[논문]Heracron 직물의 고속 충돌 해석

김윤호; 최충현; 차지훈; 김천곤

doi:10.7234/composres.2019.32.2.120

Heracron 직물의 고속 충돌 해석
Computational Analysis of Heracron Fabric at High-velocity Impact 원문보기

Composites research = 복합재료, v.32 no.2, 2019년, pp.120 - 126

김윤호 (Dept. of Aerospace Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 최충현 (Dept. of Aerospace Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , (Dept. of Aerospace Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 차지훈 (Dept. of Aerospace Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology) , 김천곤 (Dept. of Aerospace Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology)

초록
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고성능 직물은 방탄, 방검 등의 개인 보호구뿐만 아니라, 우주보호시스템, 차량방탄 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 또한 고성능 직물의 성능향상을 위한 다양한 종류의 연구가 진행되었고, 동시에 많은 해석 방법들이 개발되어 왔다. 본 연구에서는 고속 및 초고속 충돌, 충격 현상 등에 특화된 상용해석 프로그램인 Autodyn을 사용하여 국산 고성능 직물인 Heracron의 고속 충돌 현상을 최초로 모사하였다. Heracron 직물에 사용된 입력 물성치별 민감도를 확인하는 해석을 수행하였다. 시험의 검증을 위해 2단 경 가스건을 사용하여 직물 1, 3, 5장의 시편을 약 200-500 m/s의 알루미늄 구체의 충돌시켜 전 후 속도를 측정하였다. Autodyn 프로그램을 이용하여 Heracron 직물의 고속 충돌 현상을 성공적으로 구현하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Advanced fiber fabrics have been utilized in not only anti-stabbing and bullet-proofing for body armor but also various industrial fields including vehicular armor and spacecraft structure. Furthermore, there have been a number of research to improve the ballistic performance of advanced fabrics introducing many computational approaches. In our research, an advanced fabric, Heracron manufactured in South Korea was modelled firstly using Autodyn, a commercial software specializing in impact and explosion phenomenon. The sensitivity of the input parameters was also confirmed by conducting simulations. To verify the numerical modelling, we measured and compared the simulation results with velocity decrements after impact involving one, three, and five layers of Heracron under 200-500 m/s impacts by an aluminum spherical projectile. The Heracron fabric was successfully modelled using Autodyn.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 (a) HT-840 model with plane symmetry condition, (b) Dimension, (c) Cross section
그림 Fig. 2 (d) Plane view, (e) Magnified view of mesh
그림 Fig. 3 Experiment set-up
표 Table 1 HT-840 properties[5]
표 Table 2 Al 2017-T4 properties[10]
표 Table 3 Calibration with magnetic, laser intervelometer
그림 Fig. 4 Heracron fabric after impact
그림 Fig. 5 Experiment and simulation results of five layers of fabric after impact (t=100 μs)
그림 Fig. 6 Experiment and simulation results of five layers of fabric after impact (t=100 μs)
그림 Fig. 7 Experiment and simulation results of HT-840 single layer
그림 Fig. 8 Experiment and simulation results of HT-840 three layer
그림 Fig. 9 Experiment and simulation results of HT-840 five layer
그림 Fig. 10 Residual velocity and longitudinal young’s modulus of fiber
그림 Fig. 11 Residual velocity and transverse young’s modulus of fiber
그림 Fig. 12 Residual velocity and shear modulus of fiber
그림 Fig. 13 Residual velocity and maximum longitudinal stress and strain at failure ratio
그림 Fig. 14 Bottom view (blue: projectile, skyblue and green: fabric)
그림 Fig. 15 Residual velocity and geometric strain for erosion
그림 Fig. 16 Residual velocity and friction coefficient

