본 연구에서는 stuffed Whipple shield의 성능 향상을 목적으로, stuffed Whipple shield의 중간층에 적용되는 직물의 방탄 성능 향상 기법으로서 Z형 직물 디자인을 제안하였다. 직물은 경계조건에 의하여 충격 현상과 방탄 성능이 크게 변화하게 된다. 따라서 기존의 단순 적층식 직물과는 다른 경계조건을 갖는 Z형 직물을 제안하였고, Z형 직물의 방탄 성능을 확인하기 위하여 상용 프로그램 LS-DYNA를 이용한 아라미드 섬유사와 직물에 대한 충격해석을 수행하여 에너지 흡수 특성을 계산하고, 그 결과를 단순 적층식 섬유사와 직물의 경우와 비교하였다. 그 결과 Z형 직물은 단순 적층식 직물과는 다른 충격 거동을 보이고, 고속 영역에서 2 edge fixed, 4 edge fixed보다 높은 에너지 흡수율을 보이는 것을 확인하였다.
본 연구에서는 stuffed Whipple shield의 성능 향상을 목적으로, stuffed Whipple shield의 중간층에 적용되는 직물의 방탄 성능 향상 기법으로서 Z형 직물 디자인을 제안하였다. 직물은 경계조건에 의하여 충격 현상과 방탄 성능이 크게 변화하게 된다. 따라서 기존의 단순 적층식 직물과는 다른 경계조건을 갖는 Z형 직물을 제안하였고, Z형 직물의 방탄 성능을 확인하기 위하여 상용 프로그램 LS-DYNA를 이용한 아라미드 섬유사와 직물에 대한 충격해석을 수행하여 에너지 흡수 특성을 계산하고, 그 결과를 단순 적층식 섬유사와 직물의 경우와 비교하였다. 그 결과 Z형 직물은 단순 적층식 직물과는 다른 충격 거동을 보이고, 고속 영역에서 2 edge fixed, 4 edge fixed보다 높은 에너지 흡수율을 보이는 것을 확인하였다.
In this study, the Z-shape fabric design is proposed as the way to enhance the ballistic performance of fabrics which are used as the intermediate layer of stuffed Whipple shield configurations. The Z-shape fabric employs a different boundary condition from those of conventional configurations of fa...
In this study, the Z-shape fabric design is proposed as the way to enhance the ballistic performance of fabrics which are used as the intermediate layer of stuffed Whipple shield configurations. The Z-shape fabric employs a different boundary condition from those of conventional configurations of fabrics which include 4 edge fixed. Impact analysis on Z-shape aramid yarns and fabrics using LS-DYNA software was performed and the results were compared with 2 edge fixed and 4 edge fixed fabrics to identify the high velocity impact energy absorption characteristics of the Z-shape fabric. It was revealed that the Z-shape showed different impact behavior and higher energy absorption performance than 2 and 4 edge fixed fabrics.
In this study, the Z-shape fabric design is proposed as the way to enhance the ballistic performance of fabrics which are used as the intermediate layer of stuffed Whipple shield configurations. The Z-shape fabric employs a different boundary condition from those of conventional configurations of fabrics which include 4 edge fixed. Impact analysis on Z-shape aramid yarns and fabrics using LS-DYNA software was performed and the results were compared with 2 edge fixed and 4 edge fixed fabrics to identify the high velocity impact energy absorption characteristics of the Z-shape fabric. It was revealed that the Z-shape showed different impact behavior and higher energy absorption performance than 2 and 4 edge fixed fabrics.
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문제 정의
본 연구에서는 stuffed Whipple shield의 직물 중간층의 성능 향상을 위한 방법으로서 기존의 단순 적층식 직물을 대체하는 Z형 직물을 제안하였다. 또한 Z형 직물의 성능을 확인하기 위하여 상용 프로그램 LS-DYNA를 이용한 아라미드 섬유사(yarn)와 직물에 대한 충격 해석을 수행하여 에너지 흡수 특성을 계산하고, 그 결과를 단순 적층식 섬유사 및 직물의 경우와 비교하였다.
