SPH 해석기법을 이용한 Cu와 CP-Ti 고속 충돌 접합 단면의 형상학적 평가

박기환,강범수,김정 항공우주시스템공학회 2019 항공우주시스템공학회지 Vol.13 No.2

The existence of different thermodynamic properties results in various undesirable effects, such as thermal deformation and residual stress, in heat-welding processes. The solid-state junction, by using explosive or electromagnetic forces, i.e., high-velocity impact welding without employing heat is advantageous in joining materials with different thermodynamic properties. In the solid-state junction, the joining is performed within a short time , a high velocity and large deformations are accompanied by interfacial surfaces. The numerical analysis models play an important role in the understanding of the mechanism of high-velocity impact welding. However, in the analysis of high velocity and large deformations, the conventional Lagrangian method has low reliability due to the occurrence of entanglements. In this study, high-velocity impact welding between Cu and CP-Ti with different thermodynamic properties was performed using a un-gridded numerical method, SPH (Smoothed Particle Hydrodynamics), and interfacial morphology occurred. As a result of the analysis, the interfacial morphology was confirmed and the compared degree of shape (straight, vortex), period, length, and so on appeared differently depending on the relationship between the parameters (impact angle and speed). 열을 이용한 접합은 소재 간 열역학적 차이에 의한 열 변형 및 잔류응력 등 원하지 않은 결과를 야기한다. 폭발력 또는 전자기력을 이용한 고상 접합은 열이 사용되지 않아 열역학적 차이가 있는 소재 접합에 이점이 있다. 이때, 해당 접합은 짧은 시간 내() 이루어지며, 접합면에서 고속 및 대 변형이 동반된다. 수치해석 모델은 고속 충돌 접합 메커니즘을 이해하는 데 중요한 역할을 수행한다. 하지만 고속 및 대 변형이 나타나는 해석에서 전통적인 라그랑지안 기법은 격자 얽힘이 발생해 결과의 신뢰성이 낮다. 본 연구는 무격자 수치해석 방식의 SPH(Smoothed Particle Hydrodynamics)를 이용하여 열역학적 차이가 있는 Cu와 CP-Ti의 고속 충돌 접합을 수행하였고 경계면 결합 형상이 발생함을 확인하였다. 해석의 결과로 경계면 결합 형상이 매개변수(충돌 속도, 충돌 각도)의 관계에 따라 형상의 정도(직선, 소용돌이), 주기, 길이 등이 다르게 나타나는 것을 확인 및 비교하였다.

고속충돌에 따른 재료 파괴 및 파편의 분산거동 연구

사공재(Jae Sakong),우성충(Sung-Choong Woo),김진영(Jin-Young Kim),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2017 大韓機械學會論文集A Vol.41 No.11

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 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.

SPH 기법을 이용한 고속충돌 파편의 운동에너지와 분산거동 연구

사공재(Jae Sakong),우성충(Sung-Choong Woo),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.5

본 연구에서는 입자완화 유체동역학기법을 이용하여 고속충돌에 의해 생성된 파편 및 파편운의 분산거동을 고찰하였다. 충격구와 표적판은 모두 알루미늄 소재를 대상으로 하였으며 해석을 통해 예측한 파편운의 장축 및 단축의 길이와 참고문헌의 실험값을 비교하여 기법의 타당성을 검증하였다. 검증된 SPH 기법을 기반으로 1.5~4 km/s의 속도 범위에서 고속충돌 및 파괴 해석을 수행하였으며 이에 따른 파편의 분산 거동을 운동에너지 관점에서 평가하였다. 표적판 뒤에 배치된 관측판상에 분포된 파편의 최대 분산반경은 충돌속도가 증가함에 따라 증가하였다. 충돌시 발생하는 파편의 분산 거동을 바탕으로 손상범위 예측을 위한 경험식을 도출하였고, 파편 운동에너지의 95 %는 최대분산반경의 50 % 이내에 집중됨을 확인하였다. In this study, we investigate the dispersion behavior of debris and debris cloud generated by high-velocity impacts using the smoothed particle hydrodynamics (SPH) technique. The projectile and target plate were made of aluminum, and we confirm the validity of the SPH technique by comparing the measured major and minor axis lengths of the debris cloud in the reference with the predicted values obtained through the SPH analysis. We perform high-velocity impact and fracture analysis based on the verified SPH technique within the velocity ranges of 1.5~4 km/s, and we evaluate the dispersion behavior of debris induced by the impact in terms of its kinetic energy. The maximum dispersion radius of the debris on the witness plates located behind the target plate was increased with increasing impact velocity. We derive an empirical equation that is capable of predicting the dispersion radius, and we found that 95% of the total kinetic energy of the debris was concentrated within 50% of the maximum dispersion radius.

