드로잉 가공 성형폭약용기를 이용한 강재구조 발파공법에서 사용폭약의 종류가 절단성능에 미치는 영향 Influence of the Charged Explosives on the Steel Plate Cutting Performance in Bent-Shaped Charge Holder Blasting원문보기
경제성장과 함께 급증한 산업구조물이 노후화됨에 따라 철 구조물 해체 수요가 증가하고 있으며, 선형 성형폭약의 관통 성능개선에 관한 연구가 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 자체 제작한 성형폭약 장약 용기 내 사용하는 폭약의 종류와 기폭방식이 강재 절단 성능에 미치는 영향과 근접한 성형폭약에 미치는 영향에 대한 수치해석적인 분석을 수행하였다. 수치해석에는 폭발에 의한 재료의 대변형 해석이 가능한 ANSYS사 LS-DYNA를 사용하였으며 기체, 액체, 고체의 유동해석에 특화된 ALE(Arbitrary-Lagrange-Eulerian) 모델이 적용된다.
경제성장과 함께 급증한 산업구조물이 노후화됨에 따라 철 구조물 해체 수요가 증가하고 있으며, 선형 성형폭약의 관통 성능개선에 관한 연구가 관심을 받고 있다. 본 연구에서는 자체 제작한 성형폭약 장약 용기 내 사용하는 폭약의 종류와 기폭방식이 강재 절단 성능에 미치는 영향과 근접한 성형폭약에 미치는 영향에 대한 수치해석적인 분석을 수행하였다. 수치해석에는 폭발에 의한 재료의 대변형 해석이 가능한 ANSYS사 LS-DYNA를 사용하였으며 기체, 액체, 고체의 유동해석에 특화된 ALE(Arbitrary-Lagrange-Eulerian) 모델이 적용된다.
As the national economic growth and the rapid increase in industrial structures are aging, the demand for removing steel structures is increasing, and research on improving the penetration performance of the linear shape charge explosives. In the study, numerical analyses were performed on the effec...
As the national economic growth and the rapid increase in industrial structures are aging, the demand for removing steel structures is increasing, and research on improving the penetration performance of the linear shape charge explosives. In the study, numerical analyses were performed on the effect of the type of explosive used in the self-made shape charging container and the initiation method on the cutting performance of the steel plate and the effect on the shaped explosive installed close to it. ANSYS LS-DYNA, which can analyze the large deformation problem of materials due to explosion, was used, and an ALE(Arbitrary-Lagrange-Eulerian) model was applied that enables interlocking analysis of gases, liquids, and solid.
As the national economic growth and the rapid increase in industrial structures are aging, the demand for removing steel structures is increasing, and research on improving the penetration performance of the linear shape charge explosives. In the study, numerical analyses were performed on the effect of the type of explosive used in the self-made shape charging container and the initiation method on the cutting performance of the steel plate and the effect on the shaped explosive installed close to it. ANSYS LS-DYNA, which can analyze the large deformation problem of materials due to explosion, was used, and an ALE(Arbitrary-Lagrange-Eulerian) model was applied that enables interlocking analysis of gases, liquids, and solid.
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가설 설정
(박훈 외, 2020). 그림 내 시험공시체와 같은 상태에서 성형폭약의 기폭에도 폭 선과 전자뇌관이 적용되었다는 것을 가정하고, 폭약별 금속제트의 발생은 그림 6을 적용하여 선행하여 발생한 금속제트가 다른 장약용기에 도달하여 발파실패를 야기할 수 있는 조건을 검토하였다. 그림 8 은 폭약별 금속제트의 이동 거리-시간 주시곡선을 나타내고 있으며, 도폭선과 전자뇌관의 기폭초시 오차를 점선으로 각각 표시하였다.
본연구에서는 고성능 폭약과 다른 기폭방식을 적용한 경우를 가정하여 선형 성형장약의 철판 관통성능을 해석하였다. 먼저, 고성능 폭약은 RDX와 HMX 폭약이 적용되었으며 기폭방식으로는 도폭선과 전자뇌관을 고려하였다.