AI 본문요약
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문제 정의

또한 Heracron 직물의 물성치 입력값의 민감도 연구를 수행하였다. 본 연구는 고속 충돌 시 직물의 에너지 흡수능력과 메커니즘을 연구하기 위한 기초로, 충돌 폭발 연구에 많이 쓰이는 Autodyn으로 고성능 직물을 최초로 구현하고 직물 모델에 사용된 물성치의 민감도 연구를 수행하였다. 2단 경 가스건의 시험 결과로 해석결과를 검증하였다.
HT-840 모델에 적용된 물성치는 시험적으로 얻은 것이 아니기 때문에 본 연구에서와 같은 조건이 아닐 경우 결과가 달라질 수 있다. 본 연구에서는 각 입력 물성치 별 방탄 성능의 영향을 이해하기 위해 각각의 입력 물성치 별 0.2, 0.5, 2, 5배의 값을 임의로 변경하여 해석 모델의 물성치 별 민감도를 확인해 보았다.
본 연구에서는 국산 고성능 직물인 Heracron의 모델링을 위해서, 유사한 성능을 가지는 Kevlar KM2의 물성치를 주로 참고하여 해석 모델링과 검증을 수행하였다.

가설 설정

Steinberg-Guinan 모델의 경우 105/s 이상의 고 연신율 상태에서 더 이상의 물성증가가 이뤄지지 않으며 동일한 값으로 수렴하는 것을 가정한 방법이다.

제안 방법

본 연구를 통해서 충돌 충격에 특화된 해석프로그램인 Autodyn을 이용하여 최초로 고성능 직물의 피탄 해석을 수행하였다. 1, 3, 5장 적층된 HT-840 Heracron 직물을 Shell element를 이용하여 모델링 하였다. 또한 Heracron 직물의 물성치 입력값의 민감도 연구를 수행하였다.
10-15는 HT-840의 입력물성치와 충돌 후 속도를 비교한 것이다. Table 1에 나와있는 기준으로 입력 값을 1이라 가정하였을 때 2배와 5배 증가하거나 감소하였을 경우의 충돌 후 속도에 대한 영향을 비교하였다. Fig.
1, 3, 5장 적층된 HT-840 Heracron 직물을 Shell element를 이용하여 모델링 하였다. 또한 Heracron 직물의 물성치 입력값의 민감도 연구를 수행하였다. 본 연구는 고속 충돌 시 직물의 에너지 흡수능력과 메커니즘을 연구하기 위한 기초로, 충돌 폭발 연구에 많이 쓰이는 Autodyn으로 고성능 직물을 최초로 구현하고 직물 모델에 사용된 물성치의 민감도 연구를 수행하였다.
본 연구를 통해서 충돌 충격에 특화된 해석프로그램인 Autodyn을 이용하여 최초로 고성능 직물의 피탄 해석을 수행하였다. 1, 3, 5장 적층된 HT-840 Heracron 직물을 Shell element를 이용하여 모델링 하였다.
하지만 shell 모델링을 위해서 적절한 값을 사용해야만 한다. 본 연구에서는 섬유와 수직한 방향의 강성을 이전에 논문들에 사용된 값을 참고하여 결정 하였다[3,5,6].
하지만, Autodyn을 이용하여 고성능 직물을 yarn 단위에서 모델링하여 실험과 검증된 연구가 존재하지 않는다. 본 연구에서는 최초로 Heracron 직물을 고속 충돌 하에서 yarn 단위 모델링 하였고 시험을 수행하여 성공적으로 검증하였다.
16은 직물간의 마찰계수의 변화와 충돌 후 속도 변화를 나타낸 결과이다. 정지마찰계수 0.15와 운동마찰계수 0.12를 기준으로 하여 동일한 비율로 마찰계수 값들을 수정하여 민감도를 비교하였다. 300 m/s의 경우에는 마찰계수의 증가로 인하여 충돌 후 속도가 두드러지게 감소되는 것이 확인되었다.
4는 Heracron 직물에 고속 충돌 후 시편을 중심으로 촬영한 것이다. 직물이 충돌하면서 밀리지 않도록 스틸지그와 직물의 충돌면 사이에 고무패드를 위치시키고 스틸지그를 완력기 4개를 이용하여 고정하였다. 모든 시험은 10⁰Torr 이하 수준의 진공에서 진행되었고, 공기저항으로 인한 속도감소는 무시할 만큼 작은 수준이다.
충돌 전후의 속도와 충돌 후 형상을 비교하여 모델링을 검증하였다. Fig.
해석 모델링의 검증을 위해 보유하고 있는 2단경 가스건을 이용하여 시험을 수행하였다. 충돌속도의 조절을 위하여 1단 가스건으로 개량하여 사용하였으며 Fig. 3과 같이 시편의 전 후로 마그넷 코일 속도센서와 레이저 커튼 속도센서를 사용하여 속도를 측정하였다. 속도 측정의 정확성 확인을 위해, 시편없이 검증용 시험을 수행하였으며 결과는 Table 3에 정리하였다.
해석 모델링의 검증을 위해 보유하고 있는 2단경 가스건을 이용하여 시험을 수행하였다. 충돌속도의 조절을 위하여 1단 가스건으로 개량하여 사용하였으며 Fig.
2와 같이 더 촘촘한 mesh를 사용하였다. 해석의 소요시간을 단축하기 위해 면대칭 조건을 이용하였으며 직물의 크기는 약 100 mm의 변을 가지는 정사각형으로 양끝 단에 고정 조건을 부여하였다. 마찰력은 정지마찰 계수 µ_s , 운동마찰계수 µ_d, 상쇄계수 β를 각각 0.

