[논문]전단농화 유체가 함침된 케블라 방탄재의 충돌 성능해석

조희근

doi:10.14775/ksmpe.2017.16.6.021

전단농화 유체가 함침된 케블라 방탄재의 충돌 성능해석
Collision Performance Analysis of Kevlar Bulletproof Material Impregnated with Shear Thickening Fluid 원문보기

한국기계가공학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, v.16 no.6, 2017년, pp.21 - 28

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigated Kevlar fabric impregnated with shear thickening fluid (STF). The STF performance was assessed by comparing bullet-proof characteristics of STF impregnated and pure Kevlar material. The analysis employed a circular steel ball as the nominal warhead, and bulletproof characteristics were evaluated by the warhead residual velocity. Various initial velocity conditions were employed, with different bulletproof characteristics apparent for each velocity region. The results of this study provide effective data for future bulletproof material design and application.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 전단농화 유체가 함침된 케블라직조 적층 복합재와, 함침되지 않은 순수한 케블라 직조 적층복합재의 방탄특성을 충돌 해석을 통하여 규명하였다. 충돌 해석을 위해서는 LS-Dyna 해석 코드를 사용하였다^(5-6) .
본 연구의 충돌 모델은 스틸 볼의 강구가 케블라 직물에 충돌하는 것이다. 서로 다른 성질을 가지는 재료의 충돌에 있어서는 각각의 재료에 적합한 충돌 모델을 적용하여야 한다.

제안 방법

충돌 해석을 위해서는 LS-Dyna 해석 코드를 사용하였다^(5-6) . 3D 쉘 요소를 사용하여 해석을 수행하였고, 충돌 성능은 충돌 후 잔류속도를 측정하는 방법으로 평가하였다.
다양한 형태의 충돌에 관한 많은 연구결과를 참고하여 본 해석을 수행하였다 (13-16) . 해석에서는 초기 속도를 250m/s에서부터 60m/s까지 50m/s의 단위로 증가시키면서 해석을 수행하였다.
해석에서는 초기 속도를 250m/s에서부터 60m/s까지 50m/s의 단위로 증가시키면서 해석을 수행하였다. 방탄성능을 정량적으로 평가하기 위하여 탄두로 간주되는 강구의 충돌후의 속도를 측정하였다. Fig.
. 본 해석에서는 케블라 직조물의 얀을 일일이 모델링하지 않고 전체 층을 균일한 단일 요소로 분할하는 거시적 모델링 방법을 택하였다. Table 2는 케블라의 직조물의 물성치를 나타낸다.
충돌 전산 해석을 통하여 성능을 규명 하였고, 해석을 위한 이론적 수식을 정립하였다. 전단농화 유체가 함침된 케블라 복합재의 유한요소해석을 위해 수많은 시행착오를 거쳐 적합한 모델을 개발하였다.
전단농화 유체가 함침된 케블라 직물 복합재의 방탄특성 및 성능을 규명하기 위하여 똑 같은 조건의 순수 케블라 직물 복합재의 방탄 성능과 결과를 비교하였다. 충돌 전산 해석을 통하여 성능을 규명 하였고, 해석을 위한 이론적 수식을 정립하였다.
전단농화 유체가 함침된 케블라 직물 적층복합재와 순수한 케블라 직물 적층복합재의 방탄특성을 평가하기 위하여 3.3절에서 언급한 조건에 따라 해석을 수행하였다.
전단농화 유체가 함침된 케블라 직물 복합재의 방탄특성 및 성능을 규명하기 위하여 똑 같은 조건의 순수 케블라 직물 복합재의 방탄 성능과 결과를 비교하였다. 충돌 전산 해석을 통하여 성능을 규명 하였고, 해석을 위한 이론적 수식을 정립하였다. 전단농화 유체가 함침된 케블라 복합재의 유한요소해석을 위해 수많은 시행착오를 거쳐 적합한 모델을 개발하였다.
충돌해석을 위해 3D 쉘 요소를 사용하여 모델링 하였다. 케블라 직조물의 사이즈는 500mm × 500mm(H×V)인 정사각형 모델로써 형상의 대칭성 으로 인하여 1/4만 모델링하였다.
다양한 형태의 충돌에 관한 많은 연구결과를 참고하여 본 해석을 수행하였다 (13-16) . 해석에서는 초기 속도를 250m/s에서부터 60m/s까지 50m/s의 단위로 증가시키면서 해석을 수행하였다. 방탄성능을 정량적으로 평가하기 위하여 탄두로 간주되는 강구의 충돌후의 속도를 측정하였다.

