[논문]탄소/에폭시 복합재 적층판의 고속충돌 관통해석

김영아; 우경식; 유원영; 김인걸; 김종헌

doi:10.7234/kscm.2012.25.6.191

탄소/에폭시 복합재 적층판의 고속충돌 관통해석
High velocity Impact Analysis of Carbon/Epoxy Composite Laminates 원문보기

복합재료 : 한국복합재료학회지 = Journal of the Korean Society for Composite Materials, v.25 no.6, 2012년, pp.191 - 197

김영아 (충북대학교 대학원 구조시스템공학과) , 우경식 (충북대학교 토목공학부) , 유원영 (항공우주연구원) , 김인걸 (충남대학교 항공우주공학과) , 김종헌 (국방과학연구소)

초록
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본 연구에서는 수치적 시뮬레이션을 통해 탄소/에폭시 복합재 적층판의 고속충돌 관통 거동을 연구하였다. 해석은 상용유한요소 해석프로그램인 LS-DYNA를 사용하여 해석을 수행하였고, 적층판 및 구형 강철 충격체 모두 3차원 요소로 모델링 하였다. 해석에는 적층순서가 $[45/0/-45/90]_{ns}$인 16 및 24장으로 된 복합재 적층판을 고려하였으며 충격체의 초기속도는 140-250 m/s 범위의 값을 사용하였다. 해석결과 예측된 잔류속도는 실험값과 비교적 잘 일치하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, the penetration behavior of carbon/epoxy composite laminates subjected to high velocity projectile impact was studied by numerical simulation. The composite laminates made of carbon/epoxy with $[45/0/-45/90]_{ns}$ stacking sequence and the spherical steel impactor were three-dimensionally modeled. The ply numbers of 16 and 24 and the impact velocities in the range of 140-250 m/s were considered. The analysis was performed using an explicit finite element code LS-DYNA. The residual velocity and the amount of damage were predicted and compared to the experimental results.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수치적 고속충돌 해석을 통하여 고속충돌 관통속도 값을 예측하였다. 상용유한요소 해석 코드인 LS-DYNA 를 이용하여 고속 충돌해석을 수행하였으며 그 결과를 참고문헌[7]의 실험결과와 비교 분석하였다.
본 연구에서는 충돌시 파손영역에 대해서 조사하였다. 앞서 서술한 것과 같이 본 연구에서 사용한 재료모델 MAT59는 8개의 파괴지표를 가지나 종방향 및 두께방향의 압축파괴는 고려하지 않았으므로 6개의 파손영역만을 분석하였다.
실제로 복합재 충돌해석에서 Deka 등[3]은 strain rate의 영향을 고려 하기 위하여 실험적으로 구한 강도값에 10% 증가시켜 사용한바 있으며, 본 연구에서도 strain rate의 영향을 고려하기 위하여 실험적으로 구한 강도를 10% 증가시켜 사용하였고 또한 횡방향 압축 및 전단강도의 경우에도 적절히 값을 증가 시켜 해석을 수행하였다. 한편 사전 연구결과 종방향의 압축, 두께방향의 압축 및 전단강도에 대해 기준값을 사용할 경우 적층판에서 파괴가 비현실적으로 조기에 발생하게 되는 계산상의 문제를 야기하였으므로 본 연구에서는 이들에 의한 파손은 고려하지 않았다.

가설 설정

충격체인 강철은 탄성영역 외에도 큰 소성변형을 가지므로 MAT3(Plastic Kinematic)재료 모델을 적용하여 계산을 수행하였다[8]. 재료는 이중직선형 응력-변형률 관계식을 가지는 것으로 가정하였다.