비상체의 충돌에 의한 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 파괴특성

남정수,김규용,김홍섭,김정현,한상휴 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.4

본 연구는 폴리비닐 알코올 섬유 및 강섬유를 체적비율로 1.5% 혼입한 고인성 섬유보강 시멘트복합체에 대한 비상체의 고속충돌시험을 실시하고, 충돌조건에 따른 파괴특성을 실험적으로 검토하는 것을 목적으로 하였다. 비상체의 충돌에 의한 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 파괴특성을 평가하기 위하여 화약압력식 충격시험장치를 활용하였으며, 충돌속도의 범위는 약 150 ~ 1,000m/s로 설정하였다. 파괴특성에 대한 평가결과, 고인성 섬유보강 시멘트복합체는 섬유를 혼입하지 않은 Plain시험체의 약 3배 이상의 비상체 운동에너지가 작용하는 범위에서도 표면관입의 파괴등급으로 평가되었으며, 시험체가 파단되지 않는 내충격성능이 확인 되었다. 또한, 충돌시험 전후에 대한 시험체의 질량감소율의 경우, Plain시험체는 비상체의 운동에너지의 증가율과 비례적인 관계를 보였지만, 고인성 섬유보강 시멘트복합체는 비상체의 운동에너지의 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 특히, 이와 같은 경향은 시험체 배면의 파괴특성과 밀접한 관계를 가지며, S시험체에 비해 PVA시험체의 배면박리 억제효율이 큰 것으로 평가되었다. 한편, 국부손상에 대한 표면관입깊이 및 배면박리깊이의 관계를 검토한 결과, 고인성 섬유보강 시멘트복합체는 Plain과 달리 시험체 단면의 중앙선을 기준으로 배면에 가까운 영역에서 배면박리가 발생하는 것을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 비상체의 충돌에 대한 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 주요 파괴거동이 검토되었으며, Plain과 비교하여 내충격성능의 향상을 명확히 확인하였다. The aim of this study is to evaluate the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites with 1.5 volume ratio of polyvinyl alcohol and steel fiber by high velocity impact of steel projectile. We used gunpowder impact facility to evaluate the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites by collision of steel projectile, and the impact velocity was from about 150 to 1,000m/s. The results of evaluation on the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites were penetration grade, which is the kinetic energy more than three times of no-fiber reinforced specimen (Plain). In addition, ductile fiber reinforced cement based composites did not occurred critical damage other than the debris. In the case of mass loss, Plain specimen was proportional to kinetic energy of steel projectile, while ductile fiber reinforced cement based composites was not significantly affected by kinetic energy of steel projectile. In particular, this tendency had a close relationship with the fracture characteristics of back side of specimens, and the scabbing inhibiting efficiency of PVA specimen was higher than S specimen. In the results of verifying relationship between front and back side calculated by local damage, scabbing occurred at the region close to the back side in the ductile fiber reinforced cement based composites unlike Plain specimen. Thus, in this study, we examined principal fracture behaviors of ductile fiber reinforced cement based composites under collision of steel projectile, and verified that impact resistance performance was improved as compared to Plain specimen.

중고속 충돌 실험을 위한 전자기력 발사장치의 설계와 제작

김홍교(Hong Kyo Kim),노학곤(Hak Gon Noh),강범수(Beom Soo Kang),김정(Jeong Kim) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.10

항공산업의 발달로 하늘에는 많은 비행기, UAV, 드론이 비행하고 있다. 비행기와 UAV는 빠른 속도로 비행하며 드론의 프로펠러는 빠른 속도로 회전하고 있다. 이렇게 빠른 속도의 비행체간의 충돌은 비행기 운항과 승객의 안전성을 위협하고, 지상에 있는 인명과 재산에 피해를 줄 수 있다. 비행체의 운항속도는 음속(340㎧) 내외이며, 프로펠러의 회전 속도는 그 보다 작은 속도 영역이다. 현재까지의 충돌 실험은 공기의 힘을 이용한 방식으로 충돌 속도를 얻었고, 공기 팽창에 따른 넓은 공간을 필요로 한다. 하지만 전자기력 발사장치는 그보다 작은 공간에서 충분한 속도를 얻을 수 있다.(~500㎧) 본 논문에서는 전자기력 발사장치의 설계와 이에 따른 제작에 관한 방법을 제시하고자 한다. Many plane, UAV and drone fly in the sky as development of aviation industry. Plane and UAV fly and drone’s propellers rotate so fast. Impact between flying objects which have high velocity threats passengers. Also the impact damages people, building and various property. Plane’s operating speed is near sound velocity(340㎧), and propeller’s rotating speed is less than that. Until now, impact experiment uses gas gun to get speed and the gun needs large space to entirely air expansion. Electromagnetic launcher, especially railgun, needs smaller space than gas gun to get enough speed about 500㎧. This paper explains electromagnetic launcher’s operating principle, shows making electromagnetic launcher design guide line and suggests that it is a better apparatus to get low-high velocity.

