KR20070054628A

KR20070054628A - 파쇄 모델링

Info

Publication number: KR20070054628A
Application number: KR1020077002753A
Authority: KR
Inventors: 이안 콜스; 그라함 반스; 리차드 로버츠; 제임스 앤더슨
Original assignee: 엔지뉴이티 리미티드
Priority date: 2004-07-02
Filing date: 2005-07-04
Publication date: 2007-05-29
Also published as: RU2007103231A; NO20070639L; DE05757421T1; JP4980902B2; CA2572704A1; IL180510A0; AU2005258950A1; IL180510A; ES2424153T3; WO2006003438A2; BRPI0512917A; EP1782297B1; JP2008505416A; EP1782297A2; WO2006003438A3

Abstract

파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법은 충격 도중 상기 재료의 유한 요소의 하나 이상의 층에 대하여 상기 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로 처리될 것인지 결정하는 단계를 포함한다. 만일 상기 요소 또는 층이 파괴되는 것으로 결정되면, 구조물의 부하 수용부를 정의하고 진행 저항을 나타냄에 따라 수반되는 계산을 목적으로 상기 부하 수용부를 처리한다.

모델링, 유한요소, 분석, 충돌시험, 복합재료, 자동차

Description

파쇄 모델링{Crush Modeling}

본 발명은 특히 충격 하의 복합재료 차체 부품들의 관점에서 그러나 이것에 한정되지 않고, 파쇄되는 재료들의 거동(behaviour)을 모델링(modeling)하기 위한 방법, 장치 및 소프트웨어에 관한 것이다.

섬유강화 복합재료들, 특히 탄소섬유 복합재료들이 자동차 산업에 일대 혁명을 일으킬 커다란 잠재력을 가진다는 것은 오랫동안 인식되어 왔다. 복합재료들은 금속재 등가물들, 심지어 알루미늄에 비해서도 매우 가벼울 뿐만 아니라, 다수의 용접형 금속 스탬핑들(welded metal stampings)과 같은 동일한 작업을 할 수 있는 복잡한 형상으로 형성될 수 있다는 것이 잘 알려져 있다.

복합재료들은 또한 충격시 많은 양의 에너지를 흡수할 수 있는 능력을 가지며, 이는 복합재료들이 자동차, 철도 또는 공공기술 분야들(civil applications)에 이상적이게 한다. 예를 들어, 강철(steel)은 킬로그램당 20 킬로주울(Kilojoules)만을 흡수할 수 있으며 알루미늄은 대략 킬로그램당 30 킬로주울을 흡수할 수 있는 반면, 탄소 복합재료는 킬로그램당 80 킬로주울까지 흡수할 수 있다.

더욱이, 금속 구조물과 달리, 파쇄된 재료는 에너지를 흡수한 후 매우 작은 잔류강도(residual strength)를 가진다. 대신, 복합재료는 본질적으로 파쇄된 다 음 작은 파편 조각들 및 느슨하게 연결된 섬유들로 변환되며, 이는 동등한 금속 구조물에 있어서 보다 적은 공간이 필요하다는 것을 의미한다. 이는 금속 구조물 공간이 좌굴된 금속(buckled metal)을 수용하도록 설계된 충격 흡수대(crumple zone)에 반드시 구비되어야 하기 때문이다.

그러므로, 대량생산되는 자동차에 있어서 탄소섬유 복합재료와 같은 복합재료들을 사용하는 것에 대한 매우 큰 인센티브가 있다. 그러나, 지금까지 이들은 최고급 스포츠카, 모터스포츠 및 대량생산되는 자동차의 작고, 중요하지 않은 부품들과 같이 매우 한정된 분야에만 사용되어 왔다.

