본 연구는 고속충돌에 따른 파괴로 인하여 발생한 파편들의 분산거동을 예측하기 위해 고속충돌 실험과 함께 재료거동 모델링 및 수치해석을 수행하였다. 알루미늄 합금과 강철로 각각 구성된 2종류의 위협체 및 표적판에 대해 충돌실험을 수행하였으며 위협체는 약 1 km/s의 속력으로 표적판과 충돌하고, 이 충돌로 인하여 발생한 파편은 알루미늄 합금 관측판에 손상을 유발시키게 하였다. 사용된 소재의 차이에 의해 파편의 분산거동이 상이하였으며 이에 따라 관측판에 형성된 파편의 분산 반경 또한 다름을 확인하였다. 수치해석은 실험과 동일한 조건하에서 수행되었으며 파편으로 인한 파괴 및 손상을 모사하기 위하여 입자완화 유체동역학(smoothed particle hydrodynamics, SPH)기법과 유한요소(finite element, FE) 연계 기법을 적용하였다. 실험 측정된 결과와 해석값을 비교분석한 바, 표적판의 관통부 지름과 관측판상의 파편 분산반경은 5 % 이내의 오차로 잘 일치하였다. 아울러 강철 위협체와 강철 표적판이 충돌한 경우 가장 큰 분산반경을 보임에 따라 타 경우에 비해 가장 위협적임을 알 수 있었다.
본 연구는 고속충돌에 따른 파괴로 인하여 발생한 파편들의 분산거동을 예측하기 위해 고속충돌 실험과 함께 재료거동 모델링 및 수치해석을 수행하였다. 알루미늄 합금과 강철로 각각 구성된 2종류의 위협체 및 표적판에 대해 충돌실험을 수행하였으며 위협체는 약 1 km/s의 속력으로 표적판과 충돌하고, 이 충돌로 인하여 발생한 파편은 알루미늄 합금 관측판에 손상을 유발시키게 하였다. 사용된 소재의 차이에 의해 파편의 분산거동이 상이하였으며 이에 따라 관측판에 형성된 파편의 분산 반경 또한 다름을 확인하였다. 수치해석은 실험과 동일한 조건하에서 수행되었으며 파편으로 인한 파괴 및 손상을 모사하기 위하여 입자완화 유체동역학(smoothed particle hydrodynamics, SPH)기법과 유한요소(finite element, FE) 연계 기법을 적용하였다. 실험 측정된 결과와 해석값을 비교분석한 바, 표적판의 관통부 지름과 관측판상의 파편 분산반경은 5 % 이내의 오차로 잘 일치하였다. 아울러 강철 위협체와 강철 표적판이 충돌한 경우 가장 큰 분산반경을 보임에 따라 타 경우에 비해 가장 위협적임을 알 수 있었다.
In this study, high velocity impact tests along with modeling of material behavior and numerical analyses were conducted to predict the dispersion behavior of the debris resulting from a high velocity impact fracture. For the impact tests, two different materials were employed for both the projectil...
In this study, high velocity impact tests along with modeling of material behavior and numerical analyses were conducted to predict the dispersion behavior of the debris resulting from a high velocity impact fracture. For the impact tests, two different materials were employed for both the projectile and the target plate - the first setup employed aluminum alloy while the second employed steel. The projectile impacts the target plate with a velocity of approximately 1 km/s were enforced to generate the impact damages in the aluminum witness plate through the fracture debris. It was confirmed that, depending on the material employed, the debris dispersion behavior as well as the dispersion radii on the witness plate varied. A numerical analysis was conducted for the same impact test conditions. The smoothed particle hydrodynamics (SPH)-finite element (FE) coupled technique was then applied to model the fracture and damage upon the debris. The experimental and numerical results for the diameters of the perforation holes in the target plate and the debris dispersion radii on the witness plate were in agreement within a 5％ error. In addition, the impact test using steel was found to be more threatening as proven by the larger debris dispersion radius.
