Kim, Young A.;Woo, Kyeongsik;Cho, Hyunjun;Kim, In-Gul;Kim, Jong-Heon
International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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제16권2호
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pp.190-205
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2015
In this paper, the impact damage behavior of USN-150B carbon/epoxy composite laminates subjected to high velocity impact was studied experimentally and numerically. Square composite laminates stacked with $[45/0/-45/90]_{ns}$ quasi-symmetric and $[0/90]_{ns}$ cross-ply stacking sequences and a conical shape projectile with steel core, copper skin and lead filler were considered. First high-velocity impact tests were conducted under various test conditions. Three tests were repeated under the same impact condition. Projectile velocity before and after penetration were measured by infrared ray sensors and magnetic sensors. High-speed camera shots and C-Scan images were also taken to measure the projectile velocities and to obtain the information on the damage shapes of the projectile and the laminate specimens. Next, the numerical simulation was performed using explicit finite element code LS-DYNA. Both the projectile and the composite laminate were modeled using three-dimensional solid elements. Residual velocity history of the impact projectile and the failure shape and extents of the laminates were predicted and systematically examined. The results of this study can provide the understanding on the penetration process of laminated composites during ballistic impact, as well as the damage amount and modes. These were thought to be utilized to predict the decrease of mechanical properties and also to help mitigate impact damage of composite structures.
Recently, high-performance hybrid composite materials have been used for various industrial fields because of their superior high strength, high stiffness and lower weight. In this study, manufactured hybrid composite materials are composed of two parts. One is hard-anodized Al5083-O alloy as a face material and the other is high strength aramid fiber ($Twaron^{(R)}$ CT709) laminates as a back-up material. Resistance to penetration is determined by protection ballistic limit($V_{50}$, a static velocity with 50% probability for complete penetration) test method. $V_{50}$ tests with $0^{\circ}$obliquity at room temperature were conducted with 5.56mm ball projectiles that were able to achieve near or complete penetration during high velocity impact tests.
Effects of particle property variation of cone crack shape according to impact velocity in silicon carbide materials were investigated. The damage induced by spherical impact having different material and size was different according to materials. The size of ring cracks induced on the surface of specimen increased with increase of impact velocity within elastic contact conditions. The impact of steel particle produced larger ring cracks than that of SiC particle. In case of high impact velocity, the impact of SiC particle produced radial cracks by the elastic-plastic deformation at impact regions. Also percussion cone was formed from the back surface of specimen when particle size become large and its impact velocity exceeded a critical value. Increasing impact velocity, zenithal angle of cone cracks in SiC material was linearly decreasing not effect of impact particle size. An empirical equation, $\theta=\theta_{st}-\upsilon_p(180-\theta_{st})(\rho_p/\rho_s)^{1/2}/415$, was obtained from the test data as a function of quasi-static zenithal angle of cone crack($\theta_{st}$), the density of impact particle(${\rho}_p$) and specimen(${\rho}_s$). Applying this equation to the another materials, the variation of zenithal angle of cone crack could be predicted from the particle impact velocity.
본 연구에서는 고체추진제의 동적 응력-변형률 특성을 고찰하기 위하여 저속충격시험을 수행하였다. 저속충격시험 시 충격체(Impactor)의 하중, 변위를 측정하여 고체추진제의 동적 거동을 확인하였다. 3점 굽힘 형태의 저속충격시험을 수행하였고, 이때 발생하는 국소변위와 길이가 짧고 두께가 두꺼운 고체추진제 시편의 전단 변위를 보상하여 순수 굽힘변위를 계산하였다. 보상된 변위와 측정된 하중을 사용하여 응력과 변형률을 계산하였고 응력-변형률 곡선으로부터 고체추진제의 동적 물성을 획득하여 이를 정적 굽힘 물성과 비교하였다. 운용 환경에 따른 온도별 고체추진제의 동적 물성을 획득하기 위해 상온, 고온, 저온에서 실험을 수행하고 결과를 비교분석하였다.
This study investigated the shape deformation of ball projectile(5.56mn) under the low energy impact by the use of the drop weight impact tester. ball projectile(5.56mm) consisted of the copper face with a lead core. The impact conditions were changed with the variations of the mass and the drop height of the impact tup. Shape deformation of ball projectile(5.56mm) after low velocity impact was measured using a video microscope and CCD camera. The test result showed that impact energy by changing of drop height of the impact tup affected shape deformation of ball projectile(5.56mm). So, it is important to study the relativity between shape deformation of ball projectile(5.56mm) and ballistic protection of plate(such as hybrid composite laminates) under the high velocity impact.
