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문제 정의
- 본 연구에서는 SHPB 시험 장비를 자체적으로 설계 및 제작하였다. 제작에 앞서 LS-DYNA를 이용하여 SHPB 시험 장비의 타당한 제원을 결정하였으며 제작된 SHPB 장치와 유한요소해석을 통해 얻어진 각각의 데이터를 비교함으로써 SHPB 기법을 통해 얻은 결과 데이터의 신뢰성을 확보하였다.
- 본 연구에서는 고 변형률 속도에서 재료의 동적물성치를 획득하기 위하여 SHPB 장비를 설계 및 제작 하였다. 완성된 SHPB 장치는 Fig.
제안 방법
- 본 연구에서는 SHPB 시험 장비를 자체적으로 설계 및 제작하였다. 제작에 앞서 LS-DYNA를 이용하여 SHPB 시험 장비의 타당한 제원을 결정하였으며 제작된 SHPB 장치와 유한요소해석을 통해 얻어진 각각의 데이터를 비교함으로써 SHPB 기법을 통해 얻은 결과 데이터의 신뢰성을 확보하였다. SHPB 실험에 사용된 시편은 높은 강도와 우수한 부식 저항으로 자동차와 선박 등의 구조재로 널리 사용되는 Al6061-T6를 선정하였다.
- SHPB 실험에 사용된 시편은 높은 강도와 우수한 부식 저항으로 자동차와 선박 등의 구조재로 널리 사용되는 Al6061-T6를 선정하였다. 해석을 통해 확인된 설계 조건을 바탕으로 SHPB 장비를 제작하여 직접 실험 수행하여 Al6061-T6의 동적 거동 특성을 규명하였다.
- 본 연구에서는 실제 실험 장치 제작에 앞서 상용 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 유한요소해석을 진행한 후 얻은 결과를 통하여 실험 장치를 설계하였다. 선행된 해석 결과와 실제 SHPB 장비 제작 후 실제 실험 결과를 비교함으로써 SHPB 장비의 신뢰성 또한 확보하였다.
- 본 연구에서는 실제 실험 장치 제작에 앞서 상용 프로그램인 LS-DYNA를 이용하여 유한요소해석을 진행한 후 얻은 결과를 통하여 실험 장치를 설계하였다. 선행된 해석 결과와 실제 SHPB 장비 제작 후 실제 실험 결과를 비교함으로써 SHPB 장비의 신뢰성 또한 확보하였다. 먼저 해석에 앞서, 기본 이론을 바탕으로 하는 몇 가지 조건을 전제로 SHPB 실험 장치에 요구되는 충격봉, 입력봉과 출력봉의 제원을 설정하였다.
- 선행된 해석 결과와 실제 SHPB 장비 제작 후 실제 실험 결과를 비교함으로써 SHPB 장비의 신뢰성 또한 확보하였다. 먼저 해석에 앞서, 기본 이론을 바탕으로 하는 몇 가지 조건을 전제로 SHPB 실험 장치에 요구되는 충격봉, 입력봉과 출력봉의 제원을 설정하였다.
- 이때 봉의 길이 (L)은 SHBP 시험을 통해 얻을 수 있는 변형률 양에 영향을 주며 최대 변형률 속도는 직경 (D)에 영향을 받는다.6 실제 SHPB에 주로 적용되는 L/D 는 50 이상이며, 본 연구에서는 봉의 좌굴을 최소화하고 반경방향의 오차를 줄이기 위해 L/D를 60으로 선정하였다. Table 2에서 나타나 있는것과 같이 충격봉의 길이는 200 mm, 입력봉과 출력봉의 길이는 각각 1200 mm로 같으며 세 봉의 직경 또한 20 mm로 동일하다.
- 시편은 Al6061-T6이며 지름 10 mm, 길이 10 mm의 형상을 사용하였다. 시편의 균일 변형을 유도 하기 위해 봉과 시편 사이의 접촉면을 평평하게 설계하였다.7-9
- 5 mm, 메시 개수는 각각 4800, 7680개로써 시편 부의 메시를 조밀하게 설정하였다. 각 파트 경계면의 접촉 조건은 Automatic Surface to Surface으로 설정하였으며 경계 조건으로 세 압력봉과 시편의 중심을 고정시켜 정렬 (Alignment) 유지를 모사하였다.