복합재료들의 현재 두 개의 큰 단점들은 이들이 비교적 비싸고 긴 제조 주기를 가진다는 점이다. 그러나, 자동차 산업에 있어서 그들의 광범위한 사용에 대해 여전히 남아있는 매우 큰 장벽은 충격에 있어서 그 성능을 모델링할 수 있는 능력이다. 물론, 이는 가능한 한 안전하고 충돌시 예측가능한 방법으로 거동할 차량들을 설계하기 위하여 필수적이다. 비록 시작품(prototype)을 제작하여 충돌 성능 테스트를 수행할 수 있지만, 이는 극히 비쌀 뿐만 아니라 기본 설계를 검증하고 구속 장치(restraint systems)를 보정하기 위한 설계의 후기 단계에서만 실제적으로 실행될 수 있다. 금속으로 만들어진 차량 설계의 앞선 단계들에서, 다양한 금속 부품들의 거동과 상호작용을 모델링하고 충격시의 성능을 예측하는데 유한요소분석법(finite element analysis)이 사용된다. 이는 비싼 시작품을 제조하여 테스트하는데 훨씬 낮은 신뢰성을 가지는 컴퓨터 모델링을 이용하여 설계들이 제안되고, 테스트되며 그리고 수정될 수 있다는 것을 의미한다.

그러나, 복합재료들과 같은 파쇄성 재료들에 대해서는 현재 이러한 접근이 이루어지지 않고 있다. 그 이유는 복합재료들이 금속 구조물들과는 매우 다른 메커니즘에 의해 에너지를 흡수하기 때문이다. 금속 구조물들은, 우수한 효과에 대한 응력-변형 곡선(stress vs strain curve)에 의해 특징지어질 수 있는, 금속의 국부적인 좌굴에 의해 시작되는 금속의 소성 접힘에 의해 에너지를 흡수한다. 한계점에서, 찢어짐(tearing) 또는 취성 파괴(brittle fracture)일 수 있는 최종 파괴는 요소가 비록 그 초기 부피가 본질적으로 변화되지 않더라도 부하를 전달할 수 없게 한다.

그러나, 미시적인 규모에서 복합 재료들과 같은 일부 재료들은 모재균열(matrix cracking), 섬유 좌굴 및 파손(fiber buckling and fracture), 마찰 발열 등에 의한 재료의 국부적 파쇄에 의해 에너지를 흡수한다. 거시적 규모에서 보면, 재료는 본질적으로 계속적인 충격에 의해 파쇄되거나 소실(consumed)되고, 구조 재료가 파편으로 바뀌는 것에 따라 재료의 부피는 줄어든다.

복합재료들의 충돌 성능을 모델링하는 만족스러운 방법은 존재하지 않는 것으로 당업계에서 널리 인식되어 있다. 기존의 유한요소 분석법은 적절한 파괴 스트레스값에 도달할 때까지 그것들의 본래 모습(integrity)을 유지하면서 전체 요소 또는 그것들의 별도의 층들을 처리하는 것에 의해 복합재료의 요소들을 처리하는 경향이 있으며, 그 후 요소나 층은 단순히 분석으로부터 삭제되거나 또는 소정 주기로 분석으로부터 삭제된다. 전형적인 일 예에 있어서, 이는 요소가 원래 가장자리 길이의 단지 5%를 가지고 삭제되어 압축되는 것을 초래할 수도 있다. 통상의 유한요소 계산법은 본질적으로 매우 큰 부피 변화를 처리할 수 없고, 그러므로 실제로는 재료의 비충돌 부피(unimpinged volume)가 여전히 에너지를 흡수하기에 매우 큰 용량을 가지는 요소를 파괴한다(catastophically fail). 이는 이러한 기법들에 기초한 분석 결과가, 충격시의 구조물들 예를 들어 자동차들의 성능을 예측하는데 그것들이 신뢰될 수 없을 정도로, 실제 실험 결과와 만족스럽게 서로 관련되지 않는 효과를 가진다.

