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전단농화유체 함침 다층직물의 방탄성능 및 거동 수치해석
Numerical Analysis of the Ballistic Performance and Behavior of STF-Impregnated Multi-layer Fabrics 원문보기

韓國軍事科學技術學會誌 = Journal of the KIMST, v.19 no.3, 2016년, pp.330 - 338  

문상호 (안동대학교 기계설계공학과) ,  손권중 (홍익대학교 기계정보공학과) ,  조희근 (안동대학교 기계교육과) ,  박종규 (국방과학연구소 제4기술연구본부) ,  정의경 (국방과학연구소 제4기술연구본부) ,  이만영 (국방과학연구소 제4기술연구본부) ,  김시조 (안동대학교 기계설계공학과)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Impregnation of shear-thickening fluid(STF) into high-strength fabrics makes a considerable improvement on the ballistic performance of fabric armors. Understanding dissipation augmentation due to shear thickening effects on yarn-yarn and yarn-projectile friction is of great importance in liquid arm...

주제어

#전단 농화 유체   #방탄 성능   #마찰   #직물 배열   #다층직물  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 다층 방탄직물 구성 시 전단농화유체 함침 직물(STF fabric)과 비함침 직물(neat fabric)의 적층 배열에 따른 방탄성능의 차이를 유한요소 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 확인하고자 한다. 얻어진 수치해석 결과로부터 충돌자의 속도 및 운동에너지를 계산하고 충돌과정에서 방탄직물의 변형 및 응력 분포를 살펴봄으로써 STF 함침 직물과 비함침 직물의 충돌 거동을 비교·분석하고자 한다.
  • 본 연구에서는 다층 방탄직물 구성 시 전단농화유체 함침 직물(STF fabric)과 비함침 직물(neat fabric)의 직물 조합으로 만들어진 6가지 형태의 적층 배열에 따른 방탄성능의 차이를 확인하고자 수치해석을 진행하였다. 방탄직물을 관통한 탄두의 속도 및 운동에너지를 계산하고 충돌과정에서 방탄직물의 변형 및 응력 분포를 확인하였다.

가설 설정

  • 4983 m/s로 고속 충돌 결과 STF 함침직물의 마찰력으로 인한 방탄에 대한 영향력이 떨어지는 것을 볼 수 있다. 탄두가 높은 속도로 충돌하면 직물을 관통하는 동안 접촉하는 시간 이 짧아진다. 따라서 운동에너지를 전달할 수 있는 시간이 짧아지며 짧은 시간동안 전달할 수 있는 에너지가 작기 때문이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
개인화기가 본격적으로 사용되기 이전에는 어떤 방호복을 입었는가? 전투에 임하는 병사는 각종 위협에 노출된 상태에서 임무를 수행하며 생존성 향상을 위하여 방탄복을 착용한다. 개인화기가 본격적으로 사용되기 이전에는 칼이나 화살 공격으로 부터 신체를 보호하기 위해 가죽이나 쇠사슬로 제작된 방호복을 입었으며, 1차 세계대전중에는 포탄 파편으로부터 병사들을 보호하기 위해 강철계열의 금속판을 삽입한 방탄복을 사용하였다. 그러나 금속판은 무겁고 유연성이 떨어지는 단점이 있어 가볍고 유연한 나일론 계열이나 유리계열의 섬유를 이용한 방탄복이 개발되기 시작하였다[1-4].
금속판을 삽입한 방탄복의 단점은 무엇인가? 개인화기가 본격적으로 사용되기 이전에는 칼이나 화살 공격으로 부터 신체를 보호하기 위해 가죽이나 쇠사슬로 제작된 방호복을 입었으며, 1차 세계대전중에는 포탄 파편으로부터 병사들을 보호하기 위해 강철계열의 금속판을 삽입한 방탄복을 사용하였다. 그러나 금속판은 무겁고 유연성이 떨어지는 단점이 있어 가볍고 유연한 나일론 계열이나 유리계열의 섬유를 이용한 방탄복이 개발되기 시작하였다[1-4]. 이후 1970년대 아라미드계열의 케블라 개발로 방탄복의 성능이 혁신적으로 향상되었다[5].
전투에 임하는 병사가 생존성 향상을 위하여 무엇을 착용하는가? 전투에 임하는 병사는 각종 위협에 노출된 상태에서 임무를 수행하며 생존성 향상을 위하여 방탄복을 착용한다. 개인화기가 본격적으로 사용되기 이전에는 칼이나 화살 공격으로 부터 신체를 보호하기 위해 가죽이나 쇠사슬로 제작된 방호복을 입었으며, 1차 세계대전중에는 포탄 파편으로부터 병사들을 보호하기 위해 강철계열의 금속판을 삽입한 방탄복을 사용하였다.
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참고문헌 (14)