- 고 변형률 속도 (102-104/s)하에서의 동적 거동을 규명하기 위해 Fig. 3과 같이 압축된 공기를 이용하여 충격봉을 발사하는 공압식 발사 장치 (Pneumatic Launcher)를 자체 설계 및 제작 하였다. 노즐을 통해 압력용기에 공기를 주입하고, 격발과 동시에 압축 공기를 차단하고 있던 피스톤이 움직이면서 배럴 (Barrel)내의 위치한 충격봉이 발사되는 원리이다.
- 4는 발사 속도 측정 파트를 나타낸다. 충격봉이 지나는 Barrel 끝부분에 일정거리만큼 떨어진 2개의 포토센서 (Photo Sensor)를 설치하여 충격봉의 발사 속도를 측정할 수 있도록 하였다.12
- 5와 같이 보다 완벽한 접촉을 위해 시편과 압력봉의 양 끝에 정밀 연삭 공정을 수행하였다. Pressure Bar가 설치되는 H빔 위에 6개의 Bar Support를 장착하였으며, 여기에 홈을 더하여 추가적으로 봉의 정렬을 잡아주는 효과를 꾀하였다. 또한 Bar Support에는 Fig.
- 충격하중에 의해 발생된 응력파를 측정하기 위해 스트레인 게이지를 압력봉 가운데 지점에 부착하였다. 본 연구에서는 실험과 이론에서의 응력파의 봉내 진행속도를 비교하여 SHPB 장비의 검증을 위해 스트레인 게이지를 50 mm의 차이를 두어 부착하였다. Fig.
- 따라서 두 봉에서의 실험 결과가 동일하게 도출됨을 이용하여 SHPB 장비의 직진도 검증이 가능하다. 이에 따른 SHPB 장치 검증을 위해 시편을 장착하지 않은채로 실험하였다. 또한 응력파의 이론적 속도와 실제 실험에서 구해지는 속도의 비교를 통한 오차 측정을 위해 입력봉과 출력봉의 스트레인 게이지는 각 봉의 한쪽 끝에서부터 585 mm, 635 mm 지점에 50 mm의 차이를 가지도록 부착하였다.
- 이에 따른 SHPB 장치 검증을 위해 시편을 장착하지 않은채로 실험하였다. 또한 응력파의 이론적 속도와 실제 실험에서 구해지는 속도의 비교를 통한 오차 측정을 위해 입력봉과 출력봉의 스트레인 게이지는 각 봉의 한쪽 끝에서부터 585 mm, 635 mm 지점에 50 mm의 차이를 가지도록 부착하였다. 이때 응력파의 이론적 속도와 실험적 속도는 식(5)와 식(6)으로 알 수 있다.
- 11은 제작된 SHPB 실험 장치를 사용하여 수행된 실험으로부터의 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 본 논문에서는 해석 시에 28 m/s의 속도를 가진 충격봉으로 충격 하중을 주었으며 실험에서도 동일한 조건에서 실험을 수행하였다. 유한요소해석과 실제 SHPB 실험을 통해 얻은 데이터를 비교해보면 Fig.
- SHPB 기법을 기반으로 수행된 해석과 실험을 통해 얻어진 결과로부터 Al6061-T6의 동적 압축 하중 조건에서의 응력-변형률 선도를 도출해 내었다. SHPB 실험을 통하여 기록된 시간에 따른 전압변화 그래프를 오실로스코프를 통해 얻을 수 있다.
- 또한 유한요소해석을 병행하여 SHPB 실험 장치의 설계 및 제작에 있어 타당성과 정확성을 확보하였다. 실제 장비 제작에 앞서 시뮬레이션을 통한 실험 결과 모사 및 설계 제원을 확립한 후 실험 장비를 제작하여 각각의 결과를 비교 분석함으로써 SHPB 실험 장치의 신뢰성을 검증하였다. SHPB 장치의 기계적 신뢰성을 확보 하기 위해 시편을 사용하지 않은 상태에서 충격 실험이 수행되었다.