제안 방법

4 mm (D/d = 4)일 때의 충격체와 복합재 적층판을 3차원 고체요소로 모델링한 유한요소 메쉬를 보이고 있다. 고속 충돌의 경우 시편의 전체 범위에서 변형이 일어나지 않고 충격체와 충돌이 일어나는 국소부분만 큰 변형이 발생하기 때문에 그림에서 보는 것과 같이 적층판의 중심으로 갈수록 요소의 크기가 점차적으로 감소하도록 모델링을 하였다. 또한 사전연구에서 경계조건이상으로 파손영역이 발생한 경우도 보여, 경계조건에 의한 영향을 줄이기 위해 적층판은 경계조건의 끝단보다 충분히 크게 모델링을 하였다.
5 mm 이나 중앙에 지름이 D인 원으로 표시된 부분의 외부는 상하에 모두 강철판으로 지지되어 있으므로 내부 지역만이 충격에 의해 변형이 가능하도록 되어있다. 따라서 유한요소해석에서는 지름이 D인원의 외부지역의 일부도 포함하여 모델링하였다. 본 연구에서 적층판의 지름(D)은 19.
해석에는 적층순서가 [45/0/-45/90]_ns이고 적층수가 16플라이 및 24플라이인 탄소/에폭시 복합재 적층판을 고려하였으며 충격체의 초기속도는 140-250 m/s범위의 속도를 고려하였다. 또한 경계조건의 영향을 알아보기 위해 적층판의 변형 가능한 지역의 지름(D)과 충격체의 지름(d)의 비(D/d)가 3, 4, 및 5인 다양한 시편의 크기를 고려하였다.
고속 충돌의 경우 시편의 전체 범위에서 변형이 일어나지 않고 충격체와 충돌이 일어나는 국소부분만 큰 변형이 발생하기 때문에 그림에서 보는 것과 같이 적층판의 중심으로 갈수록 요소의 크기가 점차적으로 감소하도록 모델링을 하였다. 또한 사전연구에서 경계조건이상으로 파손영역이 발생한 경우도 보여, 경계조건에 의한 영향을 줄이기 위해 적층판은 경계조건의 끝단보다 충분히 크게 모델링을 하였다. 해석모델은 D/d = 3인 모델을 중심으로 D/d가 4와 5로 증가 함에 따라서 내부에는 모두 동일한 모델을 사용하고 외부에 요소를 추가하는 방식으로 메쉬를 제작하였다.
다양한 충돌속도에 대해 해석을 수행한 결과 충격체의 관통예측 및 잔류속도는 실험값과 비교하여 잘 일치하였다. 또한 해석결과로부터 충격체의 시간이력, 충격력 시간이력, 파손모드 및 파손형태 등 충격거동을 상세히 고찰하였다.
충격체는 약 3,300개의 요소를 사용 하여 모델링 하였다. 복합재 적층판의 경계조건은 적층판의 지름 D로 표시한 지역의 외부에 위치한 절점들에 대해서 최상층과 최하층에 위치한 절점들에 대해 모든 자유도를 구속 하여 고정하였다.
완전적분 요소를 사용하면 Hourglass 모드가 발생하지 않으나 이 경우 해석시간과 메모리가 상당히 증가하게 되어 비효율적이다. 본 연구에서는 감차적분요소로 모델링하였고 강성에 의한 Hourglass 모드 컨트롤(Type 5)사용하여 해석을 수행 하였다.
본 연구에서는 상용유한요소 해석 코드인 LS-DYNA를 이용하여 고속충돌 관통속도를 예측하였으며 그 결과를 실험값과 비교 하였다. 해석에는 적층순서가 [45/0/-45/90]_ns이고 적층수가 16플라이 및 24플라이인 탄소/에폭시 복합재 적층판을 고려하였으며 충격체의 초기속도는 140-250 m/s범위의 속도를 고려하였다.
본 연구에서는 상용유한요소 해석코드인 LS-DYNA를 이용하여 충돌해석을 수행하였다. 충격체와 적층판의 접촉은 응력이 일정한 파손기준식 또는 유효파손변형률(effective failure strain, EFS)을 만족하면 해당요소가 삭제되는 ERODING_ SURFACE_TO_SURFACE(SOFT = 1)로 모델링하였고 마찰계수는 0.
본 연구에서는 충돌시 파손영역에 대해서 조사하였다. 앞서 서술한 것과 같이 본 연구에서 사용한 재료모델 MAT59는 8개의 파괴지표를 가지나 종방향 및 두께방향의 압축파괴는 고려하지 않았으므로 6개의 파손영역만을 분석하였다.
본 연구에서는 상용유한요소 해석코드인 LS-DYNA를 이용하여 충돌해석을 수행하였다. 충격체와 적층판의 접촉은 응력이 일정한 파손기준식 또는 유효파손변형률(effective failure strain, EFS)을 만족하면 해당요소가 삭제되는 ERODING_ SURFACE_TO_SURFACE(SOFT = 1)로 모델링하였고 마찰계수는 0.1로 하였다.
또한 사전연구에서 경계조건이상으로 파손영역이 발생한 경우도 보여, 경계조건에 의한 영향을 줄이기 위해 적층판은 경계조건의 끝단보다 충분히 크게 모델링을 하였다. 해석모델은 D/d = 3인 모델을 중심으로 D/d가 4와 5로 증가 함에 따라서 내부에는 모두 동일한 모델을 사용하고 외부에 요소를 추가하는 방식으로 메쉬를 제작하였다. 적층판에 사용된 요소수는 적층수가 16일 때 약 62,000개 이고 24인 경우는 약 93,000개이다.
본 연구에서는 상용유한요소 해석 코드인 LS-DYNA를 이용하여 고속충돌 관통속도를 예측하였으며 그 결과를 실험값과 비교 하였다. 해석에는 적층순서가 [45/0/-45/90]_ns이고 적층수가 16플라이 및 24플라이인 탄소/에폭시 복합재 적층판을 고려하였으며 충격체의 초기속도는 140-250 m/s범위의 속도를 고려하였다. 또한 경계조건의 영향을 알아보기 위해 적층판의 변형 가능한 지역의 지름(D)과 충격체의 지름(d)의 비(D/d)가 3, 4, 및 5인 다양한 시편의 크기를 고려하였다.
해석에는 탄소/에폭시 복합재 적층판을 고려하였으며 적층순서가 [45/0/-45/90]_ns인 16플라이 및 24 플라이로된 복합재 적층판을 고려하였다. 해석은 경계조건의 영향을 알아보기 위해 적층판의 지름(D)과 충격체의 지름(d)의 비(D/d)가 3, 4, 및 5인 다양한 시편에 대해 해석을 수행하였으며 충격력의 시간이력, 파손모드 및 파손영역 등 충격거동을 고찰하였다.

