[논문]선형폭발성형탄(LEFP) 충격에 의한 WHA 관통자의 관통성능 감소에 관한 수치해석 연구

주재현; 최준홍; 구만회; 김동규

doi:10.9766/kimst.2017.20.3.384

문제 정의

본 연구에서 다루고자하는 문제는 LEFP탄이 기폭하여 LEFP가 형성되고 이 LEFP가 고속으로 접근하는 WHA 관통자(이하 위협체라고도 함)와 충돌하여 위협체를 손상시키고 손상된 위협체가 RHA 장갑을 관통하는 연속적인 상황을 한 문제로 모델링하여 수치해석으로 분석하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 고속충돌 및 폭압해석에 활용되는 비선형 유한요소해석 도구인 LS-DYNA와 LS-DYNA에서 제공하는 MM-ALE 기법을 적용하였다.
본 연구에서는 지상전투차량의 주요 위협 가운데 하나인 초고속 운동에너지탄 방호에 대한 선형폭발성형탄(LEFP)의 적용가능성 검토를 위해 선형폭발성형탄(LEFP)을 L/D = 10.7인 축소된 WHA 관통자(위협체)에 충돌시켜 위협체의 관통성능을 감소시킬 수 있는지를 수치해석을 통해 조사하였다. 이를 위해 비선형 유한요소해석 코드인 LS-DYNA 및 LS-DYNA의 MM-ALE 기법을 적용하여 LEFP 형성 및 LEFP(ALE 요소)에 의한 위협체(Lagrangian 요소) 충돌과 충돌에 의해 손상된 위협체에 의한 RHA 장갑에 대한 잔류관통에 대해 전산모사하였다.
LEFP는 속도가 2 km/s 정도로 전차에서 발사되는 긴 관통자보다 빠르고, 라이너 길이만큼의 길이를 갖고 있어서 방호면적이 넓고 또한 질량이 크므로(massive) 지상 전투차량에 빠른 속도로 접근하는 긴 관통자에 LEFP를 충돌시켜 긴 관통자에 손상을 주는 방법에 대해 상상해 볼 수 있다. 이러한 연구 동기에 따라 본 연구에서는 LEFP를 긴 관통자에 충돌시켰을 때의 긴 관통자의 거동 변화와 관통성능 변화에 대해 수치해석을 통해 연구하였다. 문헌조사 결과 LEFP에 대한 공개된 연구결과는 희소하였다.