- 실제 장비 제작에 앞서 시뮬레이션을 통한 실험 결과 모사 및 설계 제원을 확립한 후 실험 장비를 제작하여 각각의 결과를 비교 분석함으로써 SHPB 실험 장치의 신뢰성을 검증하였다. SHPB 장치의 기계적 신뢰성을 확보 하기 위해 시편을 사용하지 않은 상태에서 충격 실험이 수행되었다. 입력봉과 출력봉에서 동일한 응력파 전달의 확인하였으며, 응력파의 진행속도를 통하여 이론적 결과와 실제 실험적 결과를 비교하여 장비의 기계적 신뢰성을 확보하였다.
- SHPB 장치의 기계적 신뢰성을 확보 하기 위해 시편을 사용하지 않은 상태에서 충격 실험이 수행되었다. 입력봉과 출력봉에서 동일한 응력파 전달의 확인하였으며, 응력파의 진행속도를 통하여 이론적 결과와 실제 실험적 결과를 비교하여 장비의 기계적 신뢰성을 확보하였다.
- 위의 과정을 통해 제작된 SHPB 장치를 사용하여 탄성파 전달 이론을 기반으로 SHPB 실험을 통하여 최종적으로 Al6061-T6의 응력-변형률 선도를 도출하였다. Fig.
- 본 연구에서 신뢰성 검증을 통해 제작된 SHPB 장치를 통하여 Al6061-T6의 고 변형률 속도에서의 동적 물성을 획득하였다. 이 외에도 다양한 시편들을 사용하여 알루미늄을 비롯하여 여러 가지 재료의 동적 물성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 입력봉과 출력봉 사이에 시편을 위치시킨 후 정해진 속도의 충격봉이 입력봉 끝단에 충격을 가함으로써 해석을 수행하였다. 스트레인 게이지의 부착을 통한 실험에서의 신호 데이터 획득은 해석에서의 압력봉 내의 스트레인 게이지 부착부의 변형률 추출로 갈음하였다.
대상 데이터
- 제작에 앞서 LS-DYNA를 이용하여 SHPB 시험 장비의 타당한 제원을 결정하였으며 제작된 SHPB 장치와 유한요소해석을 통해 얻어진 각각의 데이터를 비교함으로써 SHPB 기법을 통해 얻은 결과 데이터의 신뢰성을 확보하였다. SHPB 실험에 사용된 시편은 높은 강도와 우수한 부식 저항으로 자동차와 선박 등의 구조재로 널리 사용되는 Al6061-T6를 선정하였다. 해석을 통해 확인된 설계 조건을 바탕으로 SHPB 장비를 제작하여 직접 실험 수행하여 Al6061-T6의 동적 거동 특성을 규명하였다.
- SHPB 실험 장치는 Fig. 1과 같이 충격봉 (Strike Bar), 입력봉 (Incident Bar) 그리고 출력봉 (Transmitted Bar)으로 구성된다. 입력봉과 출력봉 사이에 시편을 위치시킨 후 임의의 속도의 충격봉이 충돌하면 압축성 탄성파가 생성된다.
- SHPB 실험 기법은 압력봉의 탄성파 전달 이론을 기반으로 하고 있기 때문에 충격봉, 입력봉 그리고 출력봉은 항상 탄성 한계 내에 있어야 한다. 이에 높은 항복강도와 인성을 가진 재질인 SNCM439를 채택하였다. SNCM439의 재료적 물성은 Table 1과 같고 세 개의 봉은 동일한 재료로 이루어져 있다.
- Table 2에서 나타나 있는것과 같이 충격봉의 길이는 200 mm, 입력봉과 출력봉의 길이는 각각 1200 mm로 같으며 세 봉의 직경 또한 20 mm로 동일하다. 시편은 Al6061-T6이며 지름 10 mm, 길이 10 mm의 형상을 사용하였다. 시편의 균일 변형을 유도 하기 위해 봉과 시편 사이의 접촉면을 평평하게 설계하였다.