대상 데이터

1은 충돌실험 실험 시편 형상을 보여주고 있다. 복합재 충돌시편은 탄소/에폭시(USN 150B)[7] 라미나(t_ply = 0.141 mm)를 적층하여 제작되었고 적층순서는 [45/0/-45/90]_2N 이다. Fig.
LS-DYNA는 다양한 재료 모델링을 제공하고 있다. 본 연구에서 고체요소로 모델링된 복합재 적층판은 MAT59(Composite failure solid model)[8]를 적용하였다. MAT59는 최대응력파손 기준을 사용하는 비등방성 재료모델이며 인장파괴, 전단 파괴, 압축파괴, 박리파괴모드가 있는데 각각의 모드는 방향에 따라 나뉘며 다음과 같은 8개의 파괴 지표를 가진다.
따라서 유한요소해석에서는 지름이 D인원의 외부지역의 일부도 포함하여 모델링하였다. 본 연구에서 적층판의 지름(D)은 19.05 mm, 25.4 mm 및 31.75 mm 의 세가지 경우를 고려하였다.
적층판에 사용된 요소수는 적층수가 16일 때 약 62,000개 이고 24인 경우는 약 93,000개이다. 충격체는 약 3,300개의 요소를 사용 하여 모델링 하였다. 복합재 적층판의 경계조건은 적층판의 지름 D로 표시한 지역의 외부에 위치한 절점들에 대해서 최상층과 최하층에 위치한 절점들에 대해 모든 자유도를 구속 하여 고정하였다.
충격체는 지름(d)이 6.35 mm 인 강철구 이며 무게는 1.055 g 이다. 충격체는 140-250 m/s 범위의 초기속도를 가지고 복합재 적층판에 충돌한다.
상용유한요소 해석 코드인 LS-DYNA 를 이용하여 고속 충돌해석을 수행하였으며 그 결과를 참고문헌[7]의 실험결과와 비교 분석하였다. 해석에는 탄소/에폭시 복합재 적층판을 고려하였으며 적층순서가 [45/0/-45/90]_ns인 16플라이 및 24 플라이로된 복합재 적층판을 고려하였다. 해석은 경계조건의 영향을 알아보기 위해 적층판의 지름(D)과 충격체의 지름(d)의 비(D/d)가 3, 4, 및 5인 다양한 시편에 대해 해석을 수행하였으며 충격력의 시간이력, 파손모드 및 파손영역 등 충격거동을 고찰하였다.

