Analysis of cone-shaped projectile behavior during penetration into granular particles using the DEM

Abstract

In this paper, the behavior of a conical projectile in the process of penetration into particulate matter was analyzed using the discrete element method (DEM) simulation using the ABAQUS program. The frictional force term, which is a rate-independent term, and the inertial drag, a rate-related term which is proportional to the square of projectile’s velocity, are the main force terms interacting between the projectile and the particle. Simulation results show that frictional force and inertial drag obey the power law for penetration depth and that the projectile behaves differently before and after the projectile completely immerged into the particles. Based on the simulation results, the mathematical model which simplifies each force term using the penetration depth of the projectile into the granular, the half-angle of the projectile and the length of the projectile is proposed. Each simplified force term is physically described by the change in the contact area of the projectile that comes into contact with the particles during impact as the projectile penetrates the granular and fluidization of the particle resulting from dynamic collision between projectile and particles. To verify the accuracy of the mathematical model to real-lifes cases, experiments were performed using a steel projectile and ABS plastic beads. The results of the study validate the respective proposed mathematical models for the velocity-independent terms frictional and inertial drag with respect to the behavior of a conical projectile during penetration of the granular particles.|본 연구에서는 ABAQUS 프로그램을 이용한 이산요소법, 즉 DEM(Discrete Element Method) 시뮬레이션을 이용하여 입자성 물질로 침투하는 과정에서 원뿔형 투사체의 거동을 분석하였다. 속도 독립적인 항인 마찰력 항과 투사체의 속도의 제곱에 비례하는 힘의 항인 관성 항력은 투사체와 입자 사이에 상호 작용하는 주요 힘 항이다. 시뮬레이션 결과는 마찰력과 관성 항력이 침투 깊이에 대한 멱법칙을 따르고 투사체가 입자에 완전히 잠기기 전과 후에 다르게 거동함을 보여준다. DEM 시뮬레이션 결과를 바탕으로 투사체의 세분화된 침투 깊이, 투사체의 반각 및 길이를 사용하여 각 힘 항을 단순화한 수학적 모델을 제안한다. 각 단순화된 힘 항은 투사체가 과립을 관통함에 따라 충격을 받는 동안 입자와 접촉하는 투사체의 접촉 면적의 변화와 투사체와 입자 사이의 동적 충돌로 인한 입자의 유동화 개념을 이용하여 물리적으로 설명을 한다. 실제 사례에 대한 수학적 모델의 정확성을 검증하기 위해 강철 재질의 투사체와 ABS 재질의 플라스틱 비드를 이용하여 실험을 수행했다. 연구 결과는 과립형 입자가 침투하는 동안 원추형 투사체의 거동과 관련하여 속도 독립적인 항인 마찰 및 관성 항력에 대해 제안된 각각의 수학적 모델을 검증한다.