In this study, high velocity impact tests along with modeling of material behavior and numerical analyses were conducted to predict the dispersion behavior of the debris resulting from a high velocity impact fracture. For the impact tests, two different materials were employed for both the projectile and the target plate - the first setup employed aluminum alloy while the second employed steel. The projectile impacts the target plate with a velocity of approximately 1 km/s were enforced to generate the impact damages in the aluminum witness plate through the fracture debris. It was confirmed that, depending on the material employed, the debris dispersion behavior as well as the dispersion radii on the witness plate varied. A numerical analysis was conducted for the same impact test conditions. The smoothed particle hydrodynamics (SPH)-finite element (FE) coupled technique was then applied to model the fracture and damage upon the debris. The experimental and numerical results for the diameters of the perforation holes in the target plate and the debris dispersion radii on the witness plate were in agreement within a 5％ error. In addition, the impact test using steel was found to be more threatening as proven by the larger debris dispersion radius.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 위협체가 구조물에 충돌하여 발생된 파편이 구조물 주변에 위치한 또 다른 구조물에 가하는 위협을 평가하기 위하여 위협체, 표적판 및 관측판으로 설정한 구조물을 대상으로 고속충돌 실험을 수행하였고, 아울러 SPH-FE 연계 기법을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 표적판 관통부의 형상 및 지름, 관측판에서의 손상 패턴과 파편 분산반경 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
그동안 오랜 경험을 통해 무기소재로 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 이 같은 알루미늄 합금과 강철소재의 서로 다른 물성 차이를 기반으로 고속충돌 시 발생하는 다양한 형태의 파편 분산 거동과, 이로 인한 2차 손상에 대해 연구를 수행하였다. 위협체, 표적판 및 관측판으로 구성된 구조물을 대상으로 고속충돌 실험을 수행하였고, 입자완화 유체동역학(SPH)기법과 유한요소(FE) 해석을 연계한 기법을 바탕으로 실험과 동일한 조건에서 수치계산을 수행, 그 결과를 비교하였다.
가설 설정
Johnson-Cook 이론을 기반으로 한 재료의 파괴는 식 (12)와 같이 정의할 수 있으며, 식 (13)의손상계수 D가 1 이상의 값을 가질 때 파괴가 발생한다고 가정하였다.(19)
제안 방법
파편 충돌로 인한 손상을 용이하게 식별하기 위하여 관측판 소재로는 저밀도의 6061-T6 알루미늄 합금을 사용하였다. Table 2와 같이 총 4가지의 실험조건을 설정하였으며 이에 따라 위협체 및 표적판 소재 차이에 따른 관통파괴 특성과 그에 따른 파편들의 분산거동을 비교, 평가하였다.
위협체, 표적판 및 관측판으로 구성된 구조물을 대상으로 고속충돌 실험을 수행하였고, 입자완화 유체동역학(SPH)기법과 유한요소(FE) 해석을 연계한 기법을 바탕으로 실험과 동일한 조건에서 수치계산을 수행, 그 결과를 비교하였다. 각 재료들의 충돌 및 파괴 모델링을 기반으로 위협체가 표적판을 관통하며 생긴 관통부의 지름과, 관측판상에 분산된 파편의 분산반경을 분석하였으며 아울러 소재 차이에 따른 파편의 분산거동을 평가하였다. 실험 및 해석결과를 바탕으로 상이한 소재로 구성된 위협체, 표적판 및 관측판의 파괴거동과 손상을 정량적으로 비교할 수 있었으며, SPH-FE 연계 기법 개발을 통해 고속충돌 조건에서의 재료파괴 및 손상, 파편생성 및 전파 등의 관계를 효과적으로 예측할 수 있었다.
FE 격자와 SPH 입자는 서로 다른 형상함수를 통하여 구성되며 각 SPH 입자는 질량을 갖는 절점으로 취급되어 FE 격자와 연계된다. 본 연구에서는 LS-DYNA 내의 CONTACT_ TIED_NODES_TO_SURFACE_OFFSET 조건을 적용하여 SPH 입자와 FE 격자를 연계 해석하였다.
SPH 입자로 구성된 중심부 이외의 부분은 4,000개의 FE 격자로 구성되었다. 실험과 같이 표적판의 상, 하부를 x, y, z축 전 방향으로 구속하였다. 위협체와 표적판의 충돌로 인하여 발생한 파편이 손상을 가하는 관측판은 총 400,000개의 FE 격자로 구성하였다(Fig.
