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문제 정의
- 본 연구에서는 LS-DYNA를 이용하여 앞서 언급된 방법을 활용해 세라믹 타일이 삽입된 금속판재에 긴 관통자를 충돌시키는 수치해석을 수행하였다. 이를 하기에 앞서 참고문헌(1)에 있는 두 가지 모델에 대하여 침투 깊이(depth of penetration, DOP) 값을 비교 및 검증하였다.
- 본 연구에서는 세라믹 타일이 삽입된 금속판재의 최적 방호구조를 평가하기 위해 각각 두 종류의 세라믹 타일의 세 가지 두께에 대해서 금속판재에 삽입된 위치를 다르게 하여 충돌 수치해석을 수행하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 검증된 후에 각각 두 가지 세라믹 타일(AD-90, B4C)이 삽입된 금속판재에서 세라믹 타일의 세 가지 두께별로 삽입된 위치를 다르게 하여 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해서 세라믹 타일의 위치별로 방호 성능(ballistic performance)의 경향 성이 어떻게 나타나는지에 대해서 알아보고 어느 위치에서 좋은 방호효과를 가지는지에 대해서 평가하였다. 그리고 순수 금속판재와 세 가지 두께 별로 세라믹 타일이 삽입된 금속판재를 질량 효율(mass efficiency)의 관점에서 해석했다.
제안 방법
- 반무한판 강 (semi-infinite 4340-steel)에 텅스텐 합금(tungsten alloy)으로 된 긴 관통자(long-rod)를 충돌시키는 문제를 통해 기본적인 충돌 수치기법을 파악했다.(2) 그다음 반무한판 강의 전면부에 세라믹 (AD-90) 타일이 삽입된 타겟에 대한 관통문제를 통해 복잡한 세라믹의 재료 변수들을 파악했다. 이 두 가지 검증을 완료해야 본 연구를 할 수 있는 조건이 갖춰질 수 있다고 판단했다.
- 6mm 씩 증가하고 t2는 그만큼 감소한다. B4C의 경우이전의 두 번째 검증 문제에서 적용한 수치기법과 동일하며 AD-90의 파라미터들 대신에 Table 2에 있는 B4C의 파라미터들(6)을 이용해 충돌 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 얻어지는 긴 관통자의 잔류속도(Vr), 잔류질량(Mr), 잔류운동에너지(KEr)를 가지고 두 가지 세라믹에 대한 삽입 위치별로 방호 성능이 어떻게 되는지 파악하였다.
- 이 두 가지 검증을 완료해야 본 연구를 할 수 있는 조건이 갖춰질 수 있다고 판단했다. 검증된 후에 각각 두 가지 세라믹 타일(AD-90, B4C)이 삽입된 금속판재에서 세라믹 타일의 세 가지 두께별로 삽입된 위치를 다르게 하여 충돌 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해서 세라믹 타일의 위치별로 방호 성능(ballistic performance)의 경향 성이 어떻게 나타나는지에 대해서 알아보고 어느 위치에서 좋은 방호효과를 가지는지에 대해서 평가하였다.
- 이를 통해 얻어지는 긴 관통자의 잔류속도(Vr), 잔류질량(Mr), 잔류운동에너지(KEr)를 가지고 두 가지 세라믹에 대한 삽입 위치별로 방호 성능이 어떻게 되는지 파악하였다. 그리고 구조물에 세라믹 타일을 삽입하거나 두께를 늘리는 것의 효과를 질량 효율의 관점에서 해석해 보았다. 마지막으로 각 케이스 별로 방호 성능과 질량 효율을 가지고 금속판재에 삽입된 세라믹 타일이 어느 조건을 가질 때 최적의 방호구조를 갖는지 판단하였다.
- 이를 통해서 세라믹 타일의 위치별로 방호 성능(ballistic performance)의 경향 성이 어떻게 나타나는지에 대해서 알아보고 어느 위치에서 좋은 방호효과를 가지는지에 대해서 평가하였다. 그리고 순수 금속판재와 세 가지 두께 별로 세라믹 타일이 삽입된 금속판재를 질량 효율(mass efficiency)의 관점에서 해석했다. 최종적으로 이들을 활용해 최적 방호구조(optimum protective structure)를 결정하였다.
- 기초적인 충돌 수치기법을 정립하기 위해 반무 한판 강에 대해 침투 수치해석을 수행하였다. 크기가 50.
- 5km/s의 수직 속도를 가진다. 두 번째 검증 문제와는 다르게 반무한 판이 아닌 판재 형태이며 세라믹 타일은 각각 두 가지(AD-90, B4C) 종류로 하였다. 타겟은 실린더 형상이며 세부적인 것들은 Fig.
- 5km/s로 하였다. 두 재료의 물성값은 Table 1에 있는 값들을 사용하였으며, 각 재료의 구성방정식은 완전 소성(perfect plastic) 모델로 하였다.
- 그리고 구조물에 세라믹 타일을 삽입하거나 두께를 늘리는 것의 효과를 질량 효율의 관점에서 해석해 보았다. 마지막으로 각 케이스 별로 방호 성능과 질량 효율을 가지고 금속판재에 삽입된 세라믹 타일이 어느 조건을 가질 때 최적의 방호구조를 갖는지 판단하였다.