그림 8 은 폭약별 금속제트의 이동 거리-시간 주시곡선을 나타내고 있으며, 도폭선과 전자뇌관의 기폭초시 오차를 점선으로 각각 표시하였다. 여기서 적용된 도폭선과 전자뇌관의 기폭초시오차는 각각 100 us, 120 us를 가정하였다(조상호 외, 2009; 조상호 외, 2011). 그림 7 의 제 1 성형폭약과 제 2 성형폭약과의 이격거리는 162mm이므로, 그림 8 내에 162mm 지점을 표기하면 폭약별 Emulsione 약 350 us, RDX는 약 175 us, HMX는 약 160 us 시각에 제 1 성형폭약의 금속 제트가 제 2 성형폭약에 도달하는 것을 알 수가 있다.
제안 방법
본연구에서는 고성능 폭약과 다른 기폭방식을 적용한 경우를 가정하여 선형 성형장약의 철판 관통성능을 해석하였다. 먼저, 고성능 폭약은 RDX와 HMX 폭약이 적용되었으며 기폭방식으로는 도폭선과 전자뇌관을 고려하였다. 관통해석은 폭발과 같은 빠른 거동의 대변형 및 유체와 고체 연성 등 해석이 가능한 ANSYS사 LS-DYNA를 사용하였으며 기체, 액체, 고체의 유동해석에 특화된 ALE(Arbitrary-Lagrange- Eulerian) 모델이 적용된다.
식 (1)의 항은 유효소성변형률에 대한 경화 효과를 나타내며, 항과 항은 동적 경화 계수로 유효 변형률 속도에 대한 경화 효과와 열적연화현상을 나타낸다. 본 수치 모사 수행에서는 열적연화현상을 무시하였고, 유효소성변형률에 대한 경화 효과와 유효 변형률 속도에 대한 경화 효과는 고려하였다. 시뮬레이션 수행 시 적용한 재료 모델의 물성은 다음 표 1과 같다.
해석 결과를 분석하여 폭약의 종류에 따른 금속제트 전파 거리와 시간 곡선을 획득하고, 도폭선 및 전자뇌관의 기폭초시오차에 의하여 근접한 장약 용기에 미칠 수 있는 영향 범위에 대하여 고찰하였다.
대상 데이터
2017년에 국외의 경우 Arch Bridge 발파 해체사례(Baofu Duan 외, 2017)가 있으며, 국내의 경우 필리핀에서 국내기업에 의해서 수행된 Sabang River Bridge 발파해체는 국부 손상된 철 구조물에 대한 대표적인 발파해체사례로 기록되어 있다(석철기 외, 2018). 당시에 시판되는 성형폭약이 부재하여 직접 제작한 장약 용기에 에멀젼 계열 폭약을 충진하여 철골 트러스 교량의 해체에 사용하였다. Molinari(2002)는성형폭약의 제트형성, 제트균열, 관통을 유한요소 시뮬레이션을 통해 수행된 바가 있다.
장약 용기는 구리재료이며 두께는 3mm, 철재 판재의 두께는 35mm이다. 사용된 폭약은 Emulsion, RDX, HMX 3종으로 하였다.
보여주고 있다. 장약 용기는 구리재료이며 두께는 3mm, 철재 판재의 두께는 35mm이다. 사용된 폭약은 Emulsion, RDX, HMX 3종으로 하였다.
이론/모형
먼저, 고성능 폭약은 RDX와 HMX 폭약이 적용되었으며 기폭방식으로는 도폭선과 전자뇌관을 고려하였다. 관통해석은 폭발과 같은 빠른 거동의 대변형 및 유체와 고체 연성 등 해석이 가능한 ANSYS사 LS-DYNA를 사용하였으며 기체, 액체, 고체의 유동해석에 특화된 ALE(Arbitrary-Lagrange- Eulerian) 모델이 적용된다.
본 연구에서는 성형장약용기 내 충진하는 폭약의 종류에 따른 철재 강판의 관통성능을 LS-DYNA 소프트웨어를 사용하여 ALE(Arbitrary-Lagrange-Eulerian) 해석 기법을 적용하였으며, 폭약의 폭발 반응 특성을 고려하기 위하여 폭약의 경험적인 방정식인 JWL (Jones-Wilkins-Lee) 상태방정식을 적용하였다.