직접적인 충돌에 따라 파편을 발생시키는 위협체와 표적판의 중심부는 SPH 입자로 구성하였고, 상대적으로 변형이 적은 그 외의 부분은 해석시간을 고려하여 FE 격자로 구성하였다. 아울러 파편으로 인하여 손상이 발생되는 관측판은 손상부위의 식별을 용이하게 수행하기 위하여 FE 격자로 구성하였다.
본 연구에서는 이 같은 알루미늄 합금과 강철소재의 서로 다른 물성 차이를 기반으로 고속충돌 시 발생하는 다양한 형태의 파편 분산 거동과, 이로 인한 2차 손상에 대해 연구를 수행하였다. 위협체, 표적판 및 관측판으로 구성된 구조물을 대상으로 고속충돌 실험을 수행하였고, 입자완화 유체동역학(SPH)기법과 유한요소(FE) 해석을 연계한 기법을 바탕으로 실험과 동일한 조건에서 수치계산을 수행, 그 결과를 비교하였다. 각 재료들의 충돌 및 파괴 모델링을 기반으로 위협체가 표적판을 관통하며 생긴 관통부의 지름과, 관측판상에 분산된 파편의 분산반경을 분석하였으며 아울러 소재 차이에 따른 파편의 분산거동을 평가하였다.
위협체는 고속충돌 실험장비의 규격에 따라 원통형으로 제작하였으며, 길이와 지름 비는 1:1로 제작하였다. 이탈피와의 체결을 위하여 위협체 하부의 3 mm 부분은 지름보다 0.
위협체는 고속충돌 실험장비의 규격에 따라 원통형으로 제작하였으며, 길이와 지름 비는 1:1로 제작하였다. 이탈피와의 체결을 위하여 위협체 하부의 3 mm 부분은 지름보다 0.2 mm 두껍게 가공하였고, 위협체의 상부는 발사관과의 마찰로 인한 손상을 억제하기 위하여 2 mm 모따기(chamfer) 가공하였다. 위협체와 표적판 소재로서 상대적으로 저밀도인 알루미늄 합금은 6061-T6 를, 고밀도인 강철은 S45C(AISI 1045)를 각각 사용하였다.
0)를 사용하였다. 직접적인 충돌에 따라 파편을 발생시키는 위협체와 표적판의 중심부는 SPH 입자로 구성하였고, 상대적으로 변형이 적은 그 외의 부분은 해석시간을 고려하여 FE 격자로 구성하였다. 아울러 파편으로 인하여 손상이 발생되는 관측판은 손상부위의 식별을 용이하게 수행하기 위하여 FE 격자로 구성하였다.
충돌에 따라 발생한 파편으로 인한 2차적 손상을 분석, 고찰하기 위하여 Fig. 1과 같이 구조물을 완성한 후 실험을 수행하였다. 화약을 통하여 추진된 위협체는 약 1 km/s의 속력으로 표적판과 충돌하게 되고 파편을 발생시킨다.
강철 위협체와 강철 표적판이 충돌한 Case 4의 경우 Case 3과 마찬가지로 표적판을 관통한 위협체는 관측판 역시 관통하였고, 관측판상에 다수의 손상을 유발하였다. 파편으로 인한 손상 역시 충돌부위로부터 119 mm의 범위에 분산되어 타 경우에 비하여 가장 넓은 범위에 손상을 가하였다. 이를 통하여 밀도와 강도가 높고 취성이 강한 강철 위협체와 강철 표적판이 충돌하였을 때 가장 넓은 범위에 손상이 발생하고 따라서 가장 위협적인 경우임을 알 수 있다.
