다층 재료-구조의 내충격 특성에 관한 연구

Abstract

최근, 신소재의 필요성이 주목 받고 있는 가운데 각종 산업기계, 수송기계 및 군장비의 경량화는 에너지 절감 측면에서 매우 중요한 사항이 되고 있다. 이와 관련하여 충격에너지 흡수 효과를 고양함과 동시에 경량-고성능을 구현할 수 있는 다층 복합구조에 대해 특히 많은 연구가 진행되고 있으며 과학기술 선진 국가를 중심으로 부품소재의 경량화 및 성능향상을 위한 다양한 노력이 활발히 전개되고 있다. 본 연구에서는 다층-복합재료구조의 내충격 성능을 고찰하기 위해 높은 충격자 속도 하에서 탄자한계속도가 최대가 되는 재료-구조 최적화를 수행하였다. 세라믹복합재료, 고무, 알루미늄 그리고 알루미늄 폼으로 구성된 다층-복합재료구조의 최적화를 위해 Florence 모델과 Awerbuch-Bonder 모델을 연계한 통합 모델을 제시하였으며, 구속 조건으로써 적층 두께, 면밀도, 질량관성모우멘트를 함께 사용하였다. 결과에서 알 수 있듯이, 제안된 통합 모델을 통해 계산된 탄자한계속도는 유한요소해석에서의 탄자한계속도와 거의 유사함을 검증함으로써 통합 모델의 타당성을 확인하였다. 통합 모델을 바탕으로 재료-구조 최적화를 통해 설정된 다층구조는 최적화를 수행하지 않은 다층구조에 비해 약 16.8 %의 탄자한계속도 및 26.7 %의 충격흡수에너지 향상이 나타남을 알 수 있다. 면밀도 효과를 고려하여 충격흡수효율을 분석한 결과 상대적으로 알루미늄 폼이 가장 우수한 성능을 보임에 따라 알루미늄 폼이 다층-복합재료구조의 경량화에 특히 유용함을 알 수 있다.; Recently, a weight reduction of various industrial machinery, high speed transportation and military equipments is very important in view of energy saving. In order to improve the impact absorption energy with lightweight performance, the multi-layered composite structures are particularly attractive. Various endeavors for the achievement of this goal are therefore being actively performed in advanced countries. Total thickness, areal density and mass moment of inertia of materials are important material factors for structural characteristics. In this work, a material-structural optimization was performed up to the maximum ballistic limit of multi-layered composite structures under high impact velocity followed by the investigation of the influence of these factors on an impact absorption performance. A unified model combined with Florence’s and Awerbuch-Bonder’s models was used in optimizing the multi-layered composite structure consisting of CMC, rubber, aluminum and Al-foam. Total thickness, areal density and mass moment of inertia were used for the optimization constraint. As shown in the results, the ballistic limit determined from a newly developed unified model was closely similar to the finite element analysis. Additionally, the ballistic limit and impact absorption energy obtained by the optimized structure were improved approximately 16.8 % and 26.7 %, respectively comparing with a not optimized multi-layered structure. Since aluminum foam has been revealed a better performance upon impact absorption energy efficiency by the consideration of areal density, this may be regarded as a useful lightweight structures material.