[논문]얇은 표적체판에 천공하는 PELE 의 파괴 메커니즘 수치시뮬레이션

조종현; 이영신

doi:10.3795/ksme-a.2012.36.12.1577

얇은 표적체판에 천공하는 PELE 의 파괴 메커니즘 수치시뮬레이션
Numerical Simulation of Failure Mechanism of PELE Perforating Thin Target Plates 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.36 no.12, 2012년, pp.1577 - 1583

조종현 (충남대학교 기계설계공학과) , 이영신 (충남대학교 기계설계공학과)

초록
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횡방향 관통 효율 강화 탄체(PELE)는 기폭장치가 없는 새로운 개념의 발사체이다. PELE 는 배면이 닫혀있는 고밀도 피복과 저밀도 충전재로 구성되어있다. PELE 의 폭발 특성을 연구하기 위해 AUTODYN-3D code 를 이용하여 발사체와 표적체의 모델을 구축하였다. PELE 의 의해 알루미늄-2024 합금 표적체를 천공하는 과정을 시뮬레이션으로 구현하였으며 또한 다양한 내부 충전재에 의해 분산되는 표적체의 파편 특성도 연구하였다. PELE 파편의 유한요소해석은 AUTODYN-3D code 의 추계학적 파괴기준을 사용하여 구현되었다. 내부 충전재의 팽창으로 인해 파편은 속도를 얻으며 횡방향으로 분산된다. 따라서 손상영역의 범위가 증강한다. 관통 및 횡방향 분산 과정에서 생성되는 파편은 내부 충전재의 충격 압력에 따라 그 양과 형태가 다른 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Penetrator with enhanced lateral effect (PELE) is a novel projectile that does not require dynamite and a fuse. It comprises a high-density jacket that is closed at its rear end and filled with a low-density filling material. To study the explosion characteristics of PELE using AUTODYN-3D code, the calculation models of the projectile body and the bullet target were developed and the process of penetrating an aluminum-2024 alloy target using PELE was simulated. The scattering characteristics after PELE penetrated the aluminum-2024 alloy target were studied for different filling materials. The explicit finite element analysis of PELE fragmentation was implemented with the stochastic failure criterion in AUTODYN-3D code. As the filling expanded, the fragments gained velocity and dispersed laterally, increasing the damage area considerably. The number and shape of PELE fragments differed depending on the impact pressure of the filling that fragmented during the penetration and lateral dispersion processes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 PELE 의 관통과정을 수치해석으로 구현하는 절차를 기술하며 다양한 충전재에 따른 충격거동과 파괴메커니즘을 설명한다.
특히 충전재의 내부압력에 의한 피복의 균열 및 파괴와 충격 거동의 생산물인 동적 파편구현이 어렵다. 본 단락에서는 AUTODYN-3D 를 이용하여 실질적인 충격거동 및 파편을 구현하는 방법 및 절차를 기술하겠다. 충격거동에 의한 동적 파편은 추계학적(stochastic) 파괴기준으로 구현되었다.
본 연구에서는 얇은 판에 천공하는 PELE 의 충격 거동을 수치해석으로 구현하는 절차를 기술하고 충격압력과 충격속도에 의해 생성되는 파괴메커니즘과 파편 사이의 관계를 해석하였다.
30 mm 두께의 표적체(Target) 재료는 Al-2024 alloy 이며 발사체의 피복 및 충전재는 각각 Steel-4340 과 폴리에틸렌이다. 시뮬레이션에 300 mm 의 얇은 표적체를 적용한 이유는 충격에 의해 PELE 의 거동특성을 자세히 연구하기 위해서이다. 본 연구는 PELE 발사체의 충격특성에 대한 선행연구이기 때문에 얇은 표적체를 적용하였다.

가설 설정

얇은 판에 천공하는 PELE 발사체의 충격은 높은 온도와 thin fluid zone 을 야기시키는 발사체와 표적체 사이의 경계영역에서 높은 압력 P 를 생산한다. 피복, 충전물 그리고 표적체는 비압축성으로 가정되며 충격거동은 강체와 소성으로 정의된다. 또한 그것은 충전물의 압력 파동이 압력과 지속시간에 의해 정의된 직사각형처럼 형성된 것으로 추정되고 있다.