데이터처리

본 연구에서는 수치적 고속충돌 해석을 통하여 고속충돌 관통속도 값을 예측하였다. 상용유한요소 해석 코드인 LS-DYNA 를 이용하여 고속 충돌해석을 수행하였으며 그 결과를 참고문헌[7]의 실험결과와 비교 분석하였다. 해석에는 탄소/에폭시 복합재 적층판을 고려하였으며 적층순서가 [45/0/-45/90]_ns인 16플라이 및 24 플라이로된 복합재 적층판을 고려하였다.

이론/모형

충격체인 강철은 탄성영역 외에도 큰 소성변형을 가지므로 MAT3(Plastic Kinematic)재료 모델을 적용하여 계산을 수행하였다[8]. 재료는 이중직선형 응력-변형률 관계식을 가지는 것으로 가정하였다.

성능/효과

Fig. 3(a)의 D/d = 4인 경우에서 볼 수 있듯이 초기 충돌속도(v_i)가 167 m/s와 184 m/s인 경우 충격체의 잔류 속도가 계속 음의 값을 가져 관통이 되었음을 나타내고 있지만 충돌속도가 155 m/s인 경우에는 계속적으로 잔류속도가 감소하다가 양의 값으로 바뀌게 되어 관통되지 않음을 나타내고 있다. 마찬가지로 Fig.
마찬가지로 Fig. 3(b)의 D/d = 5 인 경우 충돌속도가 163 m/s인 경우 충격체는 관통되지 않고 튕겨 나오지만 충돌속도가 173 m/s, 182 m/s인 경우에는 충격체가 관통하여 계속적으로 음의 잔류속도를 가지는 것을 볼 수 있다.
다양한 충돌속도에 대해 해석을 수행한 결과 충격체의 관통예측 및 잔류속도는 실험값과 비교하여 잘 일치하였다. 또한 해석결과로부터 충격체의 시간이력, 충격력 시간이력, 파손모드 및 파손형태 등 충격거동을 상세히 고찰하였다.
본 연구에서 고려한 복합재 적층판은 횡방향 인장파손과 박리파손이 지배적으로 발생했으며 특히 박리파손이 가장 큰 파손영역을 보였다.
Table 2에 본 해석에 의한 잔류속도와 참고문헌 [7]의 실험 결과 값을 나타내었다. 해석에 의한 잔류속도 값과 실험 결과 값을 비교해본 결과 다양한 충돌속도에 대한 충격체의 관통예측 및 잔류속도 예측이 비교적 실험 결과 값과 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다.
횡방향 인장파손은 박리에 비해 모든 층에서 비교적 고른 파손직경을 나타내고 있으며, 또한 재료방향이 0°인 플라이가 가장 넓은 파손을 나타나 가장 작은 파손영역을 나타낸 -45°라미나 보다 약 10% 넓은 파손을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	복합재 구조물과 충격체의 충돌이 미치는 영향은 무엇인가?	한편 복합재 구조물을 다양한 요소에 의해 충돌을 일으킬수 있는 환경에 노출되게 된다. 복합재 구조물과 충격체의 충돌이 일어나면 충격체의 운동에너지는 주로 복합재 구조물에 흡수되며 이로 인해 복합재 구조물은 기지균열, 섬유/기지 분리, 층간분리 등 다양한 파손이 발생한다.[1,2] 이러한 충격에 의한 파손은 구조물의 구조적 기능을 완전히 상실하게 하거나 기계적 성질 및 수명을 급격하게 감소시킨다.
	복합재료의 활용분야는 어떠한가?	최근 복합재료는 항공기, 우주 구조 재료 및 방위산업 등 여러 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 이는 복합재료가 일반 적으로 우수한 비강도와 비강성 및 내마모성 등을 가지고 있을 뿐만 아니라, 강화재와 기지재의 종류가 다양하고 또한 요구조건에 맞추어 특성을 적절히 가감할 수 있기 때문이다.
	항공기, 우주 구조 재료 및 방위산업 등에서 복합재료를 사용하는 이유는 무엇인가?	최근 복합재료는 항공기, 우주 구조 재료 및 방위산업 등 여러 분야에서 광범위하게 사용되고 있다. 이는 복합재료가 일반 적으로 우수한 비강도와 비강성 및 내마모성 등을 가지고 있을 뿐만 아니라, 강화재와 기지재의 종류가 다양하고 또한 요구조건에 맞추어 특성을 적절히 가감할 수 있기 때문이다. 특히 항공우주산업에서는 구조물의 구조와 무게에 매우 민감한데 복합 재료는 구조물의 무게를 줄여주고 순항능력을 증가시켜 준다.

