유전 알고리즘을 활용한 고변형률 속도 조건에서의 Johnson-Cook 파손 모델 변수 최적화 = Optimization of Johnson-Cook Material Model Parameters under High Strain Rate Conditions via Genetic Algorithm

국문 초록 (Abstract)

항공기 엔진 케이스의 충돌에 의한 봉쇄 성능을 평가하기 위해서 는 재료 동적 거동을 고려해야 하며, 이를 위해 변형률 속도를 반영 한 Johnson-Cook 재료 모델의 적용이 필수적이다. 그러나 준·정적 시 험 기반의 Johnson-Cook 재료 모델에 대한 변수 도출 방식은 고변형 률 속도 조건에서의 거동을 충분히 반영하지 못한다. 본 연구에서는 이러한 한계를 극복하기 위해 Taylor 충돌 시험 결 과를 기반으로 유전 알고리즘을 통해 알루미늄 6061-T6의 D5를 제 외한 최적의 Johnson-Cook 파손 모델 변수를 도출하였다. 최적의 파 손 모델 변수는 D1= -0.583, D2= 1.451, D3= 0.378, D4= 0.002로 계산되었 으며, 이 값을 검증하기 위해 6 mm와 8 mm 두께의 시편에 대한 고 속 충돌 시험을 수행하여 최적 변수가 적용된 해석 결과와 비교· 분석하였다. 해석 결과, 관통 속도는 6 mm의 시편에서 165 m/s, 8 mm 시편에서 194 m/s로 계산되었다. 시험에서는 6 mm의 시편에서 167 m/s, 8 mm 시편에서 209 m/s로 계측되었다. 이때, 해석 결과는 시험 결과 대비 최대 7.18% 이내의 오차를 보였다. 또한, 두께가 6 mm인 시편과 8 mm인 시편에 대해 각각 182 m/s와 219 m/s의 완전 관통 조건에서 해 석을 수행한 결과, 각 두께의 시편에 대해 24.70 mm와 24.50 mm의 관통 직경을 산출하였다. 시험에서는 6 mm 시편에서 24.76 mm, 8 mm 시편에서 23.80 mm로 측정되었다. 이때, 해석 결과는 시험 결과 대 비 최대 2.94% 이내의 오차를 보였다. 이렇게 도출된 오차는 고속 충돌 연구 분야에서 허용되는 오차 범위인 10% 이내에 해당하며, 이는 최적화한 변수가 적합함을 의미한다. 본 연구에서는 Taylor 충돌 시험과 유전 알고리즘을 결합하여 Johnson-Cook 재료 모델 변수 도출의 정확도를 향상시킬 수 있는 최 적화 방법을 제안하였고, 이것이 유효한 결과를 도출할 수 있음을 확인하였다. 제안된 방법은 향후 다양한 금속 재료의 Johnson-Cook 변수 최적화 과정에 효과적으로 적용 가능할 것으로 판단한다.

목차 (Table of Contents)

• 제１장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구목적과 범위 5
• 제２장 이론적 배경 7
• 2.1 변형률 속도에 따른 금속 재료의 기계적 거동 7
• 2.2 Taylor 충돌 시험 10
• 2.3 Johnson-Cook 재료 모델 12
• 2.3.1 소성 모델 12
• 2.3.2 파손 모델 15
• 2.3.3 재료 모델의 소성-파손 연계 거동 18
• 2.4 유전 알고리즘 기반 최적화 20
• 제３장 Johnson-Cook 파손 모델 변수 최적화 23
• 3.1 최적화 과정 23
• 3.2 Taylor 충돌 해석 25
• 3.3 유전 알고리즘의 구동 조건 28
• 제４장 변수 검증을 위한 평판 충돌 해석 30
• 제５장 변수 최적화 결과와 검증 34
• 5.1 Johnson-Cook 파손 변수 최적화 결과 34
• 5.1.1 최적화 과정과 적합도 평가 34
• 5.1.2 파손 모델 변수의 비교·분석 38
• 5.2 Johnson-Cook 파손 모델 변수 검증 41
• 5.2.1 최적화된 변수 적용 고속 충돌 해석 41
• 5.2.2 해석 결과 검증 44
• 제６장 결 론 53
• 참 고 문 헌 55
• ABSTRACT 60