방폭강과 발포알루미늄을 적층한 폭압 방호구조 시뮬레이션과 전투차량 방호분석

Abstract

본 연구에서는 차륜형장갑차량의 폭발물 방호성능 달성을 위하여, 효과적인 폭압분산을 위한 소재적층구조 및 Semi-V 하부형상 그리고 지상고 높이가 제안되었다. 지상고는 현가장치가 수용가능한 높이인 400mm, 500mm, 600mm에 대해 폭파 시뮬레이션을 수행하여, 적절한 TNT 방호를 위해서는 600mm가 최적의 지상고 높이임을 확인 하였다. 차체구조하부 형상변수 고려를 위해 COUPLING 기법이 적용되어 시뮬레이션이 수행되었으며, 차체하부구조의 취약부는 폭발물의 수직방향 상부이며 그 이외 부위는 반사된 폭압의 간접적 영향으로 폭압의 직접적 피해가 적음을 확인 할 수 있었다. 하지만 바닥판 대변형으로인해 차체구조 측면판의 파손가능성이 존재하므로, 하부 구조형상 설계시 이러한 부분이 고려된 하부 측면판 보강재의 필요성을 확인 하였다. 장갑차량 시뮬레이션 수행의 전단계로, 폭발현상을 수치해석적으로 모사하기 위한 기법들인 CONWEP기법, JWL Equation기법, COUPLING기법이 비교분석 되었으며, 단순한 판재상태의 피폭 대상물에 대해서는 CONWEP 기법을 적용하는 것이 효율적이며, 대변형을 가지거나 복잡한 형상을 가진 피폭 대상물에 대해서는 COUPLING 기법 또는 JWL Equation기법을 적절히 선정하여 사용해야 함을 확인하였다. 차체구조물의 소재로 사용되는 방폭강에 대해 변형률속도를 고려한 단순인장시험을 수행하여, 변형률속도효과 반영이 가능한 Johnson and Cook 소재모델 파라미터가 제시되었고, 제시된 파라미터가 적절함을 인장시험의 시뮬레이션 결과로 확인하였다. 또한 차체구조물 외부에 조립방식으로 적용하는 충격흡수소재인 발포알루미늄이 제안되었다. 이를 위해 압축시험을 통해 응력-변형률 선도가 확보된 발포알루미늄의 수치해석적 모사를 수행하였다. 최적 소재모델 선정을 위해 MAT_MODIFIED_HONEYCOMB, MAT_HONEYCOMB, MAT_CRUSHABLE_FOAM의 3종의 모델이 검토되었으며, 이 중 MAT_HONEYCOMB 모델이 압축시험치와 가장 유사한 결과를 가짐을 확인하여 발포알루미늄의 수치해석적 소재모델로 최종선정하였다. 제안된 방폭강과 발포알루미늄의 피폭시 거동 연구를 위해 4회의 실규모 폭파시험이 수행되어 소재변형 및 파손여부가 분석되었다. 시험결과 발포알루미늄은 방폭강의 가속도값을 감소시켜 충격흡수 소재로 적절함을 확인하였으며, 앞서 제시된 방폭강과 발포알루미늄의 소재모델과 폭발현상 모사기법을 적용하여 폭파시험에 대한 시뮬레이션을 수행하고 시험결과와 비교분석하였다. 효율적인 폭발현상 모사기법으로 CONWEP기법과 COUPLING기법 모두 적용이 가능함을 재차 확인하였고, 폭발물의 지면매설로 인한 폭압증대 효과 반영은 시험결과와 비교분석하여 환산계수 2.3이 제시되었다. 또한 방폭강 소재모델로 제시된 Johnson and Cook 파라미터는 최대변형량과 파손발생부에서 시험결과와 흡사한 거동을 보여주었으며, MAT_HONEYCOMB 발포알루미늄 모델 또한 설계변수 외적인 시험시편의 국부적 변형을 제외하면 시험치와 유사한 결과 임이 확인되어 제시된 소재모델의 적절성을 검증하였다.