mm 두께로, 하부 패널은 밖에서부터 안쪽으로 Al5083, Al-foam, Rubber(NBR), Al5083 순서로 4층으로 배열하여 38mm 두께로 적층하여 각각 autoclave에서 성형하여 제작하였다.
- NLOS-C의 포탑구조는 고강도 알루미늄 프레임과 복합재료 패널로 구성되어 있으며 알루미늄 프레임은 구조 및 시스템의 하중을 지지하고 경량의 복합재료 패널은 외부의 위협을 방호하는 장갑의 기능을 하도록 되어있다. 지상전투차량에 대한 주요위협은 피탄 및 폭압 충격이므로 내충격 개방형 구조의 충격 감소 성능을 분석하기 위한 피탄 및 폭압 충격시험을 수행하였다. 피탄 충격 시험은 소구경 탄에 의한 충돌충격을 모사하기 위하여 탄두가 편평한 원통형의 20mm 직경의 충격탄을 내충격 개방형 구조물의 측면 패널에 고속으로 충돌시켜 수행하였으며 폭압 시험은 박격포탄에 의한 폭발충격을 모사하기 위해 Comp.
- 폭압시험에서 폭압 충격을 받는 면인 구조물의 좌측면 프레임의 안쪽에 Fig. 15와 같이 스트레인 게이지(Vishay사의 WD-DY-125AD-350)를 부착하여 스트레인을 측정하였다. LS-DYNA 해석에서 계산된 프레임의 응력을 Fig.
- 7에서 보는바와 같다. 폭압해석 모델은 폭압이 패널에 균일하게 분포되어야 하므로 Fig. 3의 피탄 해석모델과 달리 폭압하중을 직접 받는 측면 패널의 요소크기를 비교적 균일하게 모델링하였다.
- 프레임과 이음체, 패널과 프레임, 구조물 지지 다리와 바닥판 패널은 각각 볼트로 체결되어 있는데 해석 모델에서 볼트는 beam 요소로 모델링하였다.
- 내충격 개방형 구조물을 구성하는 각 부품들에 대해 Table 1과 같이 소재의 종류, 요소의 종류 및 LS -DYNA의 material model을 정리하였다. 프레임의 단면은 사각형으로 길이와 폭에 비해 두께는 작으므로 shell 요소로 모델링하였으며 패널은 여러 소재가 적층되어 있고 두께가 두꺼우므로 solid 요소로 모델링하였다. 패널과 프레임에 사용된 Al7039, Al5083, Al6061에 대한 재료모델은 MAT Plastic Kinematic을 적용하였는데 각 소재에 대한 starin rate parameter(C, P)를 구하기 어려우므로 strain rate의 영향은 고려하지 않았다.
- 프레임의 배열은 설계하중에 대하여 위상최적화(topology optimization)를 통하여 초기배열을 결정한 뒤 제작성, 패널 장착 등을 고려하여 최종 배열 위치를 결정하였다. 프레임의 단면은 사각형 관 형상으로 프레임의 항복응력과 변위를 구속조건으로 하여 중량을 최적화하여 결정되었으며 소재는 고강도 알루미늄인 Al7039를 사용하여 압출공법으로 제작하였다.
- 4는 해석모델에서 20mm 충격탄과 패널의 충돌부위를 확대한 것으로 충격탄과 패널의 변형을 시험결과와 비교하기 위하여 해석모델의 다른 부위에 비하여 조밀하게 모델링 하였다. 피탄 충격시험에서 20mm 충격탄은 적층 패널의 가장 바깥층인 Al7039 패널과 충돌하게 되는데 이 둘 사이의 충돌은 Contact Surface To Surface로 모델링하였다. Al7039 패널의 밀도가 20mm 충격탄(Al1100-O)의 밀도보다 크므로 Contact Surface To Surface에 대한 입력에서 밀도가 작은 20mm 충격탄은 master로, 밀도가 큰 Al7039 패널은 slave로 정의하였다.
