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문제 정의
- Kevlar 헬멧과 Steel/Kevlar 혼합복합재 헬멧이 NIJ-STD-0106.1 Type 규격에 적합한지 확인하기 위해 시뮬레이션이 수행되었다. 7.
- 본 논문은 11.9 g 강구와 7.62 mm FMJ 일반 탄도 충격에 의한 Kevlar 와 Steel/Kevlar 혼합복합재 헬멧의 방탄성능을 AUTODYN-3D 를 이용하여 비교 및 고찰하였다. 이는 단일재료 사용의 대안으로서 혼합복합재를 사용하여 방탄헬멧의 탄도저항을 평가하는데 있다.
- 본 연구를 통해 Kevlar 헬멧의 방탄성능을 향상시키기 위해 Steel/Kevlar 혼합복합재를 대안으로 선택하여, 이에 대한 수치해석을 통해 방탄성능향상과 적용 가능성을 확인하였다.
제안 방법
- 절점탈락기능이란 하나의 요소가 충격에 의해 변형이 발생될 때 그 변형율이 변형 한계에 도달하면 삭제되어 해석을 계속 진행할 수 있도록 하는 기능이다.(9) 또한 본 논문은 모든 Lagrange, ALE, Shell, Beam 및 비정렬 격자체의 충격해석을 구현하기 위해 적용되는 접촉 알고리즘을 사용하였다. 구체적으로 External Gap 으로 요소의 선형 및 각운동량을 보존하는 알고리즘이다.
- 방탄 헬멧의 총 두께는 10 mm 이다. Fig. 9 와 같이 Y 축 대칭조건으로 Kevlar 와 Steel 의 비율을 10:0, 8:2, 6:4 로 지정하여 3 가지 유형의 헬멧 모델링을 수행하였다. 헬멧의 두께 치수 및 총 질량은 Table 4 에 보여진다.
- Kevlar 헬멧의 방탄성능을 향상시키기 위해 Steel/Kevlar 혼합복합재를 방탄헬멧에 적용시켜 탄도저항 평가를 수행하였다. 탄도저항 평가 전산모사를 수행하기 앞서 Steel 의 충격거동에 대한 실험과 시뮬레이션 검증을 선 수행하였다.
- Kevlar 헬멧의 탄도저항 예측은 유한 차분법을 기반으로한 AUTODYN-3D 를 이용하여 전산모사를 수행하고 참고문헌의 실험을 통해 검증하였다. Kevlar 헬멧의 탄도시험은 싱가포르 국립 대학의 충격역학 실험실에서 수행되었고 그 결과와 본 시뮬레이션에서 도출한 결과를 비교 고찰하여 시뮬레이션을 검증하였다.(7) 탄도시험은 15 mm 구멍의 가스총으로 직경 14.
- 이는 단일재료 사용의 대안으로서 혼합복합재를 사용하여 방탄헬멧의 탄도저항을 평가하는데 있다. 비교 방법으로는 내부에너지 측정 및 탄자 변형으로 방탄성능을 확인하고 NIJ-STD0106.1 Type 에 부합되는지를 확인하였다.
- 실험과 동일한 조건으로 수치 시뮬레이션을 수행하였고 Table 2 은 시뮬레이션에 적용된 강구와 강판의 상태 방정식 및 재료 구성모델이다. 실험과 동일한 치수로 시뮬레이션 모델링 및 해석을 수행하였다. 충돌 후 수치 시뮬레이션 결과는 실험과 동일하게 표적체 전면에 크레이터가 생성되고 후면에는 충격에 의한 변형이 형성되었다.
- 2 는 요소 사이의 Gap 크기를 보여주며 녹색으로 표시되어있는 부분이 요소표면구간의 접촉감지영역으로 각 요소의 Gap 이다. 이러한 모든 접촉감지영역의 노드는 관통의 깊이에 비례하여 가해지는 힘에 의해 격퇴되는 원리로 충격해석을 수행한다. Gap 의 크기는 요소간의 상호작용에 관련된 부분으로 가장 작은 요소면의 1/10 에서 1/2 의 범위에 있어야 한다.
