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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 포 발사 환경 시 탄두의회전을 토크를 부가하지 않고 강선과 탄대의 마찰을 이용하여 구현할 수 있는 해석 방법을 제안하고자 한다. 최종적으로 제안된 해석 방법으로 획득한 해석결과를 선행연구에서 측정된 실험결과와 비교함으로써 포 발사 기구를 유한요소해석으로 수행할 수 있는 수치해석기법을 제시하고 이를 탄두의 생존성 평가에 활용하고자 한다.
- 또한 참고문헌(6)에서는 포신의 강선과 탄두의 탄대의 접촉에 의한 탄두의 회전을 구현하지 못한다는 한계를 가진다. 따라서 본 논문에서는 포신의 강선을 이용하여 포 발사 시 탄두의 회전을 수치해석으로 구현하고 탄두의 동적 거동 및 생존성을 평가하고자 한다.
- 본 논문에서는 포신의 강선을 고려한 포 발사해석기법을 개발하고 탄두의 동적 거동을 모사하고 탄두의 생존성을 평가할 수 있는 기반을 구축하였으며 그 결과는 다음과 같다.
제안 방법
- (2) 포신의 강선과 탄대가 접촉하여 탄두의 회전을 구현할 수 있는 포 발사 해석기법을 개발하였다. 본 논문에서는 참고문헌(6)에 제시된 포 발사실험 측정 값을 본 논문의 탄두에 적용될 수 있도록 외삽한 결과를 이용하여 개발된 포 발사 해석기법의 검증을 수행하였다.
- (5) 제안된 포 발사 해석기법을 이용하여 탄두의 생존성을 평가하였다. 탄두의 각 부품에서 최대 응력이 발생하는 부분에서 유효응력을 측정하여 항복응력과 비교를 수행하였다.
- 경계조건으로는 포신의 한쪽 면을 고정하고,포 발사 실험조건과 동일하도록 지면으로부터 70° 경사의 중력가속도 조건을 적용하였다.
- 다음으로 축 방향 거동에 대하여 정량적인 분석을 수행하였다. 이때 포 발사 해석 시 탄두의 축 방향 속도 및 가속도, 각속도 및 각가속도, 회전량 등을 측정하기 위하여, 참고문헌(6)의 실측시험과동일하게 Fig.
- 또한 가속도 해석결과의 경우 높은 주파수의 노이즈가 관찰되므로 본 논문에서도 참고문헌(6)과 동일하게 FFT low pass 필터의 Cutoff frequency를 2kHz로 설정하여 후처리를 수행하였다.
- 355m/s2의 중력가속도를 부가하였다. 또한 탄대와 포신의 접촉 조건을 부가하여 측면 방향으로 흔들림 효과가 발생하도록 하였다. 그러나 참고문헌(6)의 유한요소모델에는 포신의 강선이 구현되어 있지 않으며 포신 내경과 탄대 외경이 일치하도록 설정되어 있다.
- (2) 포신의 강선과 탄대가 접촉하여 탄두의 회전을 구현할 수 있는 포 발사 해석기법을 개발하였다. 본 논문에서는 참고문헌(6)에 제시된 포 발사실험 측정 값을 본 논문의 탄두에 적용될 수 있도록 외삽한 결과를 이용하여 개발된 포 발사 해석기법의 검증을 수행하였다.
- 본 논문에서는 참고문헌(6)으로부터 탄두의 기하학적 정보를 얻을 수 없어 협력업체인 풍산방산기술연구원(7)로부터 획득한 155mm 탄두와 포신의 기하학적 정보를 이용하여 Fig. 4와 같이 유한요소 모델을 구현하였다. 탄두는 탄체와 탄대, Fuze,Ogive, Base, Base plug, TNT로 구성되어 있으며 각 부품의 재료와 물성은 Table 2,(8) Table 3(8)을 통하여 확인할 수 있다.
- 유한요소해석 조건으로는 먼저 탄두가 설치된 포신의 한쪽 면을 고정하고, 참고문헌(6)과 동일하게 지면으로부터 70°의 경사조건을 부가하기 위하여 포신의 축 방향과 수직방향으로 각−9.218m/s2, −3.355m/s2을 부가하였다.
- 8과 같이 탄두 아래 면에 장약 폭발에 따른 압력−시간 선도를 부가하여 구현하였다. 이 때 참고문헌(6)의 압력 측정 값을 참조하여, 본 논문의 탄두와 참고문헌(6)의 탄두가 동일한 길이의 포신에서 동일한 포 발사 시간을 가질 수 있도록 설정하였다. 이에 따라 참고문헌(6)에 제시된 Fig.