이는 명백히 통상의 기법들의 심각한 단점이며, 실제로 복합재료들이 사용되지 않거나 그것이 사용되는 몇몇의 경우들에서는, 요구되는 최소 레벨의 성능을 보증하도록 구조물이 충분히 과잉 엔지니어링(over-engineered)되어야 하거나, 성능을 평가하기 위하여 과도하게 많은 시간과 비용이 소모되는 광범위한 시작품 제작과 테스트가 필요하다는 것을 의미한다.

그러므로, 충격 도중의 복합재료들의 성능을 신뢰성 있게 예측할 필요가 있다.

제 1 양태의 관점에서 볼 때, 본 발명은 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법으로서, 충격 도중 상기 재료의 유한 요소의 하나 이상의 층에 대하여 상기 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로 처리될 것인지 결정하는 단계; 및 만일 상기 요소 또는 층이 파괴되는 것으로 결정되면, 구조물의 부하 수용부(load-bearing portion)를 정의하고 진행 저항(ongoing resistance)을 나타냄에 따라 수반되는 계산을 목적으로 상기 부하 수용부를 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법을 제공한다.

제 2 양태의 관점에서 볼 때, 본 발명은 적당한 데이터 처리 수단에서 실행될 때, 충격 도중 상기 재료의 유한 요소의 하나 이상의 층에 대하여 상기 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로 처리될 것인지 결정하고, 만일 상기 요소 또는 층이 파괴되는 것으로 결정되면, 구조물의 부하 수용부를 정의하고 진행 저항을 나타냄에 따라 수반되는 계산을 목적으로 상기 부하 수용부를 처리하는 것에 의해 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 컴퓨터 소프트웨어를 제공한다.

다른 양태의 관점에서 볼 때, 본 발명은 충격 도중 상기 재료의 유한 요소의 하나 이상의 층에 대하여 상기 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로 처리될 것인지 결정하고, 만일 상기 요소 또는 층이 파괴되는 것으로 결정되면, 구조물의 부하 수용부를 정의하고 진행 저항을 나타냄에 따라 수반되는 계산을 목적으로 상기 부하 수용부를 처리하는 것에 의해 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하도록 프로그램된 데이터 처리 장치를 제공한다.

발명자들은 파쇄 도중 파쇄성 재료들의 실질적인 파괴 모드는 요소나 층을 전체로서 단일의 급격한 파괴를 받도록 하기보다 파쇄 정면(crush front)에서 요소 또는 층의 연속적인 소진을 통해 진행 저항을 줌으로써 근사치를 구할 수 있다는 것을 알았다.

발명자들은 본 발명에 따른 접근이 재료가 파쇄당하는 환경에서 보다 더 신뢰성 있고 정확한 결과를 준다는 것을 알았다.

일반적으로 요소 또는 층에 대해 반환되는 저항력은 최대 파괴 스트레스가 아니라 재료 이론으로부터 계산되거나 경험적으로 결정될 수도 있는 다소 낮은 값이라는 점을 인식해야 할 것이다. 특정의 일 예를 들자면, 강화된 수지 시스템에서의 T300과 같은 전형적인 고강도 탄소 복합재료에 대한 압축파괴 스트레스는 600N/mm²(Newtons per square millimeter)의 차수(order)이다. 그러나, 재료가 연속적으로 파쇄되면, 충격기에 대한 저항은 100N/mm²의 차수(order), 즉 대략 최대 압축 강도값의 1/6이다.

그러므로, 본 발명은 실제로 파쇄를 당할 - 즉 요소의 소진된 길이를 통해 저항력을 반환하게끔 결정되는 요소들에 대하여 새로운 파괴 모드를 효과적으로 부가한다. 파쇄 정면은 비록 그것이 필수적이지는 않지만 단순히 구조물이 충돌하는 장벽의 정면일 수 있으며, 예를 들어 장벽과 관련하여 고정된 관계에 있는 한정된 다른 어떤 곳으로 대체될 수 있다.