대상 데이터

Al 2017-T4의 정확한 물성치는 구할 수 없어서 유사한 물성치를 가지는 Al 2024-T4 물성을 사용하였다.

데이터처리

본 연구는 고속 충돌 시 직물의 에너지 흡수능력과 메커니즘을 연구하기 위한 기초로, 충돌 폭발 연구에 많이 쓰이는 Autodyn으로 고성능 직물을 최초로 구현하고 직물 모델에 사용된 물성치의 민감도 연구를 수행하였다. 2단 경 가스건의 시험 결과로 해석결과를 검증하였다. 본 연구는 향후 직물을 사용한 충돌 시험 및 해석 연구에 통찰력있는 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

이론/모형

식 (1)을 통하여 마찰계수가 결정되며 v는 접점에서의 물체 간 상대속도를 나타낸다. 마찰계수값은 Para-Aramid 직물의 결과를 참고하였다[3,5,6].
알루미늄 구의 소성영역을 표현하기 위해 Steinberg-Guinan 모델이 적용되었으며, 파쇄현상을 모사하기 위해 Grady spall 모델이 적용되었다. 일반적인 재료의 경우 연신률이 높아지면 강성과 강도가 높아지는 현상이 일어난다.
1과 같다. 자세한 HT-840 직물의 치수는 Lee의 현미경 이미지 결과와 공개된 치수를 참고하였다[5]. 직물의 곡면은 사인함수를 이용하여 표현하였다.

성능/효과

직물이 충돌하면서 밀리지 않도록 스틸지그와 직물의 충돌면 사이에 고무패드를 위치시키고 스틸지그를 완력기 4개를 이용하여 고정하였다. 모든 시험은 10⁰Torr 이하 수준의 진공에서 진행되었고, 공기저항으로 인한 속도감소는 무시할 만큼 작은 수준이다.
시험결과 2 m/s 이내로 속도차이가 발생하였다. 발사물의 속도를 고려할 때 충돌속도는 약 150-530 m/s 범위에서 1% 이내의 정확도를 가지는 것으로 판단되었다.
10-12의 결과로 볼 때 강성물성치의 변화가 충돌 후 속도에 많은 영향을 미치고 있음을 알 수 있다. 방향에 상관없이 강성이 증가할수록 더 많은 속도 감소가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 다만, 400 m/s에서 기준 시편의 경우 다른 섬유 방향의 강성 값들에 비해서 높은 속도 감소를 가지고 있다.

