고속충돌에 따른 금속재 파편의 분산거동

사공재(Jae Sakong),우성충(Sung-Choong Woo),김진영(Jin-Young Kim),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2017 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2017 No.2

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.

에너지밀도 기반 초고속충돌 금속재 파편의 위협 예측

사공재(Jae Sakong),우성충(Sung-Choong Woo),김진영(Jin-Young Kim),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.1

초고속충돌에 따른 재료 파괴는 유체동역학적 거동을 유발하며 이는 소재 밀도에 큰 영향을 받는다. 이와 같은 초고속충돌에 의해 생성된 파편의 위협정도를 산출하고 정량화하기 위하여 파편이 비산, 타격하게 되는 관측평면을 설정, 에너지밀도 즉 평면 내 단위구획당 집중된 파편의 운동에너지에 기반한 통계적 분석을 수행하였다. 초고속충돌 해석은 비선형 해석 소프트웨어인 LS-DYNA를 이용하였으며 이를 위해 알루미늄, 강철 및 텅스텐으로 각각 구성된 위협체와 표적판을 설정하였다. 위협체를 4 km/s의 속도로 표적판과 충돌시켰으며 이를 통해 형성된 파편의 거동은 표적판 후방에 설정된 임의의 관측평면을 통해 고찰하였다. 위협면적 분석결과, 실질적으로 파편에 의해 점유되는 면적은 파편이 분산될 수 있는 최대면적의 약 45 %가 됨을 확인하였다. 또한 최대에너지밀도 값을 통하여 파편의 위협수준을 추정하였고, 고위협영역 내 에너지밀도 분포에 기반한 변동계수를 이용하여 관통, 국부손상 등과 같은 2차 손상의 유형을 평가하였다. The material fracture following a hypervelocity impact induces a hydrodynamic behavior. This behavior is greatly affected by the density of the material. To compute and quantify the threat of the debris generated by the hypervelocity impact, a witness plane hit by the dispersed debris was used. A statistical analysis based on the energy density, the kinetic energy of the debris concentration on each unit section in the witness plane, was performed. The hypervelocity impact analysis was then performed by the non-linear analysis software LS-DYNA. Here, projectiles and target plates consisting of 3 types of materials including aluminum, steel, and tungsten were used. The projectile with a velocity of 4 km/s impacted the target plate, and a witness plane was set behind the target plate to study the behavior of the debris. By analyzing the results of dispersion area, it was found that the area occupied by the debris was about 45% of the maximum area that the debris can disperse. In addition, the level of debris threat was estimated by the maximum energy density value. A type of secondary damage such as the localized fracture and penetration was analyzed by a coefficient of variation based on the energy density distribution in the danger region.

폭약 질량과 형상에 따른 텅스텐 충격자의 분산 패턴 시뮬레이션

사공재(Jae Sakong),우성충(Sung-Choong Woo),배용운(Yong-Woon Bae),최연진(Yeoun-Jin Choi),차정필(Jung-Phil Cha),가인한(In-Han Ga),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2014 大韓機械學會論文集A Vol.38 No.12

Near miss 방식 대응체의 충격자 분산 패턴은 위협체의 무력화에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 near miss 방식 대응체의 원통형 텅스텐 충격자가 폭발에 의하여 분산될 경우 그 패턴을 수치해석적으로 분석하였다. 폭약의 질량과 형상을 충격자의 분산 패턴에 영향을 미치는 인자로 고려하였으며 두 가지 형상 모델 즉, 상부와 하부가 동일한 두께를 갖는 평행 형상과 상부 및 하부 두께가 각기 다른 테이퍼 형상으로 설정하였다. 해석 결과, 분산된 충격자는 임의 공간의 2 차원 평면상에서 고리 모양을 형성하였으며 폭약 형태가 동일한 경우 폭약 질량이 증가함에 따라 화망 면적은 증가하고, 아울러 테이퍼형상 폭약의 경우, 평행 형상의 폭약에 비해 큰 화망 면적이 형성됨을 확인하였다. 화망 면적과 충격자분산 밀도 평가를 바탕으로 near miss 방식 대응체의 충격자 분산 패턴 제어를 위해서는 물리적 특성, 즉 폭약의 질량뿐 만 아니라 형상 또한 주요 설계 요소가 됨을 알 수 있었다. The dispersion pattern of a near miss neutralizer has a great effect on the disablement of a threatening projectile. This study numerically investigated the dispersion pattern of cylindrical tungsten impactors by an explosion in the near miss neutralizer. The mass and shape of the explosive were considered as influencing factors on the dispersion pattern. The explosives were set using two shape models: a parallel shape with the same upper and lower thicknesses and a tapered shape with different upper and lower thicknesses. In the simulation results, the dispersed impactors formed a ring-shaped pattern on a two-dimensional plane in an arbitrary space. In addition, the fire net area increased with the explosive mass when the explosive shapes were identical. In particular, the tapered shape explosive formed a larger fire net area than the parallel shape explosive. Based on the analysis of the fire net area along with the dispersion density, both the explosive mass and shape representing the physical characteristics should be considered for controlling the dispersion pattern of impactors in a near miss neutralizer.