본 연구에서는 위협체가 구조물에 충돌하여 발생된 파편이 구조물 주변에 위치한 또 다른 구조물에 가하는 위협을 평가하기 위하여 위협체, 표적판 및 관측판으로 설정한 구조물을 대상으로 고속충돌 실험을 수행하였고, 아울러 SPH-FE 연계 기법을 적용하여 수치해석을 수행하였다. 표적판 관통부의 형상 및 지름, 관측판에서의 손상 패턴과 파편 분산반경 분석을 통하여 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
대상 데이터
5에 나타난 바와 같이 61,206 개의 SPH 입자로 구성되었으며, 각 입자는 위협체와 마찬가지로 1 mm 간격으로 배치시켰다. SPH 입자로 구성된 중심부 이외의 부분은 4,000개의 FE 격자로 구성되었다. 실험과 같이 표적판의 상, 하부를 x, y, z축 전 방향으로 구속하였다.
위협체는 Fig. 4와 같이 1 mm의 간격으로 배치된 총 5,748개의 SPH 입자로 이루어 졌으며, 실험에서 측정된 것과 동일한 속도로 비행하여 표적 판과 충돌하게 된다. 위협체와 충돌하는 표적판의 중심부는 Fig.
4와 같이 1 mm의 간격으로 배치된 총 5,748개의 SPH 입자로 이루어 졌으며, 실험에서 측정된 것과 동일한 속도로 비행하여 표적 판과 충돌하게 된다. 위협체와 충돌하는 표적판의 중심부는 Fig. 5에 나타난 바와 같이 61,206 개의 SPH 입자로 구성되었으며, 각 입자는 위협체와 마찬가지로 1 mm 간격으로 배치시켰다. SPH 입자로 구성된 중심부 이외의 부분은 4,000개의 FE 격자로 구성되었다.
위협체와 표적판 간의 충돌로 인하여 발생한 파편이 관측판상에 유발하는 손상을 관측하기 위하여 Fig. 3과 같은 표적판 및 관측판 연계 구조물을 구성하였다. 표적판과 관측판 모두 두께 5 mm, 300x300 mm의 크기를 갖는 평판으로 제작하였으며, 관측판은 표적판의 200 mm 뒤에 위치시켜 4개의 강철 환봉을 통하여 체결하였다.
2 mm 두껍게 가공하였고, 위협체의 상부는 발사관과의 마찰로 인한 손상을 억제하기 위하여 2 mm 모따기(chamfer) 가공하였다. 위협체와 표적판 소재로서 상대적으로 저밀도인 알루미늄 합금은 6061-T6 를, 고밀도인 강철은 S45C(AISI 1045)를 각각 사용하였다. Fig.
실험과 같이 표적판의 상, 하부를 x, y, z축 전 방향으로 구속하였다. 위협체와 표적판의 충돌로 인하여 발생한 파편이 손상을 가하는 관측판은 총 400,000개의 FE 격자로 구성하였다(Fig. 6). 각 모서리로부터 y, z,축 방향으로 30 mm 떨어진 지점을 구속하였으며, 이는 실험에 사용된 표적판 및 관측판 연계 구조물에서 환봉이 위치한 지점과 일치한다.
표적판과 관측판 모두 두께 5 mm, 300x300 mm의 크기를 갖는 평판으로 제작하였으며, 관측판은 표적판의 200 mm 뒤에 위치시켜 4개의 강철 환봉을 통하여 체결하였다. 파편 충돌로 인한 손상을 용이하게 식별하기 위하여 관측판 소재로는 저밀도의 6061-T6 알루미늄 합금을 사용하였다. Table 2와 같이 총 4가지의 실험조건을 설정하였으며 이에 따라 위협체 및 표적판 소재 차이에 따른 관통파괴 특성과 그에 따른 파편들의 분산거동을 비교, 평가하였다.
3과 같은 표적판 및 관측판 연계 구조물을 구성하였다. 표적판과 관측판 모두 두께 5 mm, 300x300 mm의 크기를 갖는 평판으로 제작하였으며, 관측판은 표적판의 200 mm 뒤에 위치시켜 4개의 강철 환봉을 통하여 체결하였다. 파편 충돌로 인한 손상을 용이하게 식별하기 위하여 관측판 소재로는 저밀도의 6061-T6 알루미늄 합금을 사용하였다.