제안 방법

2에서 LEFP 형성 해석 모델은 모든 part들에 대해 8절점 hexahedron solid 요소를 사용하였고 multi-material 적용을 위해 element formulation option은 1-point ALE multi-material element formulation(ELFORM = 11)을 적용하였다. ALE part 사이의 material flow 계산을 위해 part 간의 경계면에 위치한 절점들이 공유되어야 하므로 폭약, 라이너, 구조 및 주변공기 part간 경계면(interface)에서 단일 절점을 갖도록 중첩되는 절점들을 통합(merge)하였다.
Fig. 9에서 위협체의 초기속도는 1600 m/s이고 H1, L1, L2는 각각 LEFP, 위협체 및 RHA 위치 설정을 위한 치수로 LEFP 형성이 완전히 완료된 후에 LEFP가 위협체를 충돌하고, 위협체는 LEFP에 의한 손상을 받은 후에 RHA를 관통하도록 하되 해석의 효율성을 위해 적절한 거리(H1 = 80 mm, L2 = 50 mm)로 설정하였다. LEFP에 의한 위협체의 충돌지점은 위협체의 전방부위(1/3 지점), 중앙부위(1/2 지점), 후방부위(2/3 지점) 등 세 가지 경우를 고려하였고 충돌지점과 위협체간 거리 L1은 위협체 충돌위치에 따라 47 mm(전방), 34.
10의 해석모델에 대한 해석시 LEFP 형성, 비행하는 위협체에 대한 LEFP 충돌, LEFP에 의해 손상된 위협체에 의한 RHA 관통이 순차적으로 발생한다. LEFP 형성은 이미 앞에서 설명한 바와 같이 MM-ALE 해석으로 수행되고, LEFP에 의한 위협체 충돌은 MMALE 요소(LEFP)와 Lagrangian 요소(위협체) 사이의 상호작용으로 LS-DYNA의 *CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID로 모델링하였으며 주요변수 입력값은 Table 4와 같다
LEFP에 대한 ALE 해석에서 탄 기폭시 폭약의 폭발 및 이로 인한 라이너 및 구조 붕괴 등의 LEFP 형성과정을 수치모사하기 위해 LEFP 및 LEFP를 포함하는 주변공기와 LEFP가 진행하는 경로에 있는 공기영역이 모델링 되어야 하므로 LEFP 형성 해석모델을 Fig. 2와 같이 작성하였다. Fig.
7인 긴 관통자에 대한 LEFP 충돌 및 충돌로 인해 손상된 WHA 관통자에 의한 RHA에 대한 잔류관통해석을 수행하였다. LEFP에 의한 다양한 충돌조건을 고려하기 위해 WHA 관통자에 대한 충돌위치를 달리하여 WHA 관통자의 충돌후 거동 및 RHA 관통깊이와의 연관성을 분석하였다.
9에서 위협체의 초기속도는 1600 m/s이고 H1, L1, L2는 각각 LEFP, 위협체 및 RHA 위치 설정을 위한 치수로 LEFP 형성이 완전히 완료된 후에 LEFP가 위협체를 충돌하고, 위협체는 LEFP에 의한 손상을 받은 후에 RHA를 관통하도록 하되 해석의 효율성을 위해 적절한 거리(H1 = 80 mm, L2 = 50 mm)로 설정하였다. LEFP에 의한 위협체의 충돌지점은 위협체의 전방부위(1/3 지점), 중앙부위(1/2 지점), 후방부위(2/3 지점) 등 세 가지 경우를 고려하였고 충돌지점과 위협체간 거리 L1은 위협체 충돌위치에 따라 47 mm(전방), 34.5 mm(중앙), 22 mm(후방) 등으로 달리 설정되었다. Fig.
3과 같다. WHA 관통자에 의한 RHA 관통해석에서 위협체의 충돌속도는 1600 m/s이고, 위협체와 RHA간의 contact 설정은 CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE를 적용하였다. 해석모델이 좌우대칭 조건이므로 Fig.
마지막으로 LEFP에 의해 충돌한 위협체에 의한 RHA 관통해석은 Lagrangian 요소간의 충돌로서 LS-DYNA의 contact 조건중의 하나인 *CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE를 적용하여 해석하였다.
Gou 등^[2]은 LS-DYNA와 ALE 기법을 적용하여 측면 기폭 경우의 LEFP 형성 결과를 시간 간격 별로 일부 제시하였으나 자세한 해석과정은 언급되어 있지 않다. 본 논문은 긴 관통자에 대한 LEFP 충돌 효과에 대한 수치해석을 위해 explicit 비선형 유한용소해석 코드인 LS-DYNA^[3] 및 LS-DYNA의 MM(Multi-Material)-ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian)기법을 적용하여 LEFP형성에서부터 초기 속도가 1600 m/s이고 L/D = 10.7인 긴 관통자에 대한 LEFP 충돌 및 충돌로 인해 손상된 WHA 관통자에 의한 RHA에 대한 잔류관통해석을 수행하였다. LEFP에 의한 다양한 충돌조건을 고려하기 위해 WHA 관통자에 대한 충돌위치를 달리하여 WHA 관통자의 충돌후 거동 및 RHA 관통깊이와의 연관성을 분석하였다.
앞 장에서 본 바와 같이 LEFP 형성 해석과 위협체의 기본적인 RHA 관통성능해석이 완료되었으므로LEFP에 의한 충돌에 의해 위협체의 RHA 관통성능이 얼마나 감소될 지에 대한 해석을 수행할 준비가 되었다. 본 연구에서는 LEFP가 위협체를 충돌하는 개념을 Fig. 9와 같이 설정하였고 LEFP에 의한 효과적인 충돌조건을 찾기 위해 위협체에 대한 LEFP의 충돌위치를 변화시키면서 각 조건의 해석결과를 비교하였다.
7인 축소된 WHA 관통자(위협체)에 충돌시켜 위협체의 관통성능을 감소시킬 수 있는지를 수치해석을 통해 조사하였다. 이를 위해 비선형 유한요소해석 코드인 LS-DYNA 및 LS-DYNA의 MM-ALE 기법을 적용하여 LEFP 형성 및 LEFP(ALE 요소)에 의한 위협체(Lagrangian 요소) 충돌과 충돌에 의해 손상된 위협체에 의한 RHA 장갑에 대한 잔류관통에 대해 전산모사하였다. 해석결과 LEFP 측면기폭에 따라 LEFP 관통자가 비대칭적으로 형성됨을 확인하였고 이는 Flash X-ray 실험결과와 일치하였다.
해석모델의 타당성 검토를 위해 Fig. 8과 같이 실제로 위협체의 RHA 관통성능 측정실험을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