- 해석에는 상용 해석프로그램인 LS-DYNA를 사용하였다. 3D 모델링을 사용하였으며, 압력봉과 시편에서의 메시 (Mesh)크기는 각각 5 mm, 0.5 mm, 메시 개수는 각각 4800, 7680개로써 시편 부의 메시를 조밀하게 설정하였다. 각 파트 경계면의 접촉 조건은 Automatic Surface to Surface으로 설정하였으며 경계 조건으로 세 압력봉과 시편의 중심을 고정시켜 정렬 (Alignment) 유지를 모사하였다.
- 7에서와 같이 입력봉의 경우 시편에서 615 mm, 출력봉의 경우 시편에서635 mm만큼 떨어진 곳에 부착하였다. 응력파의 신호 데이터를 측정하기 위해 Fig. 8과 같은 휘트스톤 브리지 (Wheatstone Bridge)를 이용하였다. 충격 시에 생성된 응력파는 스트레인 게이지에 의해 저항으로 작용하여 전압변화로 나타내어지게 된다.
- 이렇게 얻어진 미세한 전압 변화는 신호 증폭기를 거쳐 증폭된 후 오실로스코프에 기록된다. 본 연구에서는 500배의 증폭된 데이터를 사용하였다. 응력파 전달 신호를 얻는 과정에서, 높은 주파수 영역의 성분 유실에 따른 유효 데이터 손실을 막기 위해 별도의 필터를 사용하지 않았다.
데이터처리
- 해석에는 상용 해석프로그램인 LS-DYNA를 사용하였다. 3D 모델링을 사용하였으며, 압력봉과 시편에서의 메시 (Mesh)크기는 각각 5 mm, 0.
이론/모형
- 본 연구에서는 해석에 적용시킬 모델로 변형률과 변형률 속도의 경화 영향을 고려하여 Johnson Cook 모델을 선정하였으며 식(4)와 같이 표현되는 열연화 항을 고려하지 않는 Simplified Johnson Cook 모델이 해석에 사용되었다.10,11 σ는 유동응력, ε는 변형률을 나타내며 #는 변형률 속도, #는 참조 변형률 (Referential Strain Rate)을 나타낸다.
- 여기서 얻은 변형률을 탄성파 전달 이론에 적용하면 사용된 시편의 응력-변형률 선도를 얻을 수 있다. 또한 SHPB 실험을 통해 얻어진 응력-변형률 속도는 Logarithm Equation을 통해 피팅하였다.
성능/효과
- 스트레인 게이지의 부착을 통한 실험에서의 신호 데이터 획득은 해석에서의 압력봉 내의 스트레인 게이지 부착부의 변형률 추출로 갈음하였다. 해석으로부터 추출된 변형률을 통해 SHPB장비 사양의 타당성을 확인하였다.
- 차이가 발생하는 양의 전압 값에 해당하는 반사파 부분은 앞서 설정한 두 스트레인 게이지의 부착 위치 차이에 의해 생겨난 부분이다. 이 과정을 통해 얻은 실험적 응력파 속도, 5031m/s와 이론적 응력파 속도, 4995m/s를 비교하여 0.72%의 오차를 가짐을 확인할 수 있다.11
- 13과 같다. 또한 유한요소해석을 병행하여 SHPB 실험 장치의 설계 및 제작에 있어 타당성과 정확성을 확보하였다. 실제 장비 제작에 앞서 시뮬레이션을 통한 실험 결과 모사 및 설계 제원을 확립한 후 실험 장비를 제작하여 각각의 결과를 비교 분석함으로써 SHPB 실험 장치의 신뢰성을 검증하였다.
후속연구
- 본 연구에서 신뢰성 검증을 통해 제작된 SHPB 장치를 통하여 Al6061-T6의 고 변형률 속도에서의 동적 물성을 획득하였다. 이 외에도 다양한 시편들을 사용하여 알루미늄을 비롯하여 여러 가지 재료의 동적 물성을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
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