이론/모형
SPH-FE 연계 고속충돌 해석을 위하여 상용 비선형 해석 소프트웨어인 LS-DYNA(Ver. R8.1.0)를 사용하였다. 직접적인 충돌에 따라 파편을 발생시키는 위협체와 표적판의 중심부는 SPH 입자로 구성하였고, 상대적으로 변형이 적은 그 외의 부분은 해석시간을 고려하여 FE 격자로 구성하였다.
재료의 동적물성은 압력과 비체적 관계, 충격파 전파속도, 입자속도 및 내부에너지 등과 관련이 있으며 이와 같은 변수들의 관계는 상태방정식을 통하여 정의된다. 본 연구에서는 고속 운동을 하는 고체물질 입자의 에너지보존과 압력, 내부에너지 및 밀도의 관계를 모사할 수 있는 MieGruneisen의 상태방정식을 이용하였으며, 식 (11)에 나타내었다.(18)
은 입자간 거리를 나타내고, h는 입자완화 거리로, 계산에 포함할 입자들의 범위를 나타낸다. 타 핵함수에 비하여 연산시간이 상대적으로 적게 소요됨에 따라 가장 일반적으로 사용되고 있는 Cubic B-spline 커널함수를 채용하였으며 이는 다음 식 (8)과 같이 표현된다.(16)
성능/효과
(1) 측정된 관통부 지름, 관측판상 파편의 분산반경 그리고 수거된 위협체의 최대지름 및 길이를 비교하였을 때, 실험 및 해석값이 최대 오차율 5% 이내로 일치함을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터, SPH-FE 연계 기법이 고속충돌에 의한 재료파괴 및 손상을 효과적으로 잘 예측할 수 있음을 보였다.
(2) 표적판 관통부의 형상 및 지름 등 결과분석을 통하여 위협체와 표적판 소재 차이에 따른 위협체, 관통부 변형 및 파괴 양상이 상이함을 확인하였다. 위협체의 밀도와 강도가 표적판과 같거나 더 큰 경우 변형이 충돌부위에 집중되는 플러깅 현상이 발생하였으며 특히 위협체와 표적판의 소재가 동일한 경우에는 위협체의 변형으로 인하여 바깥방향으로 뒤집어진 플랩현상을 확인할 수 있었다.
(3) 위협체와 표젹판의 소재 차이는 충돌에 따른 파편 생성뿐만 아니라 관측판상의 손상 패턴및 분산범위에도 영향을 미침을 확인하였다. 위협체 소재의 밀도 및 강도가 표적판에 비하여 상대적으로 낮고 작을 경우 관측판상에는 미미한 손상이 발생한 한편, 취성이면서 고밀도의 강철위협체와 동일한 소재의 표적판이 충돌하였을 경우, 가장 넓은 범위에 큰 손상이 관측판상에 발생함에 따라 여타 경우에 비해 가장 치명적임을알 수 있었다.
1 km/s 속도대의 고속충돌임에도 불구하고 표적판 관통부 지름 및 관측판상 파편 분산반경에 관한 실험값과 및 예측값을 정량적으로 비교하였을 때, 최대 오차율 5 % 이내로 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 특히 관통부 지름이 Case 1에서 가장 크고, Case 3에서 가장 작았으며 파편 분산 범위는 Case 4에서 가장 넓게 나타남은 밀도 및 강도를 포함한 재료 물성에 기인된 것으로 표적판 및 관측판의 손상분석에서 보다 자세하게 기술하였다.
각 재료들의 충돌 및 파괴 모델링을 기반으로 위협체가 표적판을 관통하며 생긴 관통부의 지름과, 관측판상에 분산된 파편의 분산반경을 분석하였으며 아울러 소재 차이에 따른 파편의 분산거동을 평가하였다. 실험 및 해석결과를 바탕으로 상이한 소재로 구성된 위협체, 표적판 및 관측판의 파괴거동과 손상을 정량적으로 비교할 수 있었으며, SPH-FE 연계 기법 개발을 통해 고속충돌 조건에서의 재료파괴 및 손상, 파편생성 및 전파 등의 관계를 효과적으로 예측할 수 있었다.