본 논문에서는 Carbon/Epoxy 복합재 적층판에 대하여 실사격 실험을 수행하였으며, 복합재 적층판의 흡수에너지를 예측하기 위한 개선된 방법을 제시하였다. 고속충격실험 과정에서 충격체의 질량손실을 고속카메라를 통하여 거시적으로 확인하였으며, 따라서 이를 고려하여 복합재 적층판의 흡수에너지를 계산하였다. 고속충격을 받는 복합재 적층판의 흡수에너지를 예측하기 위한 모델을 제시하였으며, 복합재 적층판의 흡수에너지는 크게 정적에너지와 동적에너지로 분류하였다. 정적에너지 계산은 섬유의 파손과 정적 탄성에너지와 관련 있는 준정적 관통실험식을 통해 구한 관통에너지를 사용하였다. 동적에너지는 변형되는 시편의 운동에너지와 손실된 파편 질량들의 운동에너지로 나뉠 수 있다. 최종적으로 충격체 질량손실을 고려하여 예측된 흡수에너지와 실험결과를 비교/분석하였다.
The purpose of this research is to propose a model for the prediction of residual strength. For this purpose, two-paremeter model based on Caprino's is developed and formulated by the ratio of indentation due to impact and normalized residual strength. The damage zone is considered only as an indentation. Impact tests are carried out on laminated composites by steel balls. Test material is carbon/epoxy laminate. The specimens are composed of $[{\pm}45^{\circ}/0^{\circ}/90^{\circ}]_2$ and $[\pm}45^{\circ}]_4$ stacking sequence and have $0.75^T{\times}0.26^W{\times}100^L(mm) dimension. A proposed model shows a good correlation with the experimental results And failure mechanism due to high impact velocity is discussed on CFRP laminates to examine the initiation and development of damage by fractography and ultrasonic image ststem. The effect of the unidirectional ply position on the residual strength is considered here.
Occupant protection in the side impact of a car became one of the most important issues of car crashworthiness due to high injury level in a side impact crash. An accurate simulation of the side impact crash is an essential tool for the reduction of development time and cost for side impact safety system. This paper describes a new test methodology that can accurately generate the crash pulses of a vehicle and a door in a very cost-effective manner, and then evaluates the injury values of the dummy for the various sled pulses. This test methodology is simple and easy to approach because the door velocity is controlled by the hydraulic actuator and brake and the seat velocity is only adjusted by the friction force of the hydraulic brake. The superiority of the proposed test methodology is proven by the evaluation of dummy's injury values according to the change of the pressure of the hydraulic brake and by the application as a tool for the development of side airbag.
복합재는 재료 불균질성에 의해 고속 충돌 시 방호성능 자료가 산포한다. 본 연구에서는 다수의 충돌시험으로 복합판재 잔류속도 산포를 확보하고 수치해석으로 예측하는 방법을 정립하였다. 먼저 10개의 동일 시편으로 인장시험을 수행하여 파단변형률 산포를 얻었다. 같은 재료로 제작된 4ply([0/90]s)와 8ply([0/90/0/90]s) GFRP(Glass Fiber Reinforced Plastic) 복합판재에 FSP(Fragment Simulating Projectile) 고속 충돌시험을 동일 조건에서 다수 수행하여 잔류속도 산포를 얻었다. 인장시험에서 얻어진 파단 변형률 분포를 이용하여 수치해석을 수행하였다. 충돌속도는 4ply와 8ply 각각 411.7m/s와 592.5m/s이다. 시험 결과와 비교하여 적절한 잔류속도의 산포를 예측할 수 있었다. 추가적으로 복합판재의 경우 Solid요소 대비 Layered Solid요소로 모델링하면 계산시간이 감소되었다.
In this paper, we proposed the two-parameter model for predicting the residual strength in CFRP laminated composites subjected to high velocity impact and developed and formulated it based upon Cparino's by using the ratio of impact and the normalized residual strength. Critical indentation was obtained by the statical indentation tests. Impact tests were carried out through air-gun type impact equipment with the velocities varied 30-100m/sec. Projectiles were steel balls with 5 and 7mm in diameter. Test material was carbon/epoxy. The specimens were composed of [ .+-. 45 .deg. /0 .deg. /90 .deg. ]$\_$2/ and [ .+-. 45 .deg. ]$\_$4/stacking sequences and had 0.75$\^$T/*0.26$\^$W/*100$\^$L/(mm) dimension. Results from the proposed model were in good agreement with the test data. And failure mechanism due to high velocity impact is given here to examine the initation and deveolpment of damage by fractography and ultrasonic image system. The effects of the 0 .deg. -direction ply position and the amount to damage area on the residual strength are considered here.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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