- 16 의 선도는 충격되었을 때 헬멧의 전면내부에서 시간에 따른 내부에너지의 변화이며 gage-10 에서 측정된 결과이다. 전면에 다양한 위치에 부착된 gage 에서의 결과값 모두 거의 일치하였고 변화가 크지 않아 특정 gage 에서 얻은 결과값으로 탄도저항을 평가하였다.
- 충남대학교 충격실험장비를 이용하여 Steel 사각판재의 충돌실험을 수행하였다. Fig.
- Kevlar 헬멧의 방탄성능을 향상시키기 위해 Steel/Kevlar 혼합복합재를 방탄헬멧에 적용시켜 탄도저항 평가를 수행하였다. 탄도저항 평가 전산모사를 수행하기 앞서 Steel 의 충격거동에 대한 실험과 시뮬레이션 검증을 선 수행하였다.
- 헬멧의 방탄성능을 비교하는 또 하나의 방법으로서 방호탄도한계의 측정을 통해 각 헬멧을 비교 및 고찰하였다. 방호탄도한계는 완전관통(CP : Complete Penetration)과 부분관통(PP : Partial Penetration)경우를 통해 방호탄도한계를 측정하는 것이다.
대상 데이터
- 강 구형 발사체에 대한 재료물성치는 AUTODYN 표준재료를 사용하였다.
- 5 는 강판으로 100×100 mm 이고 두께는 각 6 mm, 10 mm 이다. 고속 발사체의 경우 직경 5 mm, 10 mm, 20 mm 의 다양한 강구를 사용하고, 충돌 초기속도는 2 MPa의 압력으로 약 400 m/s 이다. Fig.
- 12 에 보여진다. 발사체는 TrueGrids 를 사용하여 모델링되었고 황동 피복과 납코어의 두 부분으로 구성되어있는 납탄이다. 헬멧의 탄도저항을 평가하기 위해 7.
- 방탄 헬멧의 총 두께는 10 mm 이다. Fig.
- Gap 의 크기는 요소간의 상호작용에 관련된 부분으로 가장 작은 요소면의 1/10 에서 1/2 의 범위에 있어야 한다. 본 논문의 시뮬레이션은 150 %의 절점탈락기능 값을 설정하였고 발사체와 표적체의 상호작용 Gap 크기는 0.048 mm 이다. 강 구형 발사체에 대한 재료물성치는 AUTODYN 표준재료를 사용하였다.
- Table 1 은 탄도 충격시뮬레이션에 적용된 Kevlar 재료모델에 대한 상수를 나타낸다. 제시된 재료상수는 탄도 충격에 의한 Kevlar 헬멧의 응답을 나타내는데 사용되며 참고문헌[8]에서 인용되었다.
데이터처리
- Kevlar 헬멧의 탄도저항 예측은 유한 차분법을 기반으로한 AUTODYN-3D 를 이용하여 전산모사를 수행하고 참고문헌의 실험을 통해 검증하였다. Kevlar 헬멧의 탄도시험은 싱가포르 국립 대학의 충격역학 실험실에서 수행되었고 그 결과와 본 시뮬레이션에서 도출한 결과를 비교 고찰하여 시뮬레이션을 검증하였다.
이론/모형
- 하지만 군사비용 및 금속제의 방호력 효율을 고려한다면 경량화에는 다소 성능이 떨어지지만 단일 폴리머 재료 대신 혼합복합재의 방탄성능을 평가함으로써 적용 가능성을 확인할 필요가 있다. 방탄헬멧의 손상 정도를 방탄성능으로 표현하며 방탄성능을 나타내는 기준으로 방호탄도한계속도를 사용한다. 방호성능은 탄의 종류와 형상, 충격속도, 방탄재료의 성질, 규격 등에 따라 결정되지만, 일반적으로 방호성능은 일정한 충격위협에 대한 피해를 양적으로 측정하여 비교할 수 있다.
- 초기속도 205 m/s 의 강구에 의한 충격거동은 AUTODYN-3D 의 절점탈락기능(erosion)을 사용하여 구현되었다. 절점탈락기능이란 하나의 요소가 충격에 의해 변형이 발생될 때 그 변형율이 변형 한계에 도달하면 삭제되어 해석을 계속 진행할 수 있도록 하는 기능이다.