(3) 위협체와 표젹판의 소재 차이는 충돌에 따른 파편 생성뿐만 아니라 관측판상의 손상 패턴및 분산범위에도 영향을 미침을 확인하였다. 위협체 소재의 밀도 및 강도가 표적판에 비하여 상대적으로 낮고 작을 경우 관측판상에는 미미한 손상이 발생한 한편, 취성이면서 고밀도의 강철위협체와 동일한 소재의 표적판이 충돌하였을 경우, 가장 넓은 범위에 큰 손상이 관측판상에 발생함에 따라 여타 경우에 비해 가장 치명적임을알 수 있었다.
(2) 표적판 관통부의 형상 및 지름 등 결과분석을 통하여 위협체와 표적판 소재 차이에 따른 위협체, 관통부 변형 및 파괴 양상이 상이함을 확인하였다. 위협체의 밀도와 강도가 표적판과 같거나 더 큰 경우 변형이 충돌부위에 집중되는 플러깅 현상이 발생하였으며 특히 위협체와 표적판의 소재가 동일한 경우에는 위협체의 변형으로 인하여 바깥방향으로 뒤집어진 플랩현상을 확인할 수 있었다.
(1) 측정된 관통부 지름, 관측판상 파편의 분산반경 그리고 수거된 위협체의 최대지름 및 길이를 비교하였을 때, 실험 및 해석값이 최대 오차율 5% 이내로 일치함을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터, SPH-FE 연계 기법이 고속충돌에 의한 재료파괴 및 손상을 효과적으로 잘 예측할 수 있음을 보였다.
9(d)] 다른 Case에 비하여 가장 넓은 범위에 파편이 분산되었음을 확인하였다. 충돌 후 수거된 위협체는 길이가 15.6 mm, 최대 지름이 26.8 mm로 변형되었으며, 해석을 통하여 예측된 위협체의 길이 및 최대 지름은 각각 15.8 mm 25.7 mm를 보임으로써 오차율 4 %가 됨을 알 수 있다.
Higashide 등(3)은 지름 7 mm의 알루미늄 구와 2 mm 두께의 알루미늄 표적판이 0~60°의 각도로 충돌 하며 생성된 파편운의 분산각도와 각 파편의 질량을 측정하였다. 충돌각도가 증가할수록 크기가 작은 파편이 발생하였으며 이러한 파편들은 넓은 범위에 분산됨을 확인하였다. Zhang 등(4)은 4~6 mm의 알루미늄 구와 0.
9(a)], 해석 결과 또한 26 mm으로 나타났다. 표적판과 관측판을 관통한 위협체는 길이가 14.3 mm, 최대 지름이 25.9 mm로 변형되었으며, 해석적으로 예측된 위협체의 길이와 최대 지름 또한 14.6 mm, 24.5 mm로서 실험 결과값과 유사함을 확인 하였다. 알루미늄 위협체와 강철 표적판이 충돌한 Case 2는 표적판 관통부 지름이 27.
8(a)], 이는 다른 Case에 비하여 가장 큰 값을 보였다. 해석을 통하여 예측된 관통부 지름은 27.1 mm로 실험과 해석 결과값이 오차율 0.1 %로 매우 잘 일치하였다. 한편 관측판상 분산 반경은 25 mm으로 측정되었으며[Fig.
후속연구
(4) 고속충돌 및 파괴에 따른 파편의 비산거동 예측은 향후 이와 같은 고속상태에 노출될 수 있는 구조물의 생존성 설계기술 개발에 도움이 될 수 있을 것으로 사료되며 SPH-FE 연계 해석 기법 또한 모델링 및 시뮬레이션 분야에서 효과적인 방안이 될 수 있을 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
알루미늄 합금의 특징은 무엇인가?
중량에 비해 우수한 강도 및 내부식성을 가지고 있는 알루미늄 합금(8)과 강도뿐만 아니라 뛰어난 피로 내구성능을 지니고 있는 S45C 강철은(9) 그동안 오랜 경험을 통해 무기소재로 널리 사용되고 있다. 본 연구에서는 이 같은 알루미늄 합금과 강철소재의 서로 다른 물성 차이를 기반으로 고속충돌 시 발생하는 다양한 형태의 파편 분산 거동과, 이로 인한 2차 손상에 대해 연구를 수행하였다.