- 이와 같이 본 연구에서는 포신의 강선을 고려한 해석기법을 통하여 포 발사 시 탄두의 동적 거동 및 생존성을 분석하였다. 제안된 해석기법은 기존연구에서 탄두의 반경 방향 거동을 구현하기 위해 가정된 경계조건을 부가한다는 한계를 벋어나, 실제 포 발사 환경과 동일하게 탄대와 포신 강선의 접촉만을 이용하여 탄두의 반경 방향 거동을 구현할 수 있다는 특징을 가진다.
- 이와 같이 본 연구에서는 포신의 강선을 고려한 해석기법을 통하여 포 발사 시 탄두의 동적 거동 및 생존성을 분석하였다. 제안된 해석기법은 기존연구에서 탄두의 반경 방향 거동을 구현하기 위해 가정된 경계조건을 부가한다는 한계를 벋어나, 실제 포 발사 환경과 동일하게 탄대와 포신 강선의 접촉만을 이용하여 탄두의 반경 방향 거동을 구현할 수 있다는 특징을 가진다. 이에 따라 제안된 해석기법은 장약 폭발에 따른 압력만을 이용하여 포발사 시 축 방향 및 반경 방향 거동을 모두 구현할 수 있으며 다양한 탄두에 적용이 가능하다.
- 의 실험결과와 비교 분석하였다. 제안된 해석기법을 보다 정확하게 검증하기 위해서는 본 논문의 탄두가 적용된 포 발사 실험결과가 필요하나 실측실험을 수행할 수 없어 참고문헌(6)의 실험결과와 비교 검증으로 대체한다. 먼저, 해석을 통하여 탄두 아래면에 부가된 압력에 따른 탄두의 축 방향 거동과 탄대와 포신 강선의 접촉으로 인한 반경 방향의 거동을 확인할 수 있다.
- 따라서 본 논문에서는 포 발사 환경 시 탄두의회전을 토크를 부가하지 않고 강선과 탄대의 마찰을 이용하여 구현할 수 있는 해석 방법을 제안하고자 한다. 최종적으로 제안된 해석 방법으로 획득한 해석결과를 선행연구에서 측정된 실험결과와 비교함으로써 포 발사 기구를 유한요소해석으로 수행할 수 있는 수치해석기법을 제시하고 이를 탄두의 생존성 평가에 활용하고자 한다.
- 추가적으로 본 논문에서는 포신의 강선을 고려한 포 발사 해석기법을 이용하여 포 발사 시 탄두의 생존성을 평가하였다. 탄두의 생존성 평가는 탄두 내 각 부품의 응력상태 분석을 통하여 수행되었다.
- (5) 제안된 포 발사 해석기법을 이용하여 탄두의 생존성을 평가하였다. 탄두의 각 부품에서 최대 응력이 발생하는 부분에서 유효응력을 측정하여 항복응력과 비교를 수행하였다. 그 결과, Base plug 부품에서 국부적 소성변형이 발생하나 주변 영역의 주변 영역의 탄성 변형으로 구속될 것이라 판단하였다.
- 추가적으로 본 논문에서는 포신의 강선을 고려한 포 발사 해석기법을 이용하여 포 발사 시 탄두의 생존성을 평가하였다. 탄두의 생존성 평가는 탄두 내 각 부품의 응력상태 분석을 통하여 수행되었다. Fig.
- 포신의 전체 길이는 참고문헌(6)과 동일하게 구성되어있으며 요소는 원주 방향으로 98개,두께 방향으로 강선은 1개, 포신은 3개를 사용하였다. 포신은 탄성계수 205 GPa, 포아송비 0.29, 밀도 7,850 kg/m3의 탄성물성만을 적용하여 해석을 수행하였다. 포 발사 해석을 위한 유한요소해석프로그램으로는 LS DYNA ver.
대상 데이터
- 참고문헌(6)에서는 유한요소해석 프로그램으로 ABAQUS/Explicit을 이용하였다. 탄두의 직경은 155mm이며 탄대와 탄체(Projectile body), Fuze, TNT 등의 부품들로 구성된다. 경계조건으로는 포신의 한쪽 면을 고정하고,포 발사 실험조건과 동일하도록 지면으로부터 70° 경사의 중력가속도 조건을 적용하였다.
- 7은 강선을 고려한 포신의 유한요소모델을 나타낸다. 포신의 전체 길이는 참고문헌(6)과 동일하게 구성되어있으며 요소는 원주 방향으로 98개,두께 방향으로 강선은 1개, 포신은 3개를 사용하였다. 포신은 탄성계수 205 GPa, 포아송비 0.
데이터처리
- 앞서 설명한 바와 같이 강선을 고려한 포 발사해석을 수행하여 그 결과를 참고문헌(6)의 실험결과와 비교 분석하였다. 제안된 해석기법을 보다 정확하게 검증하기 위해서는 본 논문의 탄두가 적용된 포 발사 실험결과가 필요하나 실측실험을 수행할 수 없어 참고문헌(6)의 실험결과와 비교 검증으로 대체한다.
