Sung-Choong Woo

Toughness and fracture mechanisms of glass fiber/aluminum hybrid laminates under tensile loading

Tensile properties and fracture toughness of monolithic aluminum (Al), glass fiber reinforced plastics (GFRPs) and glass fiber/aluminum hybrid laminates (GFMLs) were examined in relation to the fracture processes of plain coupon and single-edge-notched specimens. Elastic modulus and ultimate tensile strength of GFMLs showed characteristic dependences on the kind of Al, fiber orientation and the Al/fiber layer composition ratio. Fracture toughnesses KC and GC of A-GFML-UD were comparable to those of GFRP-UD and were much superior to monolithic Al. However, GFML with a transverse crack parallel to the fiber layer deteriorated largely in toughness. Microscopic observation of the fracture zone in the vicinity of the crack tip revealed various modes of micro-cracks in the respective layers as well as fiber fractures and delamination between fiber/Al layers. Such damage advances in GFMLs dependent on the orientation of the fiber layer and the Al/fiber composition ratio strongly influenced the strength and toughness of GFMLs.

Analysis of Longitudinal Strains of Cross-ply Composite Laminates using A-EFPI Optical Fiber Sensor

The longitudinal strains (εx) of the core and the skin layers in glass fiber reinforced plastic (GFRP) cross-ply composite laminates are analyzed using embedded optical fiber sensors (OFSs) of absolute extrinsic Fabry—Perot interferometer (A-EFPI). Foil-type strain gages (SGs) bonded on both upper and lower surfaces of a specimen are employed for comparison of the strain measurement on the surface. It has been shown that the values of εx in the interior of the skin layer and the core layer measured by embedded A-EFPI sensor are lower than those of the specimen surface measured by SGs. Experimental results agree well with those from finite element analysis based on a shear lag model. Optical microscopy observation of the damage behavior around the fiber sensor by the thin-sectioning technique shows that reinforcing glass fibers protect the OFS embedded in the 0 ° skin layer, whereas the formation of transverse cracks in the 90 ° core layer substantially reduces strains at the failure of OFS embedded in the core layer.

Evaluation on Tensile Properties and Fracture Toughness of Glass Fiber/Aluminum Hybrid Laminates

Tensile properties and fracture toughness of monolithic aluminum, fiber reinforced plastics and glass fiber/aluminum hybrid laminates under tensile loads have been investigated using plain coupon and single-edge-notched specimens. Elastic modulus and ultimate tensile strength of GFMLs showed different characteristic behaviors according to the Al kind, fiber orientation and composition ratio. Fracture, toughness of A-GFML-UD which was determined by the evaluation of and based on critical load was similar to that of GFRP-UD and was much higher than monolithic Al. Therefore, A-GFML-UD presented superior fracture toughness as well as prominent damage tolerance in comparison to its constituent Al. By separating Al sheet from GFMLs after the test, optical microscope observation of fracture zone of GFRP layer in the vicinity of crack tip revealed that crack advance of GFMLs depended on the orientation of fiber layer as well as Al/fiber composition ratio.

A Study on the Kinetic Energy and Dispersion Behavior of High-velocity Impact-induced Debris Using SPH Technique

본 연구에서는 입자완화 유체동역학기법을 이용하여 고속충돌에 의해 생성된 파편 및 파편운의 분산거동을 고찰하였다. 충격구와 표적판은 모두 알루미늄 소재를 대상으로 하였으며 해석을 통해 예측한 파편운의 장축 및 단축의 길이와 참고문헌의 실험값을 비교하여 기법의 타당성을 검증하였다. 검증된 SPH 기법을 기반으로 1.5~4 km/s의 속도 범위에서 고속충돌 및 파괴 해석을 수행하였으며 이에 따른 파편의 분산 거동을 운동에너지 관점에서 평가하였다. 표적판 뒤에 배치된 관측판상에 분포된 파편의 최대 분산반경은 충돌속도가 증가함에 따라 증가하였다. 충돌시 발생하는 파편의 분산 거동을 바탕으로 손상범위 예측을 위한 경험식을 도출하였고, 파편 운동에너지의 95 %는 최대분산반경의 50 % 이내에 집중됨을 확인하였다.

Dispersion Pattern Simulation of Tungsten Impactors According to Mass and Shape of Explosives