제안 방법
본 연구에서는 stuffed Whipple shield의 직물 중간층의 성능 향상을 위한 방법으로서 기존의 단순 적층식 직물을 대체하는 Z형 직물을 제안하였다. 또한 Z형 직물의 성능을 확인하기 위하여 상용 프로그램 LS-DYNA를 이용한 아라미드 섬유사(yarn)와 직물에 대한 충격 해석을 수행하여 에너지 흡수 특성을 계산하고, 그 결과를 단순 적층식 섬유사 및 직물의 경우와 비교하였다.
본 연구에서는 아라미드 섬유사와 아라미드 직물에 대한 고속충격 해석을 통하여 Z형 디자인의 충격 거동과 충격 에너지 흡수 특성을 확인하였다. 아라미드 섬유사에 대한 충격 해석을 통하여 Z형 디자인이 기존의 both ends fixed된 섬유사와는 다른 충격 거동을 보이는 것을 확인하고, 아라미드 직물에 대한 충격 해석을 통하여 발사물 초기 속도영역 240 m/s~340 m/s에서 두드러진 충격 에너지 흡수율 증가가 나타나는 것을 확인하였다.
본 절에서는 30 mm × 30 mm 크기의 정사각형으로 절단된 아라미드 직물 3층을 섬유사 중심간의 거리를 0.055 mm로 하여 배치하였고, 직물 중심에 spherical 형태의 알루미늄 발사물의 초기 속도를 200 m/s에서 420 m/s까지 20 m/s씩 증가시켜가며 충격 해석을 수행하여 Z형 직물과, 2 edge fixed, 4 edge fixed 직물의 충격 에너지 흡수 특성을 확인하였다. 발사물의 초기 에너지(Einitial)와 아라미드 직물에 의하여 흡수된 에너지(Eabsorbed)의 비를 비교한 결과를 Fig.
6과 같이 Z형으로 접힌 섬유사는 both ends fixed 상태의 섬유사와 다른 충격 거동을 보이는 것을 알 수 있었다. 섬유사에 대한 해석이기 때문에 실제 직물의 충격 에너지 흡수 특성을 평가하기는 어렵기 때문에 다음으로 직물에 대한 충격 해석을 통하여 Z형 직물의 충격 에너지 흡수 특성을 확인하였다.
대상 데이터
본 연구에서는 stuffed Whipple shield의 직물 중간층의 방탄 성능 향상을 위하여 Z형 직물을 제안하였다. Z형 직물은 Fig.
고속 충격에서는 높은 변형률 속도로 변형이 발생하기 때문에, 이에 해당하는 변형률 속도에서의 물성치가 필요하다. 본 연구에서는 고속 충격 해석에서 필요한 섬유사의 물성을 구하기 위하여 Cheng 등[5]에 의하여 구해진 케블라 KM2의 물성치를 이용하였다. 섬유사의 밀도는 섬유사의 단면적이 원형인 섬유로 가득 채울 경우 최대 0.
본 연구에서는 방탄 직물 연구에서 가장 폭넓게 활용되는 케블라 KM2(Kevlar KM2, Dupont, USA)를 이용하였다. 고속 충격에서는 높은 변형률 속도로 변형이 발생하기 때문에, 이에 해당하는 변형률 속도에서의 물성치가 필요하다.
직물과 충돌하게 될 발사물로는 우주 구조물에 많이 사용되고, 실제 우주 파편물에서 대다수를 차지하는 알루미늄 중, 실험에서 사용할 발사물과 동일한 Al2017-T4를 사용하였다. 물성치는 Table 2에 정리하였다.
이론/모형
고속 충격 유한요소해석에는 상용 프로그램 LS-DYNA를 이용하였다. 섬유사의 직교 이방성을 표현하기 위하여 *MAT_ORTHOTROPIC_ELASTIC 재료카드를사용하였고, 파손을 표현하기 위하여 *ADD_EROSION을 적용하였다.