  1. G. Susich, L. M. Dogliotti and A. S. Wrigley, "Microscopical Study of a Multilayer Nylon Body Armor Panel After Impact," Textile Research Journal, Vol. 28, No. 5, pp. 361-377, 1958. 

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  2. W. R. Beye, "Design Information for Construction of Light Personnel Armor," Midwest Research Institute, Final Repot, ADA954904, 1950. 

  3. E. C. O. Erickson and C. Norris, "Tensile Properties of Glass-fabric Laminates with Laminations Oriented in Any Way," 1960. 

  4. R. C. Laible, "Ballistic Materials and Penetration Mechanics," Elsevier, North-Holland inc., pp. 26-27, 2012. 

  5. J. R. Vinson and J. A. Zukas, "On the Ballistic Impact of Textile Body Armor," Journal of Applied Mechanics, Vol. 42, pp. 263-268, 1975. 

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  6. Y. S. Lee, E. D. Wetzel and N. J. Wagner, "The Ballistic impact Charcteristics of $Kevlar^{(R)}$ Woven Fabric Impregnated with a Colloidal Shear Thickening Fluid," Journal of Materials Science, Vol. 38, pp. 2825-2833, 2003. 

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  7. M. J. Decker, C. J. Halbach, C. H. Nam, N. J. Wagner and E. D. Wetzel, "Stab resistance of Shear Thickening Fluid(STF)-Treated Fabric," Composite Science and Technology, Vol. 67, pp. 565-578, 2007. 

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  8. R. G. Green and R. G. Griskey, "Rheological Behavior of Dilatant(Shear-Thickening) Fluids. Part I. Experimental and Data," Transactions of the Society of Rheology, Vol. 12, pp. 13-25, 1968. 

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  9. D. Zheng, J. Cheng, W. K. Binienda and M. Staniszewski, "Numerical Modeling of Friction Effects on the Ballistic Impact Response of Single-Ply Tri-Axial Braided Fabric," 9-th International Ls-Dyna Users Conference, Detroit MI, pp. 4.29-4.38, 2006. 

  10. B. Lee and C. Kim, "Computational Analysis of Shear Thickening Fluid Impregnated Fabrics Subjected to Ballistic Impacts," Advanced Composite Materials, Vol. 21, No. 2, pp.177-192, 2012. 

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  11. Y. Lee, E. D. Wetzel, R. G. Egres Jr, and N. J. Wagner, "Advanced Body Armor Utilizing Shear Thickening Fluids," 23rd Army Science Conference, 2002. 

  12. Y. Park, Y. Kim, A. H. Baluch and C. Kim, "Empirical Study of the High Velocity Impact Energy Absorption Characteristic of Shear Thickening Fluid(STF) Impregnated Kevlar Fabric," International Journal of Impact Engineering, Vol. 72, pp. 67-74. 2014. 

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  13. M. Cheng, W. Chen and T. Weerasooriya, "Mechanical Properties of $Kevlar^{(R)}$ KM2 Single Fiber," Journal of Engineering Materials and Technology, Vol. 127, pp. 197-203, 2005. 

    상세보기 crossref

  14. B. Sanborn, N. Racine and T. Weerasooriya, "The Effect of Weaving on the Strength of Kevlar KM2 Single Fibers at Different Loading Rates," Army Research Laboratory(Project Report), ARL-TR-6280, 2012. 

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