The dispersion pattern of a near miss neutralizer has a great effect on the disablement of a threatening projectile. This study numerically investigated the dispersion pattern of cylindrical tungsten impactors by an explosion in the near miss neutralizer. The mass and shape of the explosive were considered as influencing factors on the dispersion pattern. The explosives were set using two shape models: a parallel shape with the same upper and lower thicknesses and a tapered shape with different upper and lower thicknesses. In the simulation results, the dispersed impactors formed a ring-shaped pattern on a two-dimensional plane in an arbitrary space. In addition, the fire net area increased with the explosive mass when the explosive shapes were identical. In particular, the tapered shape explosive formed a larger fire net area than the parallel shape explosive. Based on the analysis of the fire net area along with the dispersion density, both the explosive mass and shape representing the physical characteristics should be considered for controlling the dispersion pattern of impactors in a near miss neutralizer. § 이 논문은 2014년도 대한기계학회 신뢰성부문 춘계학술대회 (2014. 2. 26.-28., 제주대) 발표논문임 † Corresponding Author, twkim@hanyang.ac.kr C 2014 The Korean Society of Mechanical Engineers 사공재 · 우성충 · 배용운 · 최연진 · 차정필 · 가인한 · 김태원 1326 기존의 직격파괴(hit-to-kill) 방식의 대응체로는 완 전한 대응이 어려운 상황이다. 직격파괴 방식의 경우, 대응체와 위협체간의 정확한 충돌에 실패하 게 되면 위협체에 적절한 피해를 줄 수 없으며 또 한 정확한 충돌이 이루어진다고 해도 대응체 내부 의 소형 폭탄이 완전 파괴되지 않는 등의 한계가 있다. 따라서 이러한 한계를 극복하기 위해 위협 체를 효과적으로 무력화시키기 위한 near miss 방 식의 대응체가 개발되었다. Near miss 방식의 대 응체는 내부에 다수의 소형 충격자를 포함하며, 이 충격자들은 위협체 근방에서 폭발에 의해 비산 되어 화망(fire net)을 형성한다. 이로 인해 대응체 가 위협체를 명중시키지 못해도 충격자로 인하여 형성된 화망을 통하여 보다 효과적으로 위협체를 무력화시킬 수 있게 된다. Near miss 방식의 경우 폭발에 의해 분산된 충격 자는 특정 패턴을 형성하며 임의의 공간에 분산되 어 화망을 형성하게 되는데, 이 때 화망의 면적이 넓을수록 위협체와 충격자의 충돌 확률이 높아지 며, 또한 분산된 충격자의 밀도가 높을수록 위협 체에 치명적인 파괴를 유발할 수 있다. 따라서 near miss 방식 대응체의 위력을 효과적으로 예측 하기 위해서는 충격자가 형성하는 화망 면적과 화 망 내의 충격자 분산 밀도에 대한 분석이 반드시 이루어져야 한다. 현재까지 near miss 방식 대응체에 관한 연구가 일부 수행되었으며 Lloyd 등은 최적의 충격자 형 상 도출을 위한 실험을 수행하여 기존의 원형보다 효율이 좋은 십자형의 충격자를 설계하였다. Jo 등은 충격자의 관통 특성에 관한 연구를 수행하여 충격자의 길이 대 직경비(L/D 비)에 따라 관통 후 충격자의 잔류 질량, 잔류 속도 및 잔류 운동에너 지가 크게 변함을 확인하였다. 그러나 충격자 분 산 패턴에 대한 수치해석 기반 시뮬레이션 연구는 현재까지 전무한 실정이다. Near miss 방식 대응체에 관련된 시험은 폭약을 사용해야 하는 위험성과 넓은 범위에 걸쳐 분산되 는 충격자 분산 패턴에 대한 측정 난해성 등으로 인해 실질적인 시험기반 연구가 매우 어려운 상황 이다. 따라서 수치해석 기반 시뮬레이션 연구의 필요성이 요구되는 바, 본 연구에서는 이와 같은 near miss 방식 대응체 설계시 고려될 수 있는 변 수 중 특히 충격자 분산 패턴과 밀접한 관련이 있 는 폭약의 질량 및 형상을 주요 인자로 설정하여 이에 따른 수치해석적 분석, 평가를 수행하였다. 임의 공간에 비산하는 충격자의 분포 특성 고찰을 위해 고체-유체 연성 해석을 수행하였으며 다양한 조건 하에서 폭약 질량 및 형상과 같은 영향 인자 가 충격자의 화망 면적과 분산패턴에 미치는 영향 을 분석하였다.

Analysis of Compressive Deformation Behaviors of Aluminum Alloy Using a Split Hopkinson Pressure Bar Test with an Acoustic Emission Technique

In this study, the compressive deformation behaviors of aluminum alloy under high strain rates were investigated by means of a SHPB test. An acoustic emission (AE) technique was also employed to monitor the signals detected from the deformation during the entire impact by using an AE sensor connected to the specimen with a waveguide in real time. AE signals were analyzed in terms of AE amplitude, AE energy and peak frequency. The impacted specimen surface and side area were observed after the test to identify the particular features in the AE signal corresponding to the specific types of damage mechanisms. As the strain increased, the AE amplitude and AE energy increased whereas the AE peak frequency decreased. It was elucidated that each AE signal was closely associated with the specific damage mechanism in the material.

Compressive Deformation Behaviors of Aluminum Alloy in a SHPB Test

Structures are often subjected to various types of loading such as static, dynamic, or impact loading. Therefore, experimental and numerical methods have been employed to find adequate material properties according to the conditions. The Split-Hopkinson pressure bar (SHPB) test has frequently been used to test engineering materials, particularly those used under high strain rates. In this study, the compressive deformation behaviors of aluminum alloy under impact conditions have been investigated by means of the SHPB test. The experimental results were then compared with those of finite element analyses. It was shown that reasonably good agreement with the true stress-strain curves was obtained at strain rates ranging from 1000 to 2000 . When the strain rate increased by 30%, the peak stress in particular increased by 17%, and the strain also increased by 20%.