[논문]텅스텐 원형 관통자의 관통특성에 관한 연구

조종현; 이영신; 김재훈; 배용운

doi:10.3795/ksme-a.2013.37.9.1083

텅스텐 원형 관통자의 관통특성에 관한 연구
Study on Penetration Characteristics of Tungsten Cylindrical Penetrator 원문보기

大韓機械學會論文集. Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers. A. A, v.37 no.9, 2013년, pp.1083 - 1091

조종현 (충남대학교 기계설계공학과) , 이영신 (충남대학교 기계설계공학과) , 김재훈 (충남대학교 기계설계공학과) , 배용운 (충남대학교 기계설계공학과)

초록
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미사일 설계에서는 매우 효율적이며 치명적인 극히 작은 탄두를 필요로 한다. 탄두에서 각 관통자의 관통성능과 관통자의 총 개수는 탄두 파괴성능에 영향을 미치는 주요 요인이다. 관통자 L/D 의 설계는 탄두의 공간과 중량에 직접적인 관련되어 있다. L 과 D 는 발사체의 길이와 직경이다. AUTODYN-3D code 가 관통자 관통의 영향을 연구하기 위해 사용되었다. 수치해석의 목적은 초기속도, 경사각도, 관통자의 L/D 와 같은 다양한 초기 조건 아래 초고속 충격에 의해 생성되는 관통자의 관통특성을 확인하는 것이다. $L/D{\leq}4$ 에서의 초기 충격속도 증가는 잔류질량과 잔류속도를 감소시킨다.

Abstract ▼ AI-Helper

The design of missile require extremely small warheads that must be highly efficient and lethal. The penetration characteristics of each penetrator and the total number of penetrators on the warhead are obvious key factors that influence warhead lethality. The design of the penetrator shape and size are directly related to the space and weight of the warhead. The design of the penetrator L/D was directly related to the space and weight of the warhead. L and D are the length and the diameter of the projectile, respectively. The AUTODYN-3D code was used to study the effect of penetrator penetration. The objective of numerical analysis was to determine the penetration characteristics of penetrator produced by hypervelocity impacts under different initial conditions such as initial velocity, obliquity angle and L/D of penetrator. The residual velocity and residual mass were decreased with increasing initial impact velocity under $L/D{\leq}4$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 다양한 기하형상비에 따른 고속 관통자 수치해석을 수행하고 결과로서 관통자의 잔류 질량, 잔류속도, 잔류 운동에너지를 고찰하였다. 잔류질량과 잔류속도, 잔류운동에너지가 관통자의 관통특성에 부여되는 의미는 다음과 같이 크게 3가지로 볼 수 있다.

가설 설정

표적체에 관통하는 관통자의 충격은 높은 온도와 thin fluid zone 을 야기시키는 관통자와 표적체 사이의 경계영역에서 높은 압력 P 를 생산한다. 관통자와 표적체는 비압축성으로 가정되며 충격거동은 강체와 소성으로 정의된다. 또한 그것은 관통자의 압력 파동이 압력과 지속시간에 의해 정의된 직사각형처럼 형성된 것으로 추정되고 있다.

제안 방법

⁽¹⁴⁾그는 고정 또는 이동하는 경사판에서 L/D 에 따른 관통자의 관통성능을 연구하였다. 1.8 km/s 와 2.2 km/s 의 초기속도에서 L/D=1 인 단일형 관통자와 단일형 관통자를 5 개로 분절한 분절형 관통자로 해석을 수행하였다. 그 결과는 Table 3 에 보여진다.
이러한 관통과정은 시뮬레이션 전반에 걸쳐 보여진다. 각 관통자의 잔류속도, 잔류질량, 잔류운동에너지는 관통자가 표적체를 완전관통후 측정하였다. 잔류속도는 관통후 관통자가 갖고 있는 속도로 정의하였다.
10 과 같이 표적체의 경사각을 변경함으로써 해석을 수행하였다. 따라서 관통자의 수직성분의 변화는 없으며 관통후 수직충돌과 같이 각 관통자의 해석결과를 도출하였다.
본 논문은 개별 관통자과 표적체의 종말 조우 조건에서의 관통 효과를 계산하기 위해 범용 프로그램인 AUTODYN 을 이용하여 다양한 기하형상비에 따른 원형 텅스텐 관통자의 고속 관통해석을 수행하고 그 결과로 관통자의 충격 거동 및 관통 후의 상태를 분석하였다. 이는 관통자 자탄의 관통 성능 연구의 최종 목표인 관통자의 최적설계를위한 것이다.
본 논문은 관통자의 L/D 값, 충격속도와 표적체의 두께 및 경사각을 해석 변수로 지정하여 수치해석을 수행하였고 해석 결과로 관통자의 잔류속도, 잔류질량 및 운동에너지를 도출 하였다. 발사체로서 총 28 개의 다양한 기하형상비를 갖는 원형 관통자가 시뮬레이션에 적용되었다.
본 논문은 관통자의 충격거동에 의해 생성되는 파편해석을 위해 동적파편의 해석적 모델을 기준으로 FLS(flaw-limited spall)이론을 기반으로한 추계학적(stochastic) 파괴기준을 사용하여 관통 시 발생하는 파편을 현실적으로 구현하였다. 이는 다양한 충격속도 및 충격각도에 따른 관통후 관통자의 파편 질량을 예측하기 위한 해석적 방법이다.
본 연구에서는 고속 관통자의 관통거동을 수치해석으로 구현하여 관통거동에 의해 생성되는 잔류질량, 잔류속도, 잔류운동에너지를 도출하였으며 원형 관통자의 관통성능을 해석하였다.
7 은 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.