성능/효과
- (1) 많은 시간과 비용이 소요되는 헬멧의 방탄성능 측정을 수치시뮬레이션으로 대체할 수 있음을 확인하였다.
- (2) Kevlar 보다 Steel/Kevlar 혼합복합재를 사용하였을 경우 헬멧의 내부 파괴가 적고 내부에너지 또한 상당히 감소하였다.
- (3) Steel/Kevlar 혼합복합재 헬멧은 NIJ-STD0106.1 Type 규격에 적합하였고 발사체는 Kevlar 보다 충격에 의해 더 심하게 변형되었다. 이는 충격에 의해 발사체로 전달되는 충격에너지가 증가하고 따라서 발사체의 무뎌짐(blunting)이 증가하기 때문이다.
- 1 Type 규격에 맞는 358 m/s 의 초기속도를 갖는다. 3 종류의 헬멧 시뮬레이션 결과는 모두 7.62mm FMJ 발사체를 방어할 수 있다고 나왔다.
- Helmet_1 은 660 m/s 이상의 발사체 충격으로부터 부분 관통이기 때문에 V50은 655 m /s 이고 Helmet_3 은 850 m/s 의 발사체 충격으로부터 부분관통이므로 V50 은 845 m/s 이다. 결과에서 보여지듯 혼합복합재 헬멧의 경우 단일 Kevlar 헬멧보다 약 200 m/s 정도 더 방호탄도 한계속도가 높았다.
- 이와 같이 시뮬레이션의 전반적인 결과는 실험에서 관찰된 것과 일치하였다. 또한 Kevlar 재료상수에 대한 시뮬레이션 검증은 이미 타 논문과 실험에서 입증이 되었고 실험 대체로서의 적용이 충분히 가능성 있다고 판단된다.(7,8)
- 변형량 즉 관통 깊이 측정 결과는 강구의 직경이 증가함에 따라 증가하였고 반면 판의 두께가 증가함에 따라 감소하였다.
- 시뮬레이션 및 실험 결과 모두 6 mm 두께의 표적체에서 직경 5 mm 의 강구에 비해 20 mm 의 강구로 충격되었을 때 약 11 배 정도의 더 깊은 관통이 발생하였다. 실험에 의한 Steel 판재의 충격거동 변형량이 시뮬레이션의 결과와 상당히 일치하는 점을 확인하였다.
- 시뮬레이션 및 실험 결과 모두 6 mm 두께의 표적체에서 직경 5 mm 의 강구에 비해 20 mm 의 강구로 충격되었을 때 약 11 배 정도의 더 깊은 관통이 발생하였다. 실험에 의한 Steel 판재의 충격거동 변형량이 시뮬레이션의 결과와 상당히 일치하는 점을 확인하였다.
- 반면 혼합복합재의 경우 내부에너지 결과 값이 약 1/16 배정도 감소함을 볼 수 있었다. 이는 발사체에 의해 전달되는 충격에너지가 거의 감소함을 의미하며 생존성 향상 측면에서 방탄성능이 향상되었음을 볼 수 있었다.
- 10 은 충돌 후 전면에서 Helmet_1 과 Helmet_3 의 내부파괴 형태 및 파괴 손상수준를 보여준다. 혼합복합재의 경우 단일 Kevlar 보다 내부 파괴가 상당히 줄어들었으며 이는 헬멧의 방탄성능이 더 향상되었고 발사체의 전달되는 충격 에너지가 적음을 알 수 있었다.
후속연구
- 그러나 관통자의 충돌속도 및 경사, 재질 등 다양한 조건에 대한 방탄성능을 확인하기 위해서는 많은 비용과 시간이 소요되며 측정을 어렵게 하는 단점이 있다. 따라서 Autodyn, LS-Dyna 등 유한 요소법 또는 유한 차분법을 기반으로한 범용프로그램을 이용하여 다양한 조건의 실험을 보완 또는 해석하는 대안으로 활용될 수 있고 이는 설계에 있어서 피드백하여 적용된다.(1)
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