본 연구에서는 성형장약용기 내 충진하는 폭약의 종류에 따른 철재 강판의 관통성능을 수치 해석적으로 모사하기 위하여 ALE(Arbitrary-Lagrangian-Eulerian) 해석기법이 적용되었으며, 폭약의 폭발반응 특성을 고려하기 위하여 폭약의 경험적인 방정식인 JWL(Jones-Wilkins-Lee) 상태방정식이 도입되었다. 해석 결과를 분석하여 폭약의 종류에 따른 금속제트 전파 거리와 시간 곡선을 획득하고, 도폭선 및 전자뇌관의 기폭초시오차에 의하여 근접한 장약 용기에 미칠 수 있는 영향 범위에 대하여 고찰하였다.
본연구에서는 강재절단 성형폭약의 기폭에 의한 구리라이너의 동적 거동과 탄소성 해석을 위하여, 대표적인 Johnson-Cook (JC) 재료 모델을 적용하였다. JC 구성방정식은 다음 식 (1) 과 같다.
폭약의 폭굉반응에 의한 압력, 부피 변화를 나타내기 위하여 가장 보편적으로 적용되는 Jones-Wilkins_ Lee (JWL) 상태방정식을 적용하였다(Lee 외, 1968).
성능/효과
절단하는 양상을 확인하였다. Emulsion, RDX, HMX의 화살표 모양 금속제트 형성시각은 각각 40 us, 30 us, 20 us로 확인하였으며, 금속제트가 강재 판에 도달시각을 살펴보면 70us, 50us, 40us로 확인하였다. 금속제트가 10mm 지점에서 이동속도는 각각 1, 303m/s, 1, 998m/s, 2, 344m/s, 60mm 지점에서 이동속도는 각각 1, 799m/s, 3, 314m/s, 2, 368m/s로 Emulsion의 경우 약 500m/s, RDX는 약 1, 300m/s, HMX는 약 1, 350m/s 증가하여 강재 판에 도달 직전 이동속도는 1, 828m/s, 3, 372m/s, 3, 724m/s까지 이르렀으며, 그 이후 강재를 관통하면서 속도가 급격하게 감소하였고, 강재를 관통한 이후 금속제트는 약 250m/s, 550m/s, 600m/s로 비산하였음을 확인하였다.
강재절단 성형폭약 금속제트 시뮬레이션을 통한 Emulsion의 경우 기폭 후 40us 시점에 폭약의 폭굉 반응 면은 폭약의 중간지점에 도달하였으며 70 us 이후 금속 제트가 철재 강재 판에 도달하였으며 순차적으로 폭약의 길이방향으로 금속제트가 강재 판을 관통하면서 절단하는 양상을 확인하였다. Emulsion, RDX, HMX의 화살표 모양 금속제트 형성시각은 각각 40 us, 30 us, 20 us로 확인하였으며, 금속제트가 강재 판에 도달시각을 살펴보면 70us, 50us, 40us로 확인하였다.
Emulsion, RDX, HMX의 화살표 모양 금속제트 형성시각은 각각 40 us, 30 us, 20 us로 확인하였으며, 금속제트가 강재 판에 도달시각을 살펴보면 70us, 50us, 40us로 확인하였다. 금속제트가 10mm 지점에서 이동속도는 각각 1, 303m/s, 1, 998m/s, 2, 344m/s, 60mm 지점에서 이동속도는 각각 1, 799m/s, 3, 314m/s, 2, 368m/s로 Emulsion의 경우 약 500m/s, RDX는 약 1, 300m/s, HMX는 약 1, 350m/s 증가하여 강재 판에 도달 직전 이동속도는 1, 828m/s, 3, 372m/s, 3, 724m/s까지 이르렀으며, 그 이후 강재를 관통하면서 속도가 급격하게 감소하였고, 강재를 관통한 이후 금속제트는 약 250m/s, 550m/s, 600m/s로 비산하였음을 확인하였다. 또한 금속 제트가 강재를 완전히 관통한 시각은 Emulsion의 경우 200 us, RDX는 110 us, HMX는 100 us에서 관통되는 것을 확인하였다.