대상 데이터

Table 1 과 Table 2 는 시뮬레이션 전반에 걸쳐 적용된 관통자와 표적체의 구성 모델과 재료 물성치를 나타낸다. 관통자는 텅스텐 재료가 사용이 되었고 표적체는 Steel-4340 이며 참고문헌에서 인용되었다.^(8,9)
본 논문은 관통자의 L/D 값, 충격속도와 표적체의 두께 및 경사각을 해석 변수로 지정하여 수치해석을 수행하였고 해석 결과로 관통자의 잔류속도, 잔류질량 및 운동에너지를 도출 하였다. 발사체로서 총 28 개의 다양한 기하형상비를 갖는 원형 관통자가 시뮬레이션에 적용되었다.
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 0.044 mm 이다.

이론/모형

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 Lagrange, ALE, Shell, Beam 및 비정렬 격자체의 충격해석을 구현하기 위해 적용되는 접촉알고리즘을 사용하였다. 구체적으로 External Gap 으로 요소의 선형 및 각운동량을 보존하는 알고리즘이다.
비교적 작은 압력이 발생하는 경우에는 선형 상태방정식을 사용하고 금속재료의 변형해석에는 주로 Mie-Grueisen 상태방정식을 사용한다. 본 논문은 Hugoniot 의 응용과 함께 Mie-Gruneisen 기반의 Shock 상태방정식이 사용되었다.
본 연구에서 수행된 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.
상태방정식(equation of state ; EOS)은 재료의 유체역학적(hydrodynamic) 거동을 묘사하는 식으로 압력, 밀도, 내부에너지의 관계를 기술한다. 충돌조건에 따른 재료거동현상에 따라 Shock 상태방정식, Tillotson 상태방정식, Puff 상태방정식, SESAME 상태방정식 등이 사용되며 본 연구에서는 충격파(shock wave)효과를 고려한 Shock 상태방정식이 사용되었다. 식 (6)과 같이 압력과 밀도 및 내부에너지의 관계를 나타내는 식으로서 실험적, 이론적으로 다양하게 개발되었다.
5 의 파괴 확률값을 갖는 재료는 Steel-4340 의 강도보다 낮은 재료이다. 파괴 확률값은 재료의 실험과 해석을 통해 비교 고찰해서 얻어지는 값으로 참고문헌[11]에 따라 결정되었다.

성능/효과

(1) 초기 질량이 72g 인 관통자에서 L/D 의 값이 증가함에 따라 전반적으로 잔류질량, 잔류속도, 잔류운동에너지는 크게 증가하였다.
(3) L/D 에 따른 잔류 운동에너지의 격차는 최대 약 6 배의 차이가 발생하였으며 표적체의 두께 증가는 그 격차를 더욱더 증가시킨다.
(4) 충격 경사각의 증가는 잔류질량 및 잔류속도의 감소를 야기한다. 이는 관통거동 중 관통자와 표적체의 충돌영역의 증가로 인해 파편으로 균열 및 파열되어 부셔지는 질량이 증가하고 따라서 잔류속도가 감소하기 때문이다.
(5) 관통자의 후미 측면에서 발생한 최대 압력은 0.49 GPa 으로 L/D =2 에서 발생하였다. L/D ≤ 4 에서 충돌 시 관통자의 건전성에 영향을 미치는 최대 압력을 동반한 진동 충격을 유발시킨다.
여기서 P/L(ratio of penetration depth to penetrator length)은 관통 성능이다. 5 개로 분절된 관통자보다 단일형 관통자가 각 초기속도에 따른 관통성능이 우수한 것을 알 수 있다. 분명 분절형 관통자는 동일한 길이인 단일형 관통자의 관통 성능을 능가할 수 없다는 것이다.
5 인 관통자의 경우 1500 m/s 일 때 1442 m/s 으로 58 m/s 감소하였고 2500 m/s 일 때는 2429 m/s 으로 71 m/s 감소하였다. L/D 의 값이 증가함에 따라 관통후 초기 충격속도의 감소가 상대적으로 크게 작음을 보였다. 속도의 제곱에 비례하는 운동에너지를 고려한다면 이러한 결과는 L/D 의 값이 증가함에 따라 관통자의 관통성능이 향상되었음을 볼 수 있다.
2 % 감소하였다. 결과는 관통 후 표적체 두께에 관계없이 관통자는 L/D 의 값이 증가함에 따라 잔류질량이 증가함을 보였다.
12 의 해석결과는 전반적으로 앞서 30 mm 의 표적체 두께에 수행된 해석결과와 동일한 경향을 보였다. 수행된 30 mm 표적체 두께의 충격거동 결과와 비교하여 L/D 의 값이 증가함에 따라 잔류질량, 속도, 운동에너지 등 관통자의 관통성능을 평가할 수 있었다.
3 g 으로 경사각 충격에 따른 잔류질량이 더 감소함을 알 수 있다. 이러한 경사각에 따른 해석결과는 동일한 질량의 관통자가 L/D 의 값이 증가됨에 따라 잔류질량이 상대적으로 크게 증가함을 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	절점탈락기능이란?	본 연구에서 수행된 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.(9)또한 본 논문은 Lagrange, ALE, Shell, Beam 및 비정렬 격자체의 충격해석을 구현하기 위해 적용되는 접촉알고리즘을 사용하였다.
	오늘날의 새로운 탄두기술의 목표는?	오늘날의 새로운 탄두기술은 탄도 미사일 적재에 대응하여 높은 치사력을 얻기 위해 개발 및 설계 되어야 하고 이는 지상의 모든 치명적인 영향을 줄이며 탄도 미사일의 내부시스템을 모두 파괴할 수 있는 성능을 가지고 있어야 한다.(1,2)

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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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