- 14는 해석 및 실험으로부터 획득한 포 발사 시 축 방향 가속도 및 각가속도 결과이다. 이때 본 논문에서는 앞서 탄두 아래 면에 참고문헌(6)의 압력을 1.111배를 증가하여 적용하였기 때문에, 가속도 실험결과 또한 참고문헌(6)에서 측정한 가속도 결과를 1.111배 하여 해석결과와 비교하였다. 또한 가속도 해석결과의 경우 높은 주파수의 노이즈가 관찰되므로 본 논문에서도 참고문헌(6)과 동일하게 FFT low pass 필터의 Cutoff frequency를 2kHz로 설정하여 후처리를 수행하였다.
- 1은 참고문헌(6)에 제시된 포 발사 해석을 위한 유한요소모델을 나타낸다. 참고문헌(6)에서는 유한요소해석 프로그램으로 ABAQUS/Explicit을 이용하였다. 탄두의 직경은 155mm이며 탄대와 탄체(Projectile body), Fuze, TNT 등의 부품들로 구성된다.
이론/모형
- 본 논문에서는 포 발사 해석기법 개발을 위하여 Laughlin(6)이 제시한 포 발사 해석기법을 참고하였다. 참고문헌(6)의 연구 목적은 탄두가 받는 압력 및 토크 등의 실험결과를 유한요소해석에 적용하여 탄두의 동적 거동을 모사하는 것이며, 포 발사환경 시 탄두의 가속도를 측정하여 해석결과와 비교함으로써 해석기법을 검증하였다.
- 29, 밀도 7,850 kg/m3의 탄성물성만을 적용하여 해석을 수행하였다. 포 발사 해석을 위한 유한요소해석프로그램으로는 LS DYNA ver.9.71 R.7을 활용하였으며 Reduced integration과 Hourglass control을 설정하였다. 유한요소해석 조건으로는 먼저 탄두가 설치된 포신의 한쪽 면을 고정하고, 참고문헌(6)과 동일하게 지면으로부터 70°의 경사조건을 부가하기 위하여 포신의 축 방향과 수직방향으로 각−9.
성능/효과
- (3) 포 발사 해석 시 측정된 출구속도, 각속도,회전량을 참고문헌(6)의 실험결과와 비교/분석한 결과 1 % 이내의 백분율편차를 확인할 수 있었다.
- (4) 포 발사 해석 시 탄두 축 방향으로 15,200 g 이상의 고압과, 2,500g 이상의 고회전이 발생하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 포 발사 시 탄두 내전자장비가 위에서 제시한 고압 및 고회전 조건에서 내구성이 필요하다는 사실을 확인할 수 있다.
- (6) 제안된 포 발사 해석기법은 실제 포 발사 환경과 동일하게 포신 강선과 탄대의 접촉만을 이용하여 탄두의 반경 방향 거동을 구현할 수 있으며 포 발사 시 장약 폭발에 의한 압력만으로 탄두의 축 방향 및 반경 방향 거동을 구현할 수 있다.
- 결과를 획득함으로써 탄두의 측면 흔들림에 의한 해석결과의 왜곡을 방지하였다. Fig.
- 결과적으로 포 발사 시 탄의 부품 중 Baseplug를 제외한 나머지 부품에서는 탄성 영역 내에서 변형이 발생하며 Baseplug의 국부적 소성변형 또한 주변 영역의 탄성 변형으로 구속될 것이라 판단된다.
- 탄두의 각 부품에서 최대 응력이 발생하는 부분에서 유효응력을 측정하여 항복응력과 비교를 수행하였다. 그 결과, Base plug 부품에서 국부적 소성변형이 발생하나 주변 영역의 주변 영역의 탄성 변형으로 구속될 것이라 판단하였다.
- 이에 따라 제안된 해석기법은 장약 폭발에 따른 압력만을 이용하여 포발사 시 축 방향 및 반경 방향 거동을 모두 구현할 수 있으며 다양한 탄두에 적용이 가능하다. 또한 제안된 해석기법은 기존 연구에서는 고려할 수 없었던 포신과 탄대의 접촉에 따른 탄두의 동적 거동 변화를 구현한다는 점에서 보다 높은 해석의 신뢰성을 확보할 수 있다.
- 15의 Hepner 등(10)의 포 발사 시 탄두의 가속도 측정결과로부터 확인할 수 있다. 또한 측정된 결과로부터 포 발사 시 탄두 내 전자 장비가 15,200g 이상의 고압과 2,500g 이상의 고회전 조건에서 내구성이 필요하다는 사실을 확인할 수 있다.
- (4) 포 발사 해석 시 탄두 축 방향으로 15,200 g 이상의 고압과, 2,500g 이상의 고회전이 발생하는 것을 확인하였다. 이를 통하여 포 발사 시 탄두 내전자장비가 위에서 제시한 고압 및 고회전 조건에서 내구성이 필요하다는 사실을 확인할 수 있다.
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