고속충돌에 의한 내충격성 재료의 손상 및 파괴거동 연구

Abstract

본 논문에서는 고속충돌에 의한 재료 손상 및 파괴거동 연구와 관련하여 충돌 시험과 함께 재료거동 모델링에 기반한 해석을 수행하였다. 시험적 연구로서 파괴 및 비파괴를 연계한 고변형률속도에서의 충돌시험을 수행하였으며, 재료거동의 메커니즘을 분석하기 위해 인공신경망 기법을 적용한 음향방출신호 패턴을 고찰하였다. 수치해석과 관련하여 입자완화 유체동력학 이론에 기반한 적용기법의 검증과 함께 고속충돌에서의 파편분산 거동 예측에 따른 결과의 정확성을 분석하였다. 아울러 통계학적 분산분석법을 바탕으로 고속충돌에 따른 영향인자를 결정하였으며, 이를 토대로 역추적 기술에 기반된 물리량과 초기 충돌 조건을 예측하는 방법을 제시하였다. 세부 수행연구 및 결과는 다음과 같다. 우선, 고속충돌에서의 재료 손상 및 파괴 특성 연구에서 내충격성 재료로 활용되는 Al5083, RHA 및 WHA가 사용되었으며, 고변형률속도에서의 재료의 손상 및 파괴 특성을 고찰하기 위해 음향방출기법이 적용된 홉킨슨 압축봉 시험을 실시하였다. 검출된 AE 신호들 즉, 진폭, 에너지 및 최대 주파수 특성을 해당 재료의 응력과 변형률 선도와 비교하여 분석하였으며, 인공신경망 기법 중 자가 조직지도 (self-organizing map, SOM)을 적용하여 손상 메커니즘과 연계된 AE신호 패턴을 도출하였다. 이에 따라 AE 인자들의 복합적 패턴을 클러스터로 구분하였으며, 분류된 클러스터는 재료의 손상 및 파괴 특성과 밀접하게 관련됨을 확인되었다. 두 번째, 고속충돌에 의해 공간상으로 비산되는 파편의 분산 거동을 해석할 수 있는 입자완화 유체동력학 기법을 제시하였다. 기법 검증을 위해 이산화 영향의 주요 변수를 입자간 간격, 평활 길이 및 시간 간격 크기로 설정하였고, 각 변수들을 조절하여 4 km/s의 충돌속도에서 Al2024로 구성된 구형 위협체와 판재의 충돌해석을 수행하였다. 해석결과로부터 입자간 간격 0.2, 평활 길이 1.05, 및 시간 간격 크기 0.2에서 입자완화 유체동력학의 이산화영향이 최소화되었음을 확인하였다. 또한 Al6061과 스테인리스 강재가 사용된 고속충돌 시험결과와의 비교를 통해 유한요소해석과 입자완화 유체동력학 연계기법의 타당성을 검증하였다. 한편 본 연구에서 제안한 역추적 기술을 바탕으로 고속충돌에 의한 재료의 파괴거동을 체계적으로 고찰하였으며, 특히 파괴 과정과 메커니즘 분석을 통해 초기 충돌 조건 즉, 위협체의 형상과 충돌속도 등을 결정할 수 있었다. 한편 충돌속도, 위협체의 노즈 각도 및 위협체의 직경 대 길이 비의 영향이 파편분산 거동에 미치는 영향을 분석하여 기술 확립에 필요한 물리량을 구체화하였다. 아울러 위협체 형상과 구조물의 충돌시 발생되는 접촉면적의 변화를 고려하여 수정 탄도한계 방정식을 제안하였으며, 이와 같이 수정된 탄도한계 방정식을 역추적 기술에 적용하였다. 결론적으로 본 연구에서 제안한 방법론을 토대로 다양한 위협체 형상과 충돌속도 범위를 포함하는 고속충돌 초기 조건을 보다 정확하게 예측할 수 있었다.; In this paper, an analysis based on the modeling of material behavior together with high velocity impact test has been performed in conjunction with the study of damage and fracture behavior of impact resistant materials. Regarding the experimental study, the destructive-nondestructive coupled tests at high strain rates were performed, and then the mechanisms of material behaviors were investigated by means of the acoustic emission signal pattern analysis using the artificial neural network technique. In association with the numerical analysis, the validation of the method based on the smoothed particles hydrodynamics theory was carried out with the accuracy of the results according to the prediction of the debris dispersion behavior under the high velocity impact. Moreover, based on the statistical analysis of variance, influence factors of high velocity impact were determined, and in addition, the methodology for predicting the physical quantity with initial impact condition via the traceback technology was proposed. The detailed study and results were as follows. Firstly, the impact resistant materials including Al5083, RHA, and WHA were employed in the study of material damage and fracture characteristics at high velocity impact. In order to investigate the damage and fracture characteristics of the materials at high strain rate condition, the Hopkinson compression bar test coupled with the acoustic emission technique was performed. The AE amplitude, energy, and peak frequency characteristics of the detected AE signals were compared with the stress-strain diagram of the materials, and AE signal pattern associated with damage mechanism was derived by applying the self-organizing map (SOM) in artificial neural networks. As a result, the complex pattern of AE parameters was classified into clusters, and it was confirmed that the classified clusters closely related to the damage and fracture characteristics of the materials. Secondly, the smoothed particles hydrodynamics method analyzing the debris dispersion behavior which was spatially scattered by high velocity impact was proposed. For the verification of the technique, the main parameters of the discretization effect were set as the inter-particle spacing, smoothing length with time interval size, and then the impact analysis between the spherical projectile and the plate made up of Al2024 at 4 km/s impact velocity was performed by adjusting the parameter. From the analytical results, it was confirmed that the discretization effect of smoothed particles hydrodynamics was minimized at the inter-particle spacing of 0.2, the smoothing length of 1.05, and the time interval of 0.2. In addition, the validity of finite element analysis and smoothed particles hydrodynamics linkage technique in various materials was verified by comparison with the results of high velocity impact test using Al6061 and stainless steel. Furthermore, based on the traceback technology proposed in this study, the fracture behavior of materials caused by high velocity impact was systematically investigated. In particular, the initial impact conditions, such as the projectile shape and the impact velocity, can be determined in accordance with the fracture process and the mechanism analysis. The physical quantities necessary for establishing the technology were determined by analyzing the effect of the nose angle and diameter to length ratio of projectile on debris dispersion behavior. The modified ballistic limit equation was newly suggested by considering the change of the contact area caused by the impact between the projectile shape and the structure, and hence the modified ballistic limit equation was applied to the traceback technology. In conclusion, based on the methodology of this study, it was possible to predict more precisely the initial conditions of high velocity impact including various projectile shapes and impact velocity ranges.