대상 데이터

케블라 직조물의 사이즈는 500mm × 500mm(H×V)인 정사각형 모델로써 형상의 대칭성 으로 인하여 1/4만 모델링하였다.

이론/모형

#는 유효 소성변형율, #는 유효 소성변형율 비, T* = (T - T_room)/(T_melt- T_room) 이다. 그리고 캐블라의 파괴모델로는 Tsai-Wu 모델을 적용하였다. Tsai-Wu 모델은 특히 섬유강화 복합재의 파괴 모델로 매우 적합하며 해셕 결과의 신뢰도가 매우 높다.
해석의 결과를 바탕으로 유추해 보면 12layer는 강구의 속도가 약 200m/s에서 관통이 시작 되었고, 18 layer 에서는 약 300m/s, 24 layer 에서는약 350m/s 부근에서 관통이 시작 되었다. 복합재의 파괴모드는 Tsai-Wu 파괴모델을 적용하였다. Fig.
동적해석을 위한 수치해석 알고리즘은 중앙차분법(central difference method), 호볼트 방법(Houbolt method), 윌슨 방법(Wilson method), 뉴마크방법(Newmark method) 등이 있다. 본 연구에서는 뉴마크 방법을 사용하였다⁽⁷⁾ .
서로 다른 성질을 가지는 재료의 충돌에 있어서는 각각의 재료에 적합한 충돌 모델을 적용하여야 한다. 스틸 강구에 대해서는 탄소성 파손모델인 Johnson-Cook 모델을 사용하였다^(6,8-10) . Johnson-Cook 모델은 대표적인 탄소성 모델로써 고속충돌에 의한 큰 변형율과 변형속도를 잘 표현할 수 있을 뿐만 아니라, 온도가 고온으로 올라가는 조건에서도 계산이 원활하다.
본 연구에서는 전단농화 유체가 함침된 케블라직조 적층 복합재와, 함침되지 않은 순수한 케블라 직조 적층복합재의 방탄특성을 충돌 해석을 통하여 규명하였다. 충돌 해석을 위해서는 LS-Dyna 해석 코드를 사용하였다^(5-6) . 3D 쉘 요소를 사용하여 해석을 수행하였고, 충돌 성능은 충돌 후 잔류속도를 측정하는 방법으로 평가하였다.

성능/효과

해석결과 전단농화 유체 가 함침된 케블라 직물의 경우 똑같은 조건의 순수한 케블라 직물에 비해서 방탄특성이 우수하였다. 12 layer의 충돌에 대한 해석의 경우 전단농화 유체가 함침된 케블라의 경우 순수한 케블라에 비해서 약 40m/s 정도 투과 후속도(잔류속도)가 작게 나타났다.
5는 케블라 직물 12 layer, 18layer, 24 layer 각각에 대한 강구 탄두의 초기속도에 따른 충돌 후의 잔류속도(residual velocity)를 나타낸다. 해석의 결과를 바탕으로 유추해 보면 12layer는 강구의 속도가 약 200m/s에서 관통이 시작 되었고, 18 layer 에서는 약 300m/s, 24 layer 에서는약 350m/s 부근에서 관통이 시작 되었다. 복합재의 파괴모드는 Tsai-Wu 파괴모델을 적용하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	케블라의 특징은 무엇인가?	케블라는 가볍고 인장강도가 매우 우수해서 각종 군사용, 항공우주용 및 첨단 산업재료로 많이 사용된다. 케블라는 방탄 및 첨단재료로서 그 우수성이 입증되었다.
	구조물의 유한요소 동적해석을 위해 계산해야 할 것은 무엇인가?	구조물의 유한요소 동적해석을 위해서는 전체 구조물의 질량행렬, 강성행렬, 감쇠행렬을 계산하여야 한다. 질량행렬의 계산에서는 크게 연속질량행렬과, 집중질량행렬 계산방법이 있다.
	전단농화유체를 함침하여 방탄 특성을 향상하는 원리 중 마찰력의 증가의 원리는 무엇인가?	전단농화유체를 함침하여 방탄 특성을 향상하는 가장 기본적인 원리는 마찰력의 증가다. 직조된 케블라 섬유의 얀(yarn)사이로 전단농화 유체가 함침되면 상태 운동에 의한 마찰력이 증가한다. 마찰력이 증가하면 여러 층으로 구성된 방탄재에서 방탄효과를 극대화할 수 있다.

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Byon, S. K., "Optimization of Boss Shape for Damage Reduction of the Press-fitted Shaft End," Journal of the Korean Society of Manufacturing Process Engineers, Vol. 14, No. 3, pp. 85-91, 2015.

저자의 다른 논문 :

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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