대상 데이터
- 20mm 충격탄은 내충격 개방형 구조물을 관통하지 않고 충격만 전가하기 위하여 패널에 사용된 Al7039보다 강도가 작은 순수 알루미늄인 AL1100-O 소재로 제작되었으며 Fig. 4에서 보는 것처럼 solid 요소로 모델링하였고 MAT Plastic Kinematic 모델을 적용하였다. 내충격 개방형 구조물에 대한 LS-DYNA 해석에서 사용된 재질의 물성치는 Table 2에서 보는바와 같다.
- Fig. 2와 Fig. 3의 피탄 충격 해석모델은 총 222,422개의 절점과 163,243개의 요소로 모델링되었다. Fig.
- 패널과 프레임에 사용된 Al7039, Al5083, Al6061에 대한 재료모델은 MAT Plastic Kinematic을 적용하였는데 각 소재에 대한 starin rate parameter(C, P)를 구하기 어려우므로 strain rate의 영향은 고려하지 않았다. 패널에 사용된 NBR(Acrylonitrile-Butadiene Rubber)은 MAT Mooney-Rivlin Rubber로 모델링하였다. NBR은 패널에서 피탄 충격에 의해 압축되므로 압축시험에서 구한 응력-변형률 곡선을 Mooney-Rivlin rubber 모델에 적용하였다.
- 프레임의 배열은 설계하중에 대하여 위상최적화(topology optimization)를 통하여 초기배열을 결정한 뒤 제작성, 패널 장착 등을 고려하여 최종 배열 위치를 결정하였다. 프레임의 단면은 사각형 관 형상으로 프레임의 항복응력과 변위를 구속조건으로 하여 중량을 최적화하여 결정되었으며 소재는 고강도 알루미늄인 Al7039를 사용하여 압출공법으로 제작하였다. 프레임의 연결부위는 용접 또는 이음체(joint)로 연결하였다.
데이터처리
- LS-DYNA 해석에서 계산된 프레임의 응력을 Fig. 16과 같이 시험에서 측정한 응력(스트레인에 Young's modulus를 곱하여 응력으로 환산)과 비교하였다.
- 내충격 개방형 구조물에 대한 폭압 해석모델의 신뢰성을 검증하기 위해 프레임의 가속도와 응력을 폭압시험에서 측정한 결과와 비교하였다. Fig.
이론/모형
- 패널에 사용된 NBR(Acrylonitrile-Butadiene Rubber)은 MAT Mooney-Rivlin Rubber로 모델링하였다. NBR은 패널에서 피탄 충격에 의해 압축되므로 압축시험에서 구한 응력-변형률 곡선을 Mooney-Rivlin rubber 모델에 적용하였다. Al-foam에 대해서는 MAT Crushable Foam(MAT 063)을 적용하였으며 항복응력과 체적변형률 곡선은 Al-foam 시편(밀도 : 300kg/m3)에 대한 압축 시험에서 구한 하중-변위 곡선으로부터 응력-변형률 곡선을 계산하여 적용하였다.
- C-4 폭약을 구조물의 측면에 설치하여 폭발시켜 충격을 가하였다. 본 연구에서는 내충격 개방형 구조에 대한 피탄 및 폭압충격 시험조건에 대하여 비선형 유한 요소해석 코드인 LS-DYNA[4]를 사용하여 해석을 수행하였다. LS-DYNA는 1976년에 Lawrence Livermore National Laboratory의 John O.
- 프레임의 단면은 사각형으로 길이와 폭에 비해 두께는 작으므로 shell 요소로 모델링하였으며 패널은 여러 소재가 적층되어 있고 두께가 두꺼우므로 solid 요소로 모델링하였다. 패널과 프레임에 사용된 Al7039, Al5083, Al6061에 대한 재료모델은 MAT Plastic Kinematic을 적용하였는데 각 소재에 대한 starin rate parameter(C, P)를 구하기 어려우므로 strain rate의 영향은 고려하지 않았다. 패널에 사용된 NBR(Acrylonitrile-Butadiene Rubber)은 MAT Mooney-Rivlin Rubber로 모델링하였다.
- 0kg인 경우에 대하여 수행하였다. 폭압해석을 위한 압력하중 산출은 미육군의 폭압해석 프로그램인 CONWEP을 이용하여 계산하였다[6]. CONWEP에서 계산된 압력의 타당성을 검토하기 위하여 2.
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