성능/효과
본 연구에서는 아라미드 섬유사와 아라미드 직물에 대한 고속충격 해석을 통하여 Z형 디자인의 충격 거동과 충격 에너지 흡수 특성을 확인하였다. 아라미드 섬유사에 대한 충격 해석을 통하여 Z형 디자인이 기존의 both ends fixed된 섬유사와는 다른 충격 거동을 보이는 것을 확인하고, 아라미드 직물에 대한 충격 해석을 통하여 발사물 초기 속도영역 240 m/s~340 m/s에서 두드러진 충격 에너지 흡수율 증가가 나타나는 것을 확인하였다.
후속연구
또한 본 연구에서 수행한 고속 충격 해석은 우주에서 발생하는 초고속 충격에 비하여 낮은 속도 대역에 해당한다. 따라서 초고속 충격에서의 효과를 확인하기 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 보인다.
본 연구의 결과는 기존의 경계조건 기준으로 3장에 대한 결과로, 실제 방탄에 사용되는 직물과 비교하여 매우 적은 수이므로, 실제 방탄 성능을 보이기 위한 수십 층 이상일 경우에 대한 충격해석을 수행할 필요가 있다. 또한 본 연구에서 수행한 고속 충격 해석은 우주에서 발생하는 초고속 충격에 비하여 낮은 속도 대역에 해당한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Z형 직물 디자인은 무엇인가?
본 연구에서는 stuffed Whipple shield의 성능 향상을 목적으로, stuffed Whipple shield의 중간층에 적용되는 직물의 방탄 성능 향상 기법으로서 Z형 직물 디자인을 제안하였다. 직물은 경계조건에 의하여 충격 현상과 방탄 성능이 크게 변화하게 된다.
미소유성체 및 우주 파편물이 위험한 이유는?
많은 수의 우주 구조물이 위치하는 저궤도 상에서 미소 유성체의 수에는 큰 변화가 없지만 우주 파편물의 수가 기하급수적으로 증가하고 있어,그에 의한 초고속 충격의 위험성 또한 증가하고 있다. 미소유성체 및 우주 파편물은 약 8~70 km/s의 빠른 속도로 이동하며, 이로 인한 우주 구조물에의 초고속 충격은 우주 구조물의 외벽을 관통하여 내부의 기기들을 손상시킴으로써 우주 구조물의 기능을 마비시킬 수 있기 때문에, 이를 막기 위한 다양한 보호시스템들이 제안되어 이용되고 있다. 가장 잘 알려진 보호 시스템으로는 Fred Whipple이 제안한 Whipple shield[1]가 있다.
평직(plain weave) 구조로 된 아라미드 직물을 모델링하기 위해 사용한 방법은?
아라미드 직물은 여러 섬유가닥(fiber)으로 이루어진 아라미드 섬유사가 서로 번갈아 교차되는 평직(plain weave) 구조로 되어 있다. 이러한 아라미드 직물을 섬유 단위로 모델링 하는 것에는 어려움이 있기 때문에 섬유보다 상위 단위인 섬유사를 모델링하는 중간 단위(meso-scale) 모델링 기법이 일반적이다[3,4]. 본 연구에서도 Fig.
참고문헌 (9)
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Duan, Y., Keefe, M., Bogetti, T.A., and Powers, B., "Finite Element Modeling of Transverse Impact on a Ballistic Fabric," International Journal of Mechanical Sciences, Vol. 48, No. 1, 2006, pp. 33-43.
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Lee, S.H., Lee, B.W., and Kim, C.G., "Friction Effects on the Low Speed Impact Characteristics of STF/Kevlar Fabric," Proceedings of the Fall Conference of the Korean Society for Composite Materials, Pohang, Korea, Nov. 2007, pp. 148-151.
Deju Zhu, Barzin Mobasher and S.D. Rajan, "Finite Element Modeling of Ballistic Impact on Kevlar 49 Fabrics," Dynamic Behavior of Materials, Vol. 1. Springer New York, 2011, pp. 249-258.
Duan, Y., Keefe, M., Bogetti, T.A., and Cheeseman, B.A., "Modeling Friction Effects on the Ballistic Impact Behavior of a Single-ply High-strength Fabric," International Journal of Impact Engineering, Vol. 31, No. 8, 2005, pp. 996-1012.
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