충돌 및 파괴에 따른 파편운의 분산거 동을 확인하기 위한 연구에는 무엇이 있는가?
고속의 위협체가 표적과 충돌할 경우 발생한 파편들은 속도 및 각도 등의 충돌 조건에 따라 다양한 형상의 파편운(debris cloud)을 형성하며, 이와 같은 충돌 및 파괴에 따른 파편운의 분산거 동을 확인하기 위하여 다양한 연구가 수행되어 왔다. Chhabildas 등 (1)은 원통형상의 알루미늄 위협체와 알루미늄 표적판이 5~11 km/s의 속도로 충돌하였을 때의 파편운 형상을 관측하였으며 결과적으로 파편운의 형상은 위협체의 충돌 각도에 크게 영향 받음을 확인하였다. Chi 등(2)은 0.5 mm의 알루미늄 구가 3~5 km/s의 속도로 1 mm 두께의 알루미늄 표적판에 충돌하였을 때의 파편운 형상을 관측하여 파편운의 형상은 충돌속도에 민감하지만 t/D 비, 즉 표적판 두께/위협체 지름 비에는 큰 영향을 받지 않는다는 사실을 밝혀내 었다. Higashide 등(3)은 지름 7 mm의 알루미늄 구와 2 mm 두께의 알루미늄 표적판이 0~60°의 각도로 충돌 하며 생성된 파편운의 분산각도와 각 파편의 질량을 측정하였다. 충돌각도가 증가할수록 크기가 작은 파편이 발생하였으며 이러한 파편들은 넓은 범위에 분산됨을 확인하였다. Zhang 등(4)은 4~6 mm의 알루미늄 구와 0.5~3 mm의 알루 미늄 표적판이 0~60°의 각도로 충돌할 때 발생하는 파편운을 관측하고, 파편운의 특징을 평가하기 위한 매개변수를 제시하였다.
구조물과 비행체가 충돌하여 발생하는 파편은 어떤 문제를 발생시키는가?
고속으로 비행하는 물체가 구조물과 충돌할 경우 충돌한 구조물에 변형, 관통 및 파괴와 같은 손상이 유발된다. 특히 이러한 위협체가 구조물을 관통할 경우에는, 위협체의 파괴뿐만 아니라 구조물의 관통부에 의하여 다수의 파편이 발생하게 되며 이와 같은 파편들은 구조물 주변에 위치한 또 다른 구조물 또는 사람, 기기들에 2차적인 손상을 가하게 된다. 이와 관련하여 손상 피해를 최소화하기 위해서는 고속충돌로 인한 1차 구조 물의 파괴거동 연구뿐만 아니라 충돌로 야기된 파편으로 인해 발생할 수 있는 2차적 손상을 예측하는 것 또한 중요한 과제이다.
참고문헌 (23)
Chhabldas, L. C., Boslough, M. B., Reinhart, W. D. and Hall, C. A., 1994, "Debris Cloud Characterization at Impact Velocities of 5 to 11 km/s," AIP Conference Proceedings, Vol. 309, No. 1, p. 1841.
Chi, R. Q., Pang, B. J., Guan, G. S., Yang, Z. Q., Zhu, Y. and He, M. J., 2008, "Analysis of Debris Clouds Produced by Impact of Aluminum Spheres with Aluminum Sheets," International Journal of Impact Engineering, Vol. 35, pp. 1465-1472.
Higashide M., Koura, T., Akahoshi Y. and Harada, S., 2008, "Debris Cloud Distributions at Oblique Impacts," International Journal of Impact Engineering, Vol. 35, pp. 1573-1577.
Zhang, Q., Chen, Y., Huang F. and Long, R., 2008, "Experimental Study on Expansion Characteristics of Debris Clouds Produced by Oblique Hypervelocity Impact of LY12 Aluminum Projectiles with Thin LY12 Aluminum Plates," International Journal of Impact Engineering, Vol. 35, pp. 1884-1891.
Bohl, W. E.., Miller, J. E., Christiansen E. L. and Davis, B. A., 2013, "HVI Ballistic Performance Characterization of Non-Parallel Walls," Procedia Engineering, Vol. 58, pp. 1884-1891.