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.

폭발에 의한 텅스텐 충격자의 분산 패턴 연구

사공재(Jae Sakong),우성충(Sung-Choong Woo),배용운(Yong-Woon Bae),최연진(Yeoun-Jin Choi),차정필(Jung-Phil Cha),가인한(In-Han Ga),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2014 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2014 No.2

통합 생존성 예측기술 개발

사공재(Jae Sakong),김종탁(Jong-Tak Kim),우성충(Sung-Choong Woo),박지우(Jee-Woo Park),최준홍(Joon-Hong Choi),박종서(Jong-Sou Park),김태원(Tae-Won Kim) 대한기계학회 2017 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2017 No.4

교차상관분석을 통한 위협요소와 상흔 관계 연구

한세진,사공재,김태원 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.4

Wound evidence derived from various physical threats is closely related to the direct elements of the threat. To understand the causality of threat elements and wound evidence, a finite element analysis was conducted for material behavior and damage according to the threat elements. Then, the aspect of wound evidence was analyzed based on the results. In addition, the relativeness between threat elements and wound evidence was evaluated quantitatively through a statistical comparison via the cross correlation analysis. Moreover, the shape similarity between the wound and the sectional shapes of the threat was calculated. As a result, it was confirmed that the correlation coefficient between wound evidence and the sectional shape of the threat generating it was 0.9692, indicating a very good agreement. The validity of the evaluation technique was verified by using the correlation coefficient, which was derived from the compared threats. Concludingly, the shape similarity with the threat that caused the wound evidence was higher than the other threats compared. The correlation between the threat elements and wound evidence together with the evaluation methodology of shape similarity proposed in this study could be used as a physical reasoning method in future forensic investigations. 다양한 물리적 위협으로부터 생성되는 상흔은 위협의 직접적인 요소와 밀접한 관계를 가지고 있다. 본 연구에서는 위협요소와 상흔의 인과성을 파악하기 위해 각 위협요소에 따른 재료거동과 손상을 유한요소 해석하였으며 이를 기반으로 상흔의 양상을 분석하였다. 아울러 통계학적 비교분석방법인 교차상관분석 기법을 바탕으로 위협요소와 상흔의 상관성을 정량적으로 평가하였으며 이를 위해 상흔 형상과 위협체 단면 형상 간의 형상유사도를 도출하였다. 결과를 통해 상흔과 상흔을 생성한 위협체 단면 형상 간의 상관계수가 평균 0.9692로 계산되었으며 따라서 매우 일치함을 확인하였다. 평가기법의 타당성은 비교위협체와의 상관계수를 이용하여 검증하였으며, 결론적으로 상흔을 생성한 위협체의 형상유사도가 비교위협체 보다 더 높게 나타남을 알 수 있었다. 본 연구에서 제시한 위협요소와 상흔의 상관관계 및 형상유사도 평가기법은 향후 과학수사에 있어 물리적 추론방법으로 활용될 수 있을 것으로 생각한다.