비상체의 충돌에 의한 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 파괴특성

남정수,김규용,김홍섭,김정현,한상휴 한국구조물진단유지관리공학회 2015 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.19 No.4

The aim of this study is to evaluate the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites with 1.5 volume ratio of polyvinyl alcohol and steel fiber by high velocity impact of steel projectile. We used gunpowder impact facility to evaluate the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites by collision of steel projectile, and the impact velocity was from about 150 to 1,000m/s. The results of evaluation on the fracture characteristics of ductile fiber reinforced cement based composites were penetration grade, which is the kinetic energy more than three times of no-fiber reinforced specimen (Plain). In addition, ductile fiber reinforced cement based composites did not occurred critical damage other than the debris. In the case of mass loss, Plain specimen was proportional to kinetic energy of steel projectile, while ductile fiber reinforced cement based composites was not significantly affected by kinetic energy of steel projectile. In particular, this tendency had a close relationship with the fracture characteristics of back side of specimens, and the scabbing inhibiting efficiency of PVA specimen was higher than S specimen. In the results of verifying relationship between front and back side calculated by local damage, scabbing occurred at the region close to the back side in the ductile fiber reinforced cement based composites unlike Plain specimen. Thus, in this study, we examined principal fracture behaviors of ductile fiber reinforced cement based composites under collision of steel projectile, and verified that impact resistance performance was improved as compared to Plain specimen. 본 연구는 폴리비닐 알코올 섬유 및 강섬유를 체적비율로 1.5% 혼입한 고인성 섬유보강 시멘트복합체에 대한 비상체의 고속충돌시험을실시하고, 충돌조건에 따른 파괴특성을 실험적으로 검토하는 것을 목적으로 하였다. 비상체의 충돌에 의한 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 파괴특성을 평가하기 위하여 화약압력식 충격시험장치를 활용하였으며, 충돌속도의 범위는 약 150 ~ 1,000m/s로 설정하였다. 파괴특성에 대한 평가결과, 고인성 섬유보강 시멘트복합체는 섬유를 혼입하지 않은 Plain시험체의 약 3배 이상의 비상체 운동에너지가 작용하는 범위에서도 표면관입의 파괴등급으로 평가되었으며, 시험체가 파단되지 않는 내충격성능이 확인 되었다. 또한, 충돌시험 전후에 대한 시험체의 질량감소율의 경우, Plain시험체는 비상체의 운동에너지의 증가율과 비례적인 관계를 보였지만, 고인성 섬유보강 시멘트복합체는 비상체의 운동에너지의 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 특히, 이와 같은 경향은 시험체 배면의 파괴특성과 밀접한 관계를 가지며, S시험체에 비해 PVA시험체의 배면박리 억제효율이 큰 것으로 평가되었다. 한편, 국부손상에 대한 표면관입깊이 및 배면박리깊이의 관계를 검토한 결과, 고인성 섬유보강 시멘트복합체는 Plain과 달리 시험체 단면의 중앙선을 기준으로 배면에 가까운 영역에서 배면박리가 발생하는것을 알 수 있었다. 본 연구를 통해 비상체의 충돌에 대한 고인성 섬유보강 시멘트복합체의 주요 파괴거동이 검토되었으며, Plain과 비교하여 내충격성능의 향상을 명확히 확인하였다.

Heracron 직물의 고속 충돌 해석

김윤호,최충현,사라스쿠마사티시쿠마,차지훈,김천곤 한국복합재료학회 2019 Composites research Vol.32 No.2

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. 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 Autodyn 을 사용하여 국산 고성능 직물인 Heracron 의 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/s 의 알루미늄 구체의 충돌시켜 전 후 속도를 측정하였다. Autodyn 프로그램을 이용하여 Heracron 직물의 고속 충돌 현상을 성공적으로 구현하였다.