- 이를 하기에 앞서 참고문헌(1)에 있는 두 가지 모델에 대하여 침투 깊이(depth of penetration, DOP) 값을 비교 및 검증하였다. 반무한판 강 (semi-infinite 4340-steel)에 텅스텐 합금(tungsten alloy)으로 된 긴 관통자(long-rod)를 충돌시키는 문제를 통해 기본적인 충돌 수치기법을 파악했다.(2) 그다음 반무한판 강의 전면부에 세라믹 (AD-90) 타일이 삽입된 타겟에 대한 관통문제를 통해 복잡한 세라믹의 재료 변수들을 파악했다.
- 강(4340-steel)의 전체 두께(ttotal)는 세라믹 타일을 충분히 감쌀 수 있고, 긴 관통자가 타겟을 뚫고 지나갈 수 있을만한 임의의 두께로 정하였다. 세라믹 타일의 세 가지 두께(16.8mm, 28mm 39.2mm)에 대해서 ttotal은 항상 일정한 값이고, 강의 앞쪽 두께(t1)와 뒤쪽 두께(t2)를 다르게 하여 충돌 수치해석을 수행하였다. 삽입된 세라믹 타일의 위치별로 t1은 5.
- 세라믹이 등방성 재료라는 가정 하에 탄성계수(E = 276GPa), 전단계수(G = 117GPa), 푸아송비(ν = 0.22)를 이용하여 다음과 같은 세 가지 방법으로 체적 탄성계수를 추정하였다.
- 앞선 문제와 동일한 재료 및 형상의 L/D=10, L/D=15인 긴 관통자를 1.5km/s의 수직 속도로 반무한판 강 전면부에 삽입된 세라믹 타일 타겟에 충돌시키는 시뮬레이션을 수행하였다. 타겟은 실린더 형상이며 세부적인 것들은 Fig.
- 강은 이전 문제와 동일한 재료이다. 여기서 세라믹은 참고문헌에(1)서 AD-90(Sintered 90% alumina)에 대한 실험 데이터가 있기 때문에 AD-90으로 하였다. 세라믹 타일의 두께(tc)는 28mm, 42mm 2가지로 각각 진행하였다.
- B4C의 경우이전의 두 번째 검증 문제에서 적용한 수치기법과 동일하며 AD-90의 파라미터들 대신에 Table 2에 있는 B4C의 파라미터들(6)을 이용해 충돌 수치해석을 수행하였다. 이를 통해 얻어지는 긴 관통자의 잔류속도(Vr), 잔류질량(Mr), 잔류운동에너지(KEr)를 가지고 두 가지 세라믹에 대한 삽입 위치별로 방호 성능이 어떻게 되는지 파악하였다. 그리고 구조물에 세라믹 타일을 삽입하거나 두께를 늘리는 것의 효과를 질량 효율의 관점에서 해석해 보았다.
- 본 연구에서는 LS-DYNA를 이용하여 앞서 언급된 방법을 활용해 세라믹 타일이 삽입된 금속판재에 긴 관통자를 충돌시키는 수치해석을 수행하였다. 이를 하기에 앞서 참고문헌(1)에 있는 두 가지 모델에 대하여 침투 깊이(depth of penetration, DOP) 값을 비교 및 검증하였다. 반무한판 강 (semi-infinite 4340-steel)에 텅스텐 합금(tungsten alloy)으로 된 긴 관통자(long-rod)를 충돌시키는 문제를 통해 기본적인 충돌 수치기법을 파악했다.
- 그리고 순수 금속판재와 세 가지 두께 별로 세라믹 타일이 삽입된 금속판재를 질량 효율(mass efficiency)의 관점에서 해석했다. 최종적으로 이들을 활용해 최적 방호구조(optimum protective structure)를 결정하였다.
- 7mm)으로 하였다. 충돌 속도는 각각 1km/s, 1.25km/s, 1.5km/s로 하였다. 두 재료의 물성값은 Table 1에 있는 값들을 사용하였으며, 각 재료의 구성방정식은 완전 소성(perfect plastic) 모델로 하였다.
- 크기가 50.4mm × 50.4mm × 140mm인 반무한판 강 (4340-steel)에 질량은 거의 비슷하지만 크기가 다른 L/D=10(L=80mm, D=8mm), L/D=15(L=105mm, D=7mm) 텅스텐 합금의 긴 관통자를 충돌시켰다.
- 4mm × 140mm인 반무한판 강 (4340-steel)에 질량은 거의 비슷하지만 크기가 다른 L/D=10(L=80mm, D=8mm), L/D=15(L=105mm, D=7mm) 텅스텐 합금의 긴 관통자를 충돌시켰다. 형상 모델링은 1/4 대칭으로 하였으며, mesh의 크기는 각 관통자 반지름의 다섯 등분(0.8mm, 0.7mm)으로 하였다. 충돌 속도는 각각 1km/s, 1.