참고문헌 (9)

Sun, C.T., and Potti, S.V., "A simple model to predict residual velocities of thick composite laminates subjected to high velocity impact," International Journal of Impact Engineering, Vol. 18, No. 3, 1996, pp. 339-353.

상세보기
Hou, J.P., Petrinic, N., Ruiz, C., and Hallett, S.R, "Predicting of impact damage in composite plates," Composite Science and Technology, Vol. 60, No. 2, 2000, pp. 273-281.

상세보기
Deka, L.J., Bartus, S.D., and Vaidya, U.K., "Damage evolution and energy absorption of FRP plates subjected to ballistic impact using a numerical model," 9th International LS-DYNA Conference, 2008.
Silva, M.A.G., Cismasiu, C., and Chiorean, C.G., "Numerical simulation of ballistic impacton composite laminates," International Journal of Impact Engineering, Vol. 31, No. 3, 2005, pp. 289-306.

상세보기
Lee, S.W.R., and Sun, C.T., "Dynamic penetration of graphite/ epoxy laminates by a blunt-ended projectile," Composite Science and Technology, Vol. 49, No. 4 1993, pp. 561- 588.
Lopez-Puente, J., Zaera, R., and Navarro, C., "Experimental and numerical analysis of normal and oblique ballistic impacts on thin carbon/epoxy woven laminates," Composite Part A:Applied Science and manufacturing, Vol. 39, No. 2, 2008, pp. 374-387.

상세보기
Woo, K., Kim, I., Ha, S.C., Shin, H., and Kim, J.H., "Highvelocity impact damage behavior of graphite-epoxy composite laminates," 18th International Conference on Composite Materials, 2011.
Hallquist, J.O., "LS-DYNA Theoretical manual," version 971, Livermore software Tech Corp, 2006
Shin, H., You, W., Kim, I., Lee, S., Ha, S., and Cho, S., "The Correlation between Static Indentation Experiment and Analytical Model for the Behavior of the Composite Laminates Subjected to High Velocity Impact," 18th International Conference on Composite Materials, 2011.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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