복합판재의 파단 변형률 불확실성을 고려한 탄 관통 잔류속도에 대한 시험 및 수치해석

차명석(Myungseok Cha),이민형(Minhyung Lee) 대한기계학회 2016 大韓機械學會論文集A Vol.40 No.3

복합재는 재료 불균질성에 의해 고속 충돌 시 방호성능 자료가 산포한다. 본 연구에서는 다수의 충돌시험으로 복합판재 잔류속도 산포를 확보하고 수치해석으로 예측하는 방법을 정립하였다. 먼저 10개의 동일 시편으로 인장시험을 수행하여 파단변형률 산포를 얻었다. 같은 재료로 제작된 4ply([0/90]s)와 8ply([0/90/0/90]s) GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic) 복합판재에 FSP(Fragment Simulating Projectile) 고속 충돌시험을 동일 조건에서 다수 수행하여 잔류속도 산포를 얻었다. 인장시험에서 얻어진 파단 변형률 분포를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 충돌속도는 4ply와 8ply 각각 411.7m/s와 592.5m/s이다. 시험 결과와 비교하여 적절한 잔류속도의 산포를 예측할 수 있었다. 추가적으로 복합판재의 경우 Solid요소 대비 Layered Solid요소로 모델링하면 계산시간이 감소되었다. The ballistic performance data of composite materials is distributed due to material inhomogeneity. In this paper, the uncertainty in residual velocity is obtained experimentally, and a method of predicting it is established numerically for the high-speed impact of a bullet into laminated composites. First, the failure strain distribution was obtained by conducting a tensile test using 10 specimens. Next, a ballistic impact test was carried out for the impact of a fragment-simulating projectile (FSP) bullet with 4ply ([0/90]s) and 8ply ([0/90/0/90]s) glass fiber reinforced plastic (GFRP) plates. Eighteen shots were made at the same impact velocity and the residual velocities were obtained. Finally, simulations were conducted to predict the residual velocities by using the failure strain distributions that were obtained from the tensile test. For this simulation, two impact velocities were chosen at 411.7m/s (4ply) and 592.5m/s (8ply). The simulation results show that the predicted residual velocities are in close agreement with test results. Additionally, the modeling of a composite plate with layered solid elements requires less calculation time than modeling with solid elements.

방호 패널의 구성 재료 및 설치 조건에 따른 내충격 특성에 관한 연구

석원균 ( Seok Won-kyun ),김영선 ( Kim Young-sun ),이예찬 ( Lee Yae-chan ),남정수 ( Nam Jeong-soo ),김규용 ( Kim Gyu-yong ) 한국건축시공학회 2023 한국건축시공학회지 Vol.23 No.6

본 연구에서는 수소 충전소와 같은 폭발 가능성을 가진 구조물들의 안전 설계 방안으로 방호패널이 희생 부재로 설치되어 구조물의 직접적인 피해를 최소화하고 회복 탄력성을 가질 수 있어야 한다고 제시하였다. 이를 위해 비상체의 고속 충돌상황에서 방호 패널이 구조물과 밀착 또는 이격 설치되었을 때 구조물이 받는 영향을 정량적으로 평가하는데 실험의 초점을 맞추고 있다. 실험 설계는 우수한 재현성을 위해 기존에 주로 사용한 콘크리트 구조부재 대신 강판을 사용하며, 철판 배면의 변형 차이를 통해 구조부재의 충격을 비교·분석하였다. 또한, 방호 부재의 이격재로 사용한 탄성체의 물성 변화와 방호부재 및 탄성체에 따른 충격파 전달 시간의 차이가 구조부재에 미치는 영향을 조사하였다. This study suggested that protective panels should be installed as sacrificial members as a safety design method for structures with potential explosions such as hydrogen charging stations to minimize direct damage to the structure and have resilience. To this end, the focus of the experiment is on quantitatively evaluating the impact of the structure when the protection panel is installed closely or spaced apart from the structure in a high-speed collision situation of the projectile. The experimental design used steel plates instead of concrete structural members mainly used in the past for excellent reproducibility, and the impact of structural members was compared and analyzed through deformation differences on the back of the steel plate. In addition, the impact of changes in the physical properties of the elastic body used as a separation material for the protective member and the difference in shock wave transmission time according to the protective member and the elastic body on the structural member was investigated.

케블라 복합재 평판의 고속충돌 특성 수치해석

안정희 ( Jeoung Hee Ahn ),권진회 ( Jin Hwe Kweon ),최진호 ( Jin Ho Choi ) 한국복합재료학회 2009 Composites research Vol.22 No.2