대상 데이터
- 여기서 세라믹은 참고문헌에(1)서 AD-90(Sintered 90% alumina)에 대한 실험 데이터가 있기 때문에 AD-90으로 하였다. 세라믹 타일의 두께(tc)는 28mm, 42mm 2가지로 각각 진행하였다. 세라믹의 재료 모델링은 세라믹이 취성의 성질을 갖고 있다는 것을 고려하여 JH-2(Johnson-Holmquist)(3) 로 하였다.
- 5km/s의 수직 속도로 반무한판 강 전면부에 삽입된 세라믹 타일 타겟에 충돌시키는 시뮬레이션을 수행하였다. 타겟은 실린더 형상이며 세부적인 것들은 Fig. 2에 표현하였다. 강은 이전 문제와 동일한 재료이다.
데이터처리
- 세 가지 방법으로 얻은 체적 탄성계수 값들의 평균값을 사용했다.
이론/모형
- 세라믹 타일의 두께(tc)는 28mm, 42mm 2가지로 각각 진행하였다. 세라믹의 재료 모델링은 세라믹이 취성의 성질을 갖고 있다는 것을 고려하여 JH-2(Johnson-Holmquist)(3) 로 하였다. AD-90에 대한 JH-2 파라미터들은 Table 2에 있는 값들을 사용하였다.
성능/효과
- (1) 충돌 후 긴 관통자의 예측되는 잔류속도, 잔류질량, 잔류운동에너지를 통해 두 세라믹 타일 모두 위치 비가 처음에서부터 증가할수록 구조물의 방호 성능이 일반적으로 증가했다가 감소하는 경향을 보인다.
- (2) 두 가지 세라믹 타일의 위치 비가 대략 0.3~0.5의 범위를 가질 때 구조물의 방호 성능이 가장 좋다.
- (3) 세라믹 타일의 위치 비에 따라 긴 관통자의 잔류운동에너지의 경향은 잔류속도 보다는 잔류 질량에 의해서 결정된다.
- (4) 세라믹 타일 세 가지 두께 비(약 0.27, 0.45, 0.64) 중에서 0.64인 경우에 질량 효율의 관점에서 가장 좋다.
- (5) 금속판재에 삽입된 B4C 는 AD-90보다 예측 되는 방호 성능과 질량 효율이 대체로 좋다
- (6) 금속판재에 삽입된 각각 두 가지 세라믹 타일의 위치 비에 따른 방호 성능과 두께 비에 따른 질량 효율을 바탕으로 두 가지 모두 두께 비가 약 0.64이면서 위치 비가 약 0.3~0.5일 때에 가장 최적의 방호 구조를 가진다는 결론을 얻었다.
- 다시 말해, 두 세라믹 재료가 t1/ (t1 + t2)값이 처음부터 뒤로 갈수록 구조물의 방호 성능이 증가했다가 감소하는 경향을 보인다는 것이다. AD-90이 B4C 보다 그리고 L/D=10이 L/D=15보다는 앞에서 언급한 그래프의 거동이 더 뚜렷하게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 이 그래프들을 토대로 일반적으로 앞쪽의 금속판이 세라믹 타일의 방호 성능을 향상시킨다는 점을 발견했다.
- 여기서 양의 기울기일 때 완만한지 가파른 지에 대한 판단은 방호구조 설계자의 몫이다. Fig. 8에서 알 수 있듯이 세라믹의 두께가 증가할수록 질량비는 계속 늘어나 구조물의 질량이 줄어들고 있지만 그에 비해 잔류운동에너지의 비는 대략 1 근처에서 변화가 작기 때문에 세라믹 타일을 구조물에 추가시키거나 두께를 늘리면 질량 효율이 좋아지는 것을 확인할 수 있다.
- 에서 실험을 통해 앞선 두 번째 검증문제와 비슷한 모델로 여러 종류의 세라믹 타일의 방호 성능을 측정하였다. 그 결과, B4C 가 AD-90보다 방호 효과의 측면에서 더 효과적이라고 언급되어 있다. Fig.
- 긴 관통자의 잔류운동에너지의 경향성은 잔류 속도보다는 잔류질량이 결정하는 것으로 나타났다. 그래프에서 볼 수 있듯이 잔류속도 보다는 잔류질량의 그래프가 잔류운동에너지와 비슷하게 거동하는 것을 알 수 있으며, 예측되는 값들 중에서 잔류속도의 경향성은 가장 뚜렷하지 않다.
- 소제목 3.1과 3.3을 가지고 각각 두 가지 세라믹 재료가 삽입된 금속판재에 대한 최적의 방호 구조를 종합적으로 판단할 수 있다. 현 문제의 케이스들 중에서 두 세라믹 타일 모두 다 약 0.
- 수치해석 결과 대략적으로 그래프의 거동은 초기에 세라믹 타일의 위치 비 값이 증가하면서 예측되는 값들이 감소하다가 위치 비가 약 0.4이상이 되면서부터 예측되는 값들이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 두 세라믹 재료가 t1/ (t1 + t2)값이 처음부터 뒤로 갈수록 구조물의 방호 성능이 증가했다가 감소하는 경향을 보인다는 것이다.
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