Fig. 2의 LEFP 형성 유한요소모델에서 SOLID요소의 크기는 LEFP 및 LEFP와 연결되는 공기요소는 한 변이 1 mm로, 나머지 공기 부분은 한 변이 1.25 mm로요소 크기를 정하였고, 이에 따라 LEFP 모델의 요소수는 284,012개 이고, 주변 공기 요소 수는 3,902,652개로 총 요소수가 약 418만 여개이다. 폭약과 LEFP는 공기요소의 경계면에서 빠져나가도록(flow out) 별도의 경계조건은 부여하지 않았다.
본 연구에서는 LEFP에 의한 위협체의 관통성능 감소 확인을 위해 대상 위협체로서 Fig. 6에서 보는바와 같이 직경 7.0 mm이고 길이 대 직경 비율(L/D)이 10.7인 텅스텐중합금(WHA) 관통자를 사용하였다. 이 위협체는 30미리 고체추진포(Solid propelled gun)에서 운용되며 105미리 대구경 운동에너지탄의 관통자를 1/4로 축소한 것으로 주로 장갑재료 성능분석에 사용되고 있다

이론/모형

2에서 LEFP 모델의 단면을 보이기 위해 전체 유한요소모델중 반쪽만 나타냈으며 그림 크기를 줄이기 위해 LEFP 아래쪽의 주변공기 경계는 완전히 포함하지 못하였다. Fig. 2에서 LEFP 형성 해석 모델은 모든 part들에 대해 8절점 hexahedron solid 요소를 사용하였고 multi-material 적용을 위해 element formulation option은 1-point ALE multi-material element formulation(ELFORM = 11)을 적용하였다. ALE part 사이의 material flow 계산을 위해 part 간의 경계면에 위치한 절점들이 공유되어야 하므로 폭약, 라이너, 구조 및 주변공기 part간 경계면(interface)에서 단일 절점을 갖도록 중첩되는 절점들을 통합(merge)하였다.
위협체의 관통성능 감소 비교를 위해서는 LEFP에의해 교란되지 않은 상태의 위협체의 장갑 관통깊이가 필요하므로 본 연구에서는 고속 충돌 및 관통해석에 적합한 Johnson-Cook 모델을 사용하여 위협체(WHA)에 의한 RHA 장갑 관통해석을 수행하였다. LS-DYNA 관통해석모델에서 WHA와 RHA에 사용한 주요 물성치는 역시 기존 문헌^[7~9]으로부터 인용하였으며 Table.
본 연구에서 다루고자하는 문제는 LEFP탄이 기폭하여 LEFP가 형성되고 이 LEFP가 고속으로 접근하는 WHA 관통자(이하 위협체라고도 함)와 충돌하여 위협체를 손상시키고 손상된 위협체가 RHA 장갑을 관통하는 연속적인 상황을 한 문제로 모델링하여 수치해석으로 분석하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 고속충돌 및 폭압해석에 활용되는 비선형 유한요소해석 도구인 LS-DYNA와 LS-DYNA에서 제공하는 MM-ALE 기법을 적용하였다. LEFP 형성은 폭약의 폭발 및 금속라이너의 변형 거동 등에 대한 유체거동 해석이 필요하므로 Eulerian 기법이 적용되어야 한다.