제안 방법

(1) 천공하는 PELE 충격거동을 수치시뮬레이션으로 구현하는 방법 및 절차를 기술하고 유체역학적인 압력을 묘사하였다.
속도가 1100 m/s 로 유질될 때 각 충전재에 따른 충격압력은 앞 단락에서 계산되었다. 내부 충격압력과 충격속도에 따른 발사체 피복의 파괴형상과 파편의 양 등 상관관계를 도출하기 위해 시뮬레이션이 수행되었다.
본 연구는 PELE 발사체의 충격특성에 대한 선행연구이기 때문에 얇은 표적체를 적용하였다. 따라서 본 연구의 모든 시뮬레이션에 30 mm 의 표적체 두께를 적용하였고 표적체 두께에 대한 충격 특성은 언급하지 않았다.
시뮬레이션에 300 mm 의 얇은 표적체를 적용한 이유는 충격에 의해 PELE 의 거동특성을 자세히 연구하기 위해서이다. 본 연구는 PELE 발사체의 충격특성에 대한 선행연구이기 때문에 얇은 표적체를 적용하였다. 따라서 본 연구의 모든 시뮬레이션에 30 mm 의 표적체 두께를 적용하였고 표적체 두께에 대한 충격 특성은 언급하지 않았다.
이는 본 논문의 모든 시뮬레이션에 적용되었다. 본 연구에서 수행된 충격거동은 AUTODYN3D 의 절점탈락기능(erosion)을 사용하여 구현되었다. 절점탈락기능이란 하나의 요소가 충격에 의해 변형이 발생될 때 그 변형률이 변형 한계에 도달하면 삭제되어 해석을 계속 진행할 수 있도록 하는 기능이다.
첫 번째는 충전재에서 발생하는 최대내부압력이 충격파에 대한 이론적 접근에서 계산된 최대내부압력과 일치 하는지, 두 번째는 충격속도에 따라 표적체에서 발생하는 파편의 수가 수렴하는지를 고려하였다. 이 두 가지를 고려하여 요소의 크기 및 개수를 정하여 본 시뮬레이션을 수행하였다.
5 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.
본 연구에서는 해석 매개변수를 결정할 때 두 가지를 고려하였다. 첫 번째는 충전재에서 발생하는 최대내부압력이 충격파에 대한 이론적 접근에서 계산된 최대내부압력과 일치 하는지, 두 번째는 충격속도에 따라 표적체에서 발생하는 파편의 수가 수렴하는지를 고려하였다. 이 두 가지를 고려하여 요소의 크기 및 개수를 정하여 본 시뮬레이션을 수행하였다.
3 은 충격거동의 시뮬레이션 결과이다. 충격거동의 대략적인 설명을 위하여 측정 시간은 총 4 단계로 측정을 하였다. Fig.

대상 데이터

발사체의 전체 길이는 300 mm 이며 피복과 충전물의 해당 반경은 30 mm 와 20 mm 이다. 30 mm 두께의 표적체(Target) 재료는 Al-2024 alloy 이며 발사체의 피복 및 충전재는 각각 Steel-4340 과 폴리에틸렌이다. 시뮬레이션에 300 mm 의 얇은 표적체를 적용한 이유는 충격에 의해 PELE 의 거동특성을 자세히 연구하기 위해서이다.
2 는 PELE 의 시뮬레이션 2D 모델링을 보여준다. 발사체의 전체 길이는 300 mm 이며 피복과 충전물의 해당 반경은 30 mm 와 20 mm 이다. 30 mm 두께의 표적체(Target) 재료는 Al-2024 alloy 이며 발사체의 피복 및 충전재는 각각 Steel-4340 과 폴리에틸렌이다.
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 발사체의 표적체의 상호작용 Gap 크기는 0.044 mm 이다.
발사체는 1100 m/s 의 초기 속도로 관통하게 된다. 총 11 개의 게이지를 충전재 내부에 설정하여 시간에 따른 압력 데이터를 얻었고 내부압력의 이동을 관찰할 수 있었다. Fig.

데이터처리

위의 방정식은 PELE 의 충격 거동의 압력상승 단계를 설명할 수 있으며 시뮬레이션 결과와 비교되었다. Table 2 은 시뮬레이션에 적용된 재료 물성치를 나타낸다.

이론/모형

특히 내부 충전재의 압력 상승은 짧은 시간 동안 축력의 많은 에너지를 파편의 비행방향을 변경시키며 반경의 속도로 변환 된다.^(1,2)이러한 충격거동을 자세히 이해하기 위하여 PELE 의 천공과정을 AUTODYN-2D code 를 사용하여 구현하였다.
절점탈락기능이란 하나의 요소가 충격에 의해 변형이 발생될 때 그 변형률이 변형 한계에 도달하면 삭제되어 해석을 계속 진행할 수 있도록 하는 기능이다.⁽⁹⁾또한 본 논문은 Lagrange, ALE, Shell, Beam 및 비정렬 격자체의 충격해석을 구현하기 위해 적용되는 접촉 알고리즘을 사용하였다. 구체적으로 External Gap 으로 요소의 선형 및 각 운동량을 보존하는 알고리즘이다.