파쇄에 의해 파괴되는 것으로 결정되는 요소 또는 층은 삭제될 수 있고, 진행 저항은 삭제된 요소 또는 층에 인접한 하나 이상의 요소나 층 및/또는 구조물의 다른 부하 수용부에 적용된다. 바람직하게는, 부하 수용부는 파쇄되는 요소나 층 자체의 일부이다. 예를 들어, 요소나 층은 크기가 조절되거나 재정의(예를 들어, 분할(splitting)에 의해)될 수 있으며, 진행 저항은 일체의 또는 각(the or each) 새로운 요소 또는 층에 걸쳐 분포된다. 상술한 대안 모두에 있어서, 장벽은 불침투성(경계에서의 계산의 어려움을 회피하기 위한 최소한의 침투의 허용은 가급적 제외하고)으로 효과적으로 처리된다. 그러므로, 장벽에 인접한 요소 또는 층의 노드들(nodes)이 통과하는 것이 방지된다. 그러나, 두 가능성 모두는 분석 강성 장벽들이 불침투성으로 효과적으로 처리되어 분석 요소들 또는 층들이 파괴 스트레스에 도달할 때까지 장벽에 대해 단순히 압축되고 이 요소들 또는 층들이 잔류 효과 없이 삭제되는 통상의 유한 요소법과 대조적이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 파쇄 정면은 파쇄 정면을 "통과하는(passes through)" 요소 또는 층에 의해 점유되는 공간을 위하여 요소들 또는 층들을 가로질러 진행할 수 있게 한다.

저항은 대체로 고정값이 아니고 오히려 요소 또는 층에 관한 하나 이상의 파라메터의 함수일 수도 있다. 바람직한 일 예에 있어서, 저항은 파쇄 정면을 따라 파쇄되는 요소 또는 층의 두께의 함수이다. 부가적으로 또는 대안적으로, 저항은 바람직하게는 파쇄 정면에서의 접촉 면적에 좌우된다. 바람직하게는 주어진 요소에 대하여 저항력의 실제값은 접촉면적의 상수 함수(constant function)이다. 가장 단순한 경우에 있어서, 저항력은 비록 이것이 필수적이지는 않지만, 접촉 면적에 정비례할 수 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, 파쇄성 재료가 복합재료인 곳에서, 저항은 복합재료 층들의 레이업(lay-up) 함수, 예를 들어 층들의 차수로서 결정될 수도 있다.

더욱이, 본 발명의 바람직한 실시예들에 있어서, 파쇄 저항은 또한 문제의 요소 또는 층을 타격하는 충격기 또는 그것에 주어지는 회전량이 갖는 속도 및/또는 각도와 같은 충격에 관한 하나 이상의 동적 파라메터의 함수이다.

요소/층 및/또는 동적 파라메터들을 가진 변형물들은 이론에 의해, 경험에 의해 또는 둘 다에 의해 결정될 수도 있다. 이러한 변형물들이 이론적으로 결정되더라도, 이는 대응하는 베이스값(base value)도 그렇게 결정된다는 것을 의미하지는 않으며 반대의 경우 또한 마찬가지다. 실제적으로, 적어도 각도를 가진 파쇄 저항의 변형물은 이것이 복합 재료 층 또는 각각의 층들의 짜임(weave)에 크게 좌우되기 때문에 경험적으로 결정될 것이 예상된다.

바람직하게는 구조물의 유한 요소들 중 한 세트가 파쇄되기 쉽게 설계된다. 세트는 구조물의 모든 요소들을 포함할 수 있다. 그러나, 출원인은 충격기 바로 주변에 있는 복합재료 구조물의 비교적 작은 영역만이 파쇄당할 것임을 실험에 의한 경험으로부터 알았다. 그러므로, 바람직한 실시예들에 있어서, 요소들의 서브세트만이 파쇄되기 쉽게 설계됨으로써, 파쇄 영역을 정의한다. 따라서, 이 요소들은 본 발명의 신규한 파쇄 모드를 통해 파괴될 수 있고, 따라서 이 파괴 모드에서 그 저항이 계산될 수 있게 하는 데이터를 요구할 것이다. 파쇄 영역 바깥의 요소들은 파쇄에 의한 파괴 옵션을 가지지 않을 것이다. 그러나, 이는 파괴 저항이 결정되는 것을 허용할 데이터를 확정할 필요가 없다는 것을 의미한다. 명백히 이는, 파쇄 영역 바깥의 영역들에 대해 데이터를 확정할 필요를 제거하기 때문에, 파쇄 도중 나타나는 저항을 측정하는데 경험 데이터가 사용되는 경우에 유리하다.

