아루미늄 폼의 충격거동에대한 높은 변?률 속도의 영향 : High Strain Rate Effect on Impact Behavior of Aluminum Foam :

임로스 빈 무히트

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자료유형: 학위논문

저자정보: 임로스 빈 무히트 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 심창수

발행연도: 2016

저작권: 중앙대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수1

초록· 키워드

인명 및 구조물의 안전을 위해서 방호구조의 합리적이고 경제적인 설계는 매우 중요하다. 구조물의 효과적인 방호를 위해 알루미늄 폼을 희생부재로 사용하기 위해서는 동적 혹은 높은 변형률을 유발하는 하중하에서 알루미늄 폼의 역학적 특성을 평가하는 것이 희생부재를 설계하기 위한 선결조건이다. 알루미늄 폼의 요구 두께를 정확하게 계산하는 것은 불필요한 비용을 줄이고 안전을 확보하기 위해 필요하다.
이 논문에서는 변형률 속도 효과에 따른 거동을 평가하기 위해 알루미늄 폼에 대한 실험 및 해석적 연구를 수행하였다. 에어건 실험과 홉킨스바 실험을 통해서 알루미늄 폼의 변형과 에너지 흡수능력이 실험적으로 평가되었다. 폼에 대한 정적 압축실험으로부터 비선형 재료모델을 도출하고 변형률 속도는 기존 연구결과로부터 도출하였다. 이 연구에서는 ANSYS LS-DYNA 모델에서 사용되는 변형률 속도 효과를 위한 경험식이 제안되었다. 에어건 실험과 홉킨스바 실험에 대한 외연적 유한요소해석이 수행되었다. 해석에서부터 변형률 속도 효과가 높아짐에 따라 알루미늄 폼의 밀도와 두께에 따라 항복강도 증가를 평가하였다. 다양한 속도 혹은 변형률 속도에 따른 알루미늄 폼의 필요 두께를 결정하기 위해 변수 해석을 수행하였다. 변형률 속도에 따른 최소 알루미늄 폼 두께 산정을 위해 정적 항복 강도에 곱해지는 계수를 제안하였다. 설계와 시공을 위해서 서로 다른 밀도에 따른 폼 두께의 설계 변수가 에너지 소산 능력에 대해서 제안되었다. 알루미늄 폼의 성능 수준을 알기 위해서 근접 폭파하중에 대한 이전의 연구와 비교하였다. 변형률 속도 효과를 고려하면 증가되는 에너지 소산능력에 따라 구조물에 전달하는 압력의 수준은 감소하게 된다.

Reasonable and economical design of protective structures is the prime concern to ensure the human and structural safety. In order to use an aluminum foam as a sacrificial cladding for the effective protection of the main structure, evaluation of the mechanical properties of the aluminum foam under dynamic and high strain loading is prerequisite to design it as a sacrificial panel. Moreover, precise calculation of required thickness of foam can ensure both safety to the structure and minimize the unwanted cost.
This work presents extensive experimental and numerical studies of strain rate sensitivity of closed cell aluminum foam to investigate the behavior due to the strain rate effects. Using air gun tests and Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) tests, deformation and energy absorption of the aluminum foam were investigated experimentally. From the static compression test for the foam, nonlinear material models were derived and strain rate was included from previous studies. An equation was also proposed in this study to consider the strain rate effect in the ANSYS LS-DYNA model. Explicit analyses for both the air gun test and SHPB test were conducted and experimental results were verified. From the explicit analyses, stress-strain relationships were evaluated for different thicknesses and densities of aluminum foam and yield strength increase with the increase of strain rate was also observed. In order to propose the required thickness of the aluminum foam for wide ranges of velocities and strain rates, the parametric analyses were carried out. An equation was proposed to calculate the coefficient which can be multiplied by the static yield stress values to consider the strain rate effect during calculation of the minimum required foam thickness for any velocities. For the practical design and economical construction purposes, design parameters of foam thickness for different density were also proposed based on energy absorption capabilities. To understand the performance level of aluminum foam, the concept of this study was compared with previous studies for close range blast load. Consideration of the strain rate effect reduced the transmitted pressure to the attached structure due to more energy absorption.

1. Introduction 1
1.1 Background 1
1.2 High strain rate effect on aluminum Foam 3
1.3 Research objectives 5
1.4 Organization of the thesis 6
2. Literature reviews 9
2.1 Fundamentals of blast and impact protection 9
2.1.1 Overview 9
2.1.2 Protective system 10
2.2 Aluminum foam as a sacrificial panel 14
2.3 Impact behavior testing of aluminum foam 15
2.4 Closed cell aluminum foam 26
2.5 Compressive behavior of aluminum foam at different strain rate 30
3. Experimental program and Results 43
3.1 Overview 43
3.2 Aluminum foams fabrication 44
3.3 Mechanical properties of aluminum foams 46
3.4 High strain rate impact testing of aluminum foams 53
3.4.1 Air-gun test on aluminum foams 54
3.4.1.1 Aluminum foam sample preparation 54
3.4.1.2 Shooter details 56
3.4.1.3 Testing procedure 59
3.4.1.4 Test results and discussion 60
3.4.2 Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) test 67
3.4.2.1 SHPB Theory 68
3.4.2.2 Aluminum foam sample preparation 72
3.4.2.3 SHPB arrangement and Testing 74
3.4.2.4 Test results and discussion 78
4.Finite element analysis 91
4.1 Description of the material model 91
4.2 FE analysis of air-gun test 103
4.3 FE analysis of Split Hopkinson Pressure Bar (SHPB) test 116
5. Parametric analysis 124
6. Transmitted Pressure 141
7. Conclusions 147
References 153
국문초록 163
Acknowledgements 165

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