성능/효과

해석결과 LEFP 측면기폭에 따라 LEFP 관통자가 비대칭적으로 형성됨을 확인하였고 이는 Flash X-ray 실험결과와 일치하였다. LEFP에 의한 위협체 충돌시 위협체 충돌위치에 따른 위협체의 장갑 관통성능 비교 결과 35~39 % 정도의 관통성능 감소를 확인하였다. 위협체의 관통깊이 감소의 주된 원인은 LEFP에 의한 충돌에 의해 위협체 일부가 손실되어 위협체 길이가 짧아졌고, LEFP와의 충돌로 인해 두 부분으로 끊어진 위협체에서 Vz 속도 발생으로 인해 모멘트가 발생하고, 특히 끊어진 뒷부분에서 모멘트 영향이 커서 이에 의해 끊어진 뒷부분 관통자의 관통성능이 크게 감소하기 때문인 것으로 분석되었다.
4 mm³의 RHA 입증 판을 적층하여 설치한 모습이다. 수회에 걸친 실험결과 RHA 입증판에 대한 위협체의 충돌속도 평균은 1631 m/s로 측정되었고 이는 해석(Fig. 7)에서의 충돌속도인 1600 m/s와 비교시 차이가 약 1.9 %에 불과하고, Fig. 7의 해석결과가 실험에서 측정한 RHA 평균 관통깊이 대비 89.3 % 수준으로 나타나 차이가 크지 않으므로 해석모델이 타당함을 확인하였다.
LEFP에 의한 위협체 충돌시 위협체 충돌위치에 따른 위협체의 장갑 관통성능 비교 결과 35~39 % 정도의 관통성능 감소를 확인하였다. 위협체의 관통깊이 감소의 주된 원인은 LEFP에 의한 충돌에 의해 위협체 일부가 손실되어 위협체 길이가 짧아졌고, LEFP와의 충돌로 인해 두 부분으로 끊어진 위협체에서 Vz 속도 발생으로 인해 모멘트가 발생하고, 특히 끊어진 뒷부분에서 모멘트 영향이 커서 이에 의해 끊어진 뒷부분 관통자의 관통성능이 크게 감소하기 때문인 것으로 분석되었다.
13에서 보듯이 끊어진 뒷부분이 Z변위 증가에 의해 yaw가 발생한 상태로 RHA를 관통하기 때문인 것으로 분석된다. 위협체의 기본 관통해석 결과와 비교한 LEFP와의 충돌후 잔여 위협체에 의한 장갑관통깊이감소비율은 Table 5에서 보는바와 같으며 큰 차이는 아니나 전방부위와 후방부위 충돌이 중앙부위 충돌보다는 관통깊이 감소에 좀 더 유리한 것으로 나타났다.
3에서 보듯이 LEFP 형성이 완료되는 시점으로 폭약이 모두 폭발하여 폭발 에너지가 최대가 되기 때문으로 추정된다. 측면 기폭에 따라 라이너 길이 방향으로 폭약의 점진적인 폭발이 발생하여 폭발에너지가 점점 증가하므로 기폭점에서 가까운 T1, T2 보다 기폭이 충분히 발생할 수 있는 위치인 기폭점에서 떨어진 T3~T5의 속도가 더 큰 것으로 나타났다. LEFP 형성 완료후 안정화된 관통자의 속도는 약 2.
이를 위해 비선형 유한요소해석 코드인 LS-DYNA 및 LS-DYNA의 MM-ALE 기법을 적용하여 LEFP 형성 및 LEFP(ALE 요소)에 의한 위협체(Lagrangian 요소) 충돌과 충돌에 의해 손상된 위협체에 의한 RHA 장갑에 대한 잔류관통에 대해 전산모사하였다. 해석결과 LEFP 측면기폭에 따라 LEFP 관통자가 비대칭적으로 형성됨을 확인하였고 이는 Flash X-ray 실험결과와 일치하였다. LEFP에 의한 위협체 충돌시 위협체 충돌위치에 따른 위협체의 장갑 관통성능 비교 결과 35~39 % 정도의 관통성능 감소를 확인하였다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선형폭발성형탄은 무엇인가?	폭발성형탄은 성형작약탄에 비해 관통깊이는 훨씬 작으나 관통구멍의 직경이 크고, 속도구배가 없어서 붕괴(breakup)가 발생하지 않으므로 큰 이격거리에 적합하다. 선형폭발성형탄(Linear Explosively Formed Penetrator, LEFP)은 축대칭 형태인 EFP를 길쭉한 사각형 형태로 만든 것으로 탄 기폭시 칼날과 같은 긴 관통자를 발생시켜 관통구멍의 길이가 대략 라이너 길이에 해당하는 긴 형태를 나타낸다. M.