Determination of the damage mechanisms in armor structural materials via self-organizing map analysis

김종탁,사공재,우성충,김진영,김태원 대한기계학회 2018 JOURNAL OF MECHANICAL SCIENCE AND TECHNOLOGY Vol.32 No.1

Dynamic compression fracture behaviors together with damage mechanisms of materials subjected to a compressive load at a high strain rate were studied by using a Self-organizing map (SOM). The materials used for the analysis were Al5083, Rolled homogeneous armor (RHA) and tungsten heavy alloy (WHA). The deformation behavior and Acoustic emission (AE) signal were acquired through a Split Hopkinson pressure bar (SHPB)-AE coupled test. The self-organization map which is one of the artificial neural network technique was employed to classify the AE energy, amplitude, and peak frequency according to the characteristics of the signal. In addition, distributions of AE signals were represented in stress-strain curves. The correlation between AE characteristics and material damage mechanisms was investigated. Based on the results, it was found that cluster 1 with high AE energy, high amplitude and low frequency was the cluster of the AE signal generated near the yield point of the material. Cluster 3, which has the opposite tendency, was confirmed as a cluster of AE signals that occurred just before a fracture of the material. The change in the measured value can be seen depending on the strain rate and the material, but the overall tendency was similar.

Fuzzy C-Means 클러스터링 기반 상흔 분석 및 위협체 형상 예측

한세진,명재범,사공재,우성충,김태원 대한기계학회 2019 大韓機械學會論文集A Vol.43 No.12

In this paper, a forensic investigation method capable of predicting threat shapes is suggested based on the various types of damage information induced when a sharp-shaped threat pierces the human body. In this regard, the wound area and ratio of the major axis to the minor axis length generated in a ballistic gelatin, as the target, were obtained using finite element analysis according to the threat shape, impact energy, and incident angle, which were used to construct a dataset. In addition, after inputting the arbitrary damage information to the constructed dataset, a probabilistic clustering algorithm, fuzzy c-means, was applied to detect the damage information similar to the input information, and the range of threat conditions was specified. Finally, the correlation coefficient between the information of the threat shapes in the detected cluster and the input information was derived by performing a cross-correlation analysis, from which the threat shape was predicted. The validity of the prediction method was verified through six examples. In all cases, the threat condition causing the damage was confirmed to be within the range of the detected threat conditions. Furthermore, as a result of a comparison of the characteristics of the predicted threat shapes and the damage-inducing threat shape, the blade tip angle, major axis length, and short axis length, as the shape parameters of the threat, were confirmed to be appropriately predicted, with a maximum error of 6.7 %. The prediction method proposed in this study can be employed as a fundamental technology of intelligent forensic investigation that can physically infer threat and wound evidence based on the artificial neural network theory, which is effective in analyzing the causality of complex and diverse characteristics of data. 본 연구에서는 예리한 형상의 위협체가 인체에 위해를 가할 경우 발생될 수 있는 다양한 손상정보를 바탕으로 이를 유발한 초기 위협체의 형상을 예측할 수 있는 과학수사 기법을 제안하였다. 이와 관련하여 위협체의 형상, 충격에너지 및 입사각도에 따라 대상체로 설정한 모사 젤라틴에 생성되는 상흔의 면적 및 장·단축 길이 비를 유한요소해석을 통해 획득하였고, 이를 데이터 집합으로 구축하였다. 또한, 구축한 데이터 집합에 임의의 손상정보를 입력한 후, 확률론적 클러스터링 알고리즘인 fuzzy C-Means 적용을 통해 입력된 정보와 유사한 특성의 클러스터를 탐색하였으며 위협 조건의 범위를 구체화하였다. 최종적으로 형상 유사도 평가기법인 교차 상관분석을 수행하여 탐색된 클러스터의 위협체 형상정보와 입력된 정보 간의 상관계수를 획득하고 이를 바탕으로 위협체 형상을 예측하였다. 예측기법의 타당성은 6가지 예시를 통해 검증하였으며, 모든 경우에 대해 손상을 유발한 위협 조건이 탐색된 위협 조건 범위 내에 있음을 확인하였다. 또한 예측된 위협체의 형상과 손상유발 위협체 형상 간의 특성을 비교·분석한 결과, 위협체의 형상변수로 설정된 날 끝 각도와 위협체 단면의 장축 및 단축 길이가 최대 오차율 6.7%로 예측되었다. 본 연구에서 제안한 위협체 형상예측기법은 복합적이고 다양한 특성의 데이터들의 인과성 분석에 효과적인 인공신경망 이론에 기반하여 위협과 상흔을 물리적으로 추론할 수 있는 지능형 과학수사의 기반기술로 활용될 수 있을 것으로 사료된다.