본 발명에 따라 파쇄 체제(regime)에 있는 특정 유한 요소가 결정될 때, 통상의 유한 요소 분석법은 여기서 설정된 신규의 파쇄 파괴 모드를 위하여 단순히 정지될(suspended) 수 있다 - 다시 말하면 통상의 유한 요소 분석 계산법은 특정 요소 또는 층에 대해서는 단순히 수행되지 않을 것이다. 그러나, 적어도 일부의 바람직한 실시예에서, 통상의 유한요소 계산법들은 또한 요소가 파쇄되는 동안에 그 요소가 어느 때라도 전단(shear), 장력(tensile) 또는 층간(inter-layer) 파괴와 같은 통상의 파괴 모드로 인해 파괴된 것으로 계산되는 경우, 분석법은 통상의 계산법들로 복귀하기 위하여 병행하여 수행된다. 일 예를 들자면, 파쇄 저항력이 매우 큰 굽힘력(bending forces)을 일으킨다면, 요소는 파쇄되기보다 장력 스트레스의 결과로 인해 파괴될 수도 있다.

만약 파쇄 정면을 통해 요소를 미는 힘이 본 발명에 따라 계산된 저항력을 극복하기에 충분하지 못하면, 요소는 통상의 유한 요소 분석법으로 효과적으로 후퇴할 수 있다. 그러나, 요소는 유한 요소 분석 계산법들에 의해 유도되어 후기 단계에서 다시 파쇄 정면을 통과할 수 있다는 것을 인식해야 할 것이다.

분석법이 통상의 유한 요소 계산법으로 복귀하는 곳에서, 그 이후로 문제의 요소 또는 층은 파쇄될 수 없거나 낮아진 파쇄 능력을 가지는 것으로 간주될 수도 있다. 예를 들어, 문제의 요소 또는 층의 저항력은, 임의의 미래의 파쇄를 목적으로, 이전의 파쇄 단계 도중 이전에 '소진'된 그것의 양에 비례하여 감소될 수도 있다.

바람직한 바와 같이, 부하 수용부가 파쇄되는 요소 또는 층 자체의 일부인 경우, 부하 수용부는 전체 요소 또는 층일 수 있으며, 즉 저항력은 요소 또는 층을 가로지르는 분산력으로서 작용된다고 생각될 수 있다. 그러나, 정상적인 유한 요소 분석법과의 일관성을 위하여, 노드들이 부하 수용부를 포함하도록 요소의 개별 노드들에 힘을 적용하는 것이 바람직하다. 일부 실시예들에 있어서, 그 힘은 노드들 사이에서 균등하게 나누어진다. 다른 실시예들에 있어서, 그 힘은 하나 이상의 노드들을 향해 바이어스(bias)될 수도 있다. 바람직하게는, 힘은 파쇄 정면을 통과한 영역 또는 침투 거리에 의한 요소들의 양에 따른 비율로 파쇄 정면을 통과한 노드들과 통과하지 않은 노드들 사이에서 나누어진다. 예를 들면, 70%의 요소가 파쇄 정면을 통과했다면, 계산된 힘의 70%가 아직 통과하지 않은 노드들에 적용될 것이다.