성능/효과

(2) PELE 의 충격거동에 영향을 미치는 충전재의 최대 충격압력을 수치해석과 해석적 이론으로 구하였고 상당한 일치점을 보였다.
(3) 상대적으로 강도가 높은 충전재가 높은 충격압력을 생성하고 이러한 충격압력은 피복의 균열 수를 증가시켰다. 또한 충격압력의 증가에 따라 최종적으로 생성되는 파편의 수도 증가시켰다.
(4) 충격속도는 내부압력과 함께 선형적으로 증가하며 결과적으로 충격속도의 증가는 질량이 작고 균일한 파편의 개수를 증가시켰다.
이론적으로 식 (1)과 (4)는 압력 P 가 충격속도와 함께 선형적으로 증가하는 것을 보여준다. 결과적으로 충격속도의 증가는 피복 파열을 상승시키고 이는 파편 개수의 증가와 파편의 평균질량을 감소시켰다. 예를 들어 폴리에틸렌 충전재 PELE인 경우, 충격속도 900 m/s 일 때 큰 파편 및 미소파편 수의 합계는 23043 개 이고 1100 m/s 일 때 33,879 개, 1300 m/s 일 때 50,507 개로 충격속도의 상승에 따라 파편의 개수가 급격히 증가하였다.
예를 들어 폴리에틸렌 충전재 PELE인 경우, 충격속도 900 m/s 일 때 큰 파편 및 미소파편 수의 합계는 23043 개 이고 1100 m/s 일 때 33,879 개, 1300 m/s 일 때 50,507 개로 충격속도의 상승에 따라 파편의 개수가 급격히 증가하였다. 또한 충격속도 900 m/s 일 때 큰 파편의 평균질량은 74.2 g 이고, 미소파편은 0.026 g 이며 1300 m/s 일 때 큰 파편의 평균질량은 65.9 g, 미소파편은 0.019 g 로 충격속도가 증가함에 따라 파편이 더 작고 균일하게 발생하였다.
Table 3 은 앞서 언급한 방정식 (4)와 (6)에 의한 각 충전재의 내부 압력결과와 압력 지속시간을 시뮬레이션에서 추출한 결과와 비교한 것이다. 초고속 충격 거동임을 감안하면 비교적 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었다. 압력 지속 시간은 약 0.
충격압력은 재료의 강도와 탄성체적 계수 값에 의해 주로 결정된다. 탄성체적 계수 값이 높을수록 강한 충전재고 그에 따른 최대 충격압력은 작게 발생함을 볼 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	횡방향 관통 효율 강화 탄체(PELE)는 무엇인가?	횡방향 관통 효율 강화 탄체(PELE)는 강 또는 텅스텐 합금과 같은 고밀도 피복과 알루미늄 또는 폴리에틸렌과 같은 저밀도 충전 재료로 제작되는 KE-발사체의 새로운 유형이다. 이것은 어떠한 기폭장치 없이 축 속도를 반경 속도로 변환하기 위해 유체역학적 압력을 사용하는 유일한 발사체 유형이다.
	PELE는 어떻게 구성되어있는가?	PELE 는 내부의 저밀도 충전재(Filling)와 충전재를 둘러싸고 배면이 닫혀있는 고밀도 피복(Jacket)으로 구성되어있다. Fig.
	PELE의 특징은?	횡방향 관통 효율 강화 탄체(PELE)는 강 또는 텅스텐 합금과 같은 고밀도 피복과 알루미늄 또는 폴리에틸렌과 같은 저밀도 충전 재료로 제작되는 KE-발사체의 새로운 유형이다. 이것은 어떠한 기폭장치 없이 축 속도를 반경 속도로 변환하기 위해 유체역학적 압력을 사용하는 유일한 발사체 유형이다. PELE 에 관한 첫 번째 실험은 1996~1997년 ISL(French-German Research Institute of SaintLouis)에서 수행되었으며 이 발사체 유형의 일부 특성에 대한 간략한 설명은 2004 년에 출판되었다.

참고문헌 (9)

Paulus, G., Chanteret, P. and Wollmann, E., 2004,"PELE:A New Penetrator Concept for Generating Lateral Effects," Proccedings of the 21st International Symposium on Ballistics, Vol.1, pp. 104-110.
Paulus, G. and Schirm, V., 2006, "Impact Behavior of PELE Projectiles Perforating Thin Target Plates," International Journal of Impact Engineering, Vol.33, pp. 566-579.

상세보기
Jian-wei, J., Mou, Z., Jian-bing, M. and Shu-you, W., 2011, "Study on Fragmentation of PELE Against Thin Targets," Journal of Beijing Institute of Technology, Vol.20, No.2, pp.168-172.

상세보기
Recht, R. F. and Ipson, T. W., 1963, "Ballistic Perforation Dynamics," Trans of ASME, Journal of Applied Mechanics, Vol.30, No 3, pp. 384-390.

상세보기
Lee, S., Kim, Y., Koo, M., Gimm, H. and Yoo, H., 2010, "Hilbert-Huang Transform(HHT) Transient Analysis of Composite Panel Undergoing High- Velocity Impact, " Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.24(12), pp. 2395-2400.

원문보기 상세보기
Kim, Y., Yoo, J. and Lee, M., 2012, "Optimal Design of Spaced Plates Under Hypervelocity Impact," Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.26(5), pp. 1567-1575.

원문보기 상세보기
Paulus, G., 2004, "Geschoss mit Erhohter Lateralwirkung (PELE). Eine Theorie der Lateralwirkung Beim Durchschlag Einer Dunnen Platte," ISL― Report R 115/2004.
Zukas J.A., Editor. 1990, High Velocity Impact Dynamics. New York: Wiley.
WWW1.ANSYS.COM, 2011, "ANSYS/AUTODYN- 3D,"12.1 User's Manual, Material Models Chapter.

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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