Piekutowsk, A. J., 2001, "Debris Clouds Produced by the Hypervelocity Impact of Nonspherical Projectile," International Journal of Impact Engineering Vol. 26, pp. 613-624.
Ke, F. W., Huang, J., Wen, X. Z., Ma, Z. X. and Liu, S., 2016, "Test Study on the Performance of Shielding Configuration with Stuffed Layer under Hypervelocity Impact," Acta Astronautica, Vol. 127, pp. 553-560.
Hwang, A. S., Kang, W. G. and Lee, H. C., 2013, "Aluminum Alloys for Next Generation Regional Aircraft Structure," Proceedings of the Korean Society for Aeronautical and Space Sciences 2013 Spring Conference, pp. 160-163.
Kim, C. J., 2015, "Vibration Test Method for General S45C Specimen," Proceedings of the Korean Society of Mechanical Engineers 2015 Spring Conference, pp. 9-10.
Backman, M. E. and Goldsmith, W., 1978, "The Mechanics of Penetration of Projectiles into Targets," International Journal of Engineering Science, Vol. 16, pp. 1-99.
Sakong, J., Woo, S. C. and Kim, T. -W., 2016, "A Study on the Kinetic Energy and Dispersion Behavior of High-velocity Impact-induced Debris using SPH Technique," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 40, No. 5, pp. 457-467.
Lee, S. S., Seo, S. W. and Min, O. K., 2003, "SPH Parameters for Analysis of Penetration Phenomenon at Hypervelocity Impact of Meteorite," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 27, No.10, pp. 1738-1747.
Park, S. S. and Noh, M. H., 2006, "Numerical Simulation of High-Velocity Impact of Concrete Using a Coupled Lagrangian and SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics) Techniques," Proceedings of the Korean Society of Civil Engineers, 2006 Annual Conference, pp. 863-166.
Jo, J. H. and Lee, M. S., 2013, "Quantitative Analysis of Debris Clouds of Aluminum Plates with SPH," Proceedings of the Society of CAD/CAM Conference, pp. 755-760.
Seo, S. W., Lee, J. H. and Min, O. K., 2005, "SPH Algorithm for an Elasto-Plastic Contact Analysis on a Rigid Surface with an Arbitrary Shape," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 29, No. 1, pp. 30-37.
Cho, Y. J., 2011, "Study on Two Dimensional SPH Hydrocode for Large Deformation Problems," Master's Thesis, Sejong University, Seoul, Republic of Korea.
Johnson, G. R. and Cook, W. H., 1983, " A Constitutive Model and Data for Metals Subjected to Large Strains, High Strain Rates and High Temperatures," Proceedings of the Seventh International Symposium on Ballistics, pp. 541-547.
Zocher, M. A. and Maudlin, P. J., 2000, "An Evaluation of Several Hardening Models Using Taylor Cylinder Impact Data," European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering, pp. 1-20.
Kim, J. T., Cho, C. H., Kim, J. Y. and Kim, T. -W., 2011, "Influence Factor Analysis of Projectile on the Fracture Behavior of Aluminum Alloys Under High Velocity Impact with Latin Square Method," Trans. Korean Soc. Mech. Eng. A, Vol. 35, No. 9, pp. 1021-1026.
Corbett, B. M., 2006, "Numerical Simulations of Target Hole Diameters for Hypervelocity Impacts into Elevated and Room Temperature Bumpers," International Journal of Impact Engineering, Vol. 33, pp. 1021-1026.
Jaspers, S. P. F. C. and Dautzenberg, J. H., 2002, "Material Behaviour in Conditions Similar to Metal Cutting: Flow Stress in the Primary Shear Zone," Journal of Materials Processing Technology, Vol. 122, pp. 322-330.
Olleak, A. A. and EL-Hofy, H. A., 2015, "Prediction of Cutting Forces in High Speed Machining of Ti6Al4V using SPH Method," Proceedings of the 10th ASME 2015 Manufacturing Science and Engineering Conference, pp. 1-7.
Tansel, D., 2010, "Ballistic Penetration Of Hardened Steel Plates," Master's Thesis, Middle East Technical University, Ankara, Turkey.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.