금속제트가 10mm 지점에서 이동속도는 각각 1, 303m/s, 1, 998m/s, 2, 344m/s, 60mm 지점에서 이동속도는 각각 1, 799m/s, 3, 314m/s, 2, 368m/s로 Emulsion의 경우 약 500m/s, RDX는 약 1, 300m/s, HMX는 약 1, 350m/s 증가하여 강재 판에 도달 직전 이동속도는 1, 828m/s, 3, 372m/s, 3, 724m/s까지 이르렀으며, 그 이후 강재를 관통하면서 속도가 급격하게 감소하였고, 강재를 관통한 이후 금속제트는 약 250m/s, 550m/s, 600m/s로 비산하였음을 확인하였다. 또한 금속 제트가 강재를 완전히 관통한 시각은 Emulsion의 경우 200 us, RDX는 110 us, HMX는 100 us에서 관통되는 것을 확인하였다.
또한 금속 제트가 강재를 관통한 시각은 각각 Emulsion의 경우 200 us, RDX는 110 us, HMX는 100 us에서 완전히 관통되는 것으로 보이고 있다. 해석 결과에서 보여주는 금속제트의 최고속도는 통상적으로 알려진 노이만 효과에 의한 제트의 속도에 미치지 않는 수준으로, 이것은 stand-off가 짧고 두꺼운 금속 재질 라이닝을 사용한 결과로 사료된다.
후속연구
전자뇌관과 도폭선을 사용하는 경우 기폭초시 오차가 충분히 작아 금속제트의 간섭을 받지 않는 한편 수ms 이상의 지발뇌관을 사용하는 경우에는 성형폭약 상호 간에 금속 제트의 간섭이 발생하여 발파실패로 이어질 수 있다. 본 고찰에서 사용된 그림 8과 같은 금속 제트 이동변위-주시곡선은 성형장약을 이용한 강재 절단 발파해체의 안전설계에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
참고문헌 (16)
김현수, 김승곤, 송영수, 김광염, 조상호, 2011, SB 발파에서 무장약 균열 유도공의 파단면 제어 유효성에 관한 수치해석적 연구, 터널과 지하공간, Vol. 21, No. 3, pp. 235-243.
Baciu, C., Lupoae, M., 2012, Nonlinear analysis for a reinforced concrete frame structure under extreme loads, Constructii, Vol. 13, No. 1, pp. 51-61.
Dai, K., M., Katsuyama, K., Suk, C., Yang, J., Chen, P., 2007, Numerical simulation of cutting capacity of shaped charge in blasting demolition of steel construction, science and technology of energetic materials, Vol. 68, No. 6, pp. 160-166.
Duan, B., Zhou, Y., Zheng, S., Bao, M., Wang, L., Dong, J., 2017, Blasting demolition of steel structure using linear cumulative cutting technology, Advances in Mechanical Engineering, Vol. 9, No. 11, pp. 1-11.
Feng, D.L., Liu, M. B., Li, H. Q., Liu, G. R., 2013, Smoothed particle hydrodynamics modeling of linear shaped charge with jet formation and penetration effects, Computer and Fluids, Vol. 86, pp. 77-85.
Grant W.J. Mclntosh, 2014, Explosive modelling using LS-DYNA-a user's guide, pp. 5-6.
Hinrichsen, R., Moshier, M., Kurtz, A., 2014, High velocity impacts of man protable air defense systems (MANPADS) on selected targets, In 45th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics Materials Conference, p. 1947.
Johnson, G.R. and W.H. Cook, 1985, Fracture characteristics of three metals subjected to various,strains rate, temperatures and pressures, Engineering fracture mechanics, Vol. 21, No.1, pp. 31-48.
Lee, E.L., H.C. Horning and J.W. Kury, 1968, Adiabatic expansion of high explosives detonation products(TID 4500-UCRL 50422), Lawrence Livermore National Laboratory, University of California, Livermore.
Molinari, J. F., 2002, Finite element simulation of shaped charges, Finite elements in analysis and design, Vol. 38, No. 10, pp. 921-936.
Sanchidrian, J.A., Castedo, R., Lopez, L.M., Segarra, P., Santos, A.P., 2015, Determination of the for ANFO and emulsion explosives from cylinder test data, Central European journal of energetic materials, Vol. 12, No. 2, pp. 177-194.
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