후속연구

2단 경 가스건의 시험 결과로 해석결과를 검증하였다. 본 연구는 향후 직물을 사용한 충돌 시험 및 해석 연구에 통찰력있는 기초자료로 활용될 수 있을 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Flattened roll 구조란 어떤 구조를 의미하는가?	Flattened roll 구조는 고성능 직물을 단순히 롤링하여 평평하게 위치시킨 구조인데, 이러한 특수한 구조는 구속조건을 변화시켜 방탄성능을 향상시킬 수 있음이 보고되고 있다[2].
	코오롱 인터스트리에서 개발한 고성능 섬유는 무엇인가?	고성능 섬유는 Kevlar를 비롯하여, Twaron, Dyneema, Spectra, Nomex, Zylon와 같은 폴리머 계열 섬유와 탄소섬유, 유리섬유, SiC와 같은 세라믹 계열 섬유 등이 존재한다. 국내에서는 코오롱 인터스트리에서 Heracron이라는 섬유를 개발하여 판매하고 있다. 이러한 고성능 섬유들은 섬유방향으로의 물성치가 금속재료에 비해 매우 높다.
	고성능 섬유로 제작된 방탄 직물이 활용되는 대표분야는 무엇인가?	고성능 섬유로 제작된 방탄 직물은 다양한 산업분야에 활용되고 있다. 대표적으로 방검, 방탄 및 장갑 등의 보호용도로 사용된다. 고성능 섬유는 Kevlar를 비롯하여, Twaron, Dyneema, Spectra, Nomex, Zylon와 같은 폴리머 계열 섬유와 탄소섬유, 유리섬유, SiC와 같은 세라믹 계열 섬유 등이 존재한다.

참고문헌 (10)

Moon, J.B., Yoon, S.H., and Kim, C.G., "High Velocity Impact Test of a Hybrid Sandwich Composite Shield with Unrestrained Boundary Fabric", Composite Structures, Vol. 153, 2016, pp. 60-68.

상세보기
Kim, C.G., Kim, I.J., Lim, G., and Yoon, B.I., "The Ballistic Impact Characteristics of Woven Fabrics Impregnated with a Colloidal Suspension and Flattened Rolls", Advanced Science and Technology, Vol. 71, 2010, pp. 74-79.

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Park, Y., Baluch, A.H., Kim, Y.H., and Kim, C.G., "High Velocity Impact Characteristics of Shear Thickening Fluid Impregnated Kevlar Fabric", International Journal of Aeronautical and Space Sciences, Vol. 14, No. 2, 2013, pp. 140-145.

원문보기 상세보기
Tan, V.B.C., Tay, T.E., and Teo, W.K., "Strengthening Fabric Armour with Silica Colloidal Suspensions", International Journal of Solids and Structures, Vol. 42, No. 5-6, 2005, pp. 1561-1576.

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Lee, B.W., "Ballistic Impact Characterization of $SiO_2$ Colloidal Suspension Impregnated Fabrics and Application to Armor Systems", Doctoral Thesis, KAIST, 2009.
Park, Y., Kim, Y.H., Baluch, A.H., and Kim, C.G., "Numerical Simulation and Empirical Comparison of the High Velocity Impact of STF Impregnated Kevlar Fabric Using Friction Effects", Composite Structures, Vol. 129, 2015, pp. 284.

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Kim, Y.H., Park, Y., Cha, J.H., Ankem, V.A., and Kim, C.G., "Behavior of Shear Thickening Fluid (STF) Impregnated Fabric Composite Rear wall under Hypervelocity Impact", Composite Structures, Vol. 204, 2018, pp. 52-62.

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Cwalina, C.D., Dombrowski, R.D., McCutcheon, C.J., Christiansen, E.L., and Wagner, N.J., "MMOD Puncture Resistance of EVA Suits with Shear Thickening Fluid (STF) - Armortm Absorber Layers", Procedia Engineering, Vol. 103, 2015, pp. 97-104.

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Kim, Y.H., Choi, C., Kumar, S.K.S., Cha, J., Ankem, V.A., and Kim, C.G., "Flexible Hypervelocity Impact Shield by Dragon skin Bumper and Hybrid Fabric Rear Wall", AIAA Scitech 2019 Forum, 2019, pp. 1-8.
Erbil, Y., Eksi, A.K., and Bircan, D.A., "Spall Liner: From Fiber to Protection", 6th International Advanced Technologies Symposium (IATS'11), 2011, pp. 16-18.

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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