	본 연구에서 LEFP의 형성 해석에 적용된 방법은 무엇인가?	본 연구에서 다루고자하는 문제는 LEFP탄이 기폭 하여 LEFP가 형성되고 이 LEFP가 고속으로 접근하는 WHA 관통자(이하 위협체라고도 함)와 충돌하여 위협 체를 손상시키고 손상된 위협체가 RHA 장갑을 관통하는 연속적인 상황을 한 문제로 모델링하여 수치해석으로 분석하는 것이다. 이를 위해 본 연구에서는 고속충돌 및 폭압해석에 활용되는 비선형 유한요소해석 도구인 LS-DYNA와 LS-DYNA에서 제공하는 MM-ALE 기법을 적용하였다. LEFP 형성은 폭약의 폭발 및 금속라이너의 변형 거동 등에 대한 유체거동 해석이 필요하므로 Eulerian 기법이 적용되어야 한다.
	폭발성형탄의 특성은 무엇인가?	폭발성형탄(Explosively Formed Penetrator, EFP)은 성형작약탄과 작동원리는 유사하나 원뿔형 라이너 대신 접시형 라이너를 사용하므로 기폭시 성형작약탄의 초고속 제트와 달리 속도가 2~3 km/s인 한 덩어리의 발사체를 형성한다. 폭발성형탄은 성형작약탄에 비해 관통깊이는 훨씬 작으나 관통구멍의 직경이 크고, 속도구배가 없어서 붕괴(breakup)가 발생하지 않으므로 큰 이격거리에 적합하다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

선형폭발성형탄(LEFP) 충격에 의한 WHA 관통자의 관통성능 감소에 관한 수치해석 연구
Numerical Analysis on Penetration Reduction of a WHA Penetrator by an Impact of Linear Explosively Formed Penetrator(LEFP) 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

연구과제 타임라인

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

선형폭발성형탄(LEFP) 충격에 의한 WHA 관통자의 관통성능 감소에 관한 수치해석 연구 Numerical Analysis on Penetration Reduction of a WHA Penetrator by an Impact of Linear Explosively Formed Penetrator(LEFP) 원문보기

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

질의응답

참고문헌 (9)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

주재현 (6) 최준홍 (3) 구만회 (13) 김동규 (5)

연구과제 타임라인

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

전체(0) 논문(0) 특허(0) 보고서(0)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

오픈액세스(OA) 유형

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

선형폭발성형탄(LEFP) 충격에 의한 WHA 관통자의 관통성능 감소에 관한 수치해석 연구
Numerical Analysis on Penetration Reduction of a WHA Penetrator by an Impact of Linear Explosively Formed Penetrator(LEFP) 원문보기

AI 본문요약
AI-Helper