요소 또는 층이 이를 제공함에 따라 처리될 파쇄 저항은, 상술한 바와 같이, 재료 이론을 이용하여 결정될 수도 있다. 그러나, 파쇄 도중 작업에서의 내부 메커니즘은 종종 매우 복잡하다. 예를 들어, 섬유 복합재료들에 있어서, 이들은 그중에서도 특히 섬유 타입과 크기, 수지의 성질, 경화 주기(cure cycle) 및 직조 스타일(weaving style)에 좌우된다. 이러한 복잡성은 종래의 파쇄 모델링에 대한 시도가 실패했던 하나의 이유이다. 그러나, 본 발명의 강점 중 하나는 정해진 세트의 거시 조건(충격기와 접촉하는 면적, 속도, 충격 각도 등)에 대하여 파쇄 저항이 단일의 거시 값에 근접하게 구해질 수 있는 것으로 판단되기 때문에 신뢰성 있는(responsible) 내부 메커니즘을 계산하거나 심지어 이해할 필요도 없다는 점이다. 그러므로, 이 값은 추후에 그것이 크고 복잡한 구조물에서 모델링될 수 있게 하는 문제의 재료의 작은 샘플들(당업계에서 "쿠폰(coupons)"으로 알려져 있음)에 대한 테스트를 수행하는 것에 의해 경험적으로 얻어질 수 있다.

본 발명에 따라, 전체 재료 두께를 포함하는 요소가 함께 모델링될 수 있거나, 또는 재료가 층들을 포함하는 경우 각 층 또는 층들의 서브그룹(sub-group)이별도로 모델링될 수 있을 것이다.

본 발명에 따라, 요소들 또는 층들이 파쇄당하는 것으로 처리되어야 할지 아닐지에 대하여 요소들 또는 층들의 분석을 위한 결정이 이루어진다. 실시예들에 있어서, 단순함을 위해 바람직하게는, 주어진 요소에 할당된 공간으로 충격기 장벽이 물리적으로 침입했는지 또는 그 반대의 경우인지 판정하는 것에 의해 결정이 이루어진다. 모델링에 의하여, 이는 임의의 요소의 노드들이 장벽 또는 다른 실시예에서의 모델 공간의 다른 지역에서 정의된 파쇄 정면을 "통과"했는지 판정하는 것과 마찬가지이다. 만일 통상의 파괴 모드를 통한 요소의 파괴가 아직 발생하지 않았고 지지 구조가 붕괴되지 않았다면, 그 후 요소가 파쇄를 당할 것으로 추론될 수 있다. 대안적인 실시예들에 있어서, 역치 파괴값(threshold failure value)과 비교되는 요소에 대하여 스트레스 또는 스트레인의 명확한 계산(explicit calculation)이 이루어진다. 그러므로, 요소는 이 역치값이 초과되면 파쇄되는 것으로 나타난다. 그러나, 요소가 파쇄당하는 것으로 결정되면, 본 발명에 따른 처리가 적용되는 것으로 결정된다.

본 발명에 따른 파쇄되는 재료의 거동을 모델링하는 능력은, 이전에 시도되었던 바와 같이, 어느 경우에 있어서도 지나치게 큰 시간 또는 연산능력이 요구되는 모델에 사용되는 유한 요소들의 크기를 과감하게 줄일 것을 요구하지 않는다. 본 발명의 방법이 나타내는 것과 같이, 파쇄력의 본질적으로 연속적인 모델을 사용하는 실제적인 장점은 금속 구조물의 동등물 분석법을 위해 채용될 수 있는 것으로서 동일한 차수(order)의 크기인 요소 크기를 허용하는 것이다.

이는 본 발명에 따라 결정되는 바와 같이, 요소가 파쇄 체제로 강제적으로 돌입되고 문제의 요소를 지지하는 구조물을 제공하는 것이 연관된 힘들에 저항할 수 있게 할때, 그 가장자리 길이는 더 이상 충격기의 벽 또는 파쇄 정면에 대해 압축되지 않지만, 돌출된 가장자리 길이, 두께 및 파쇄 저항 스트레스 등이 지시하는 벽 상에서 통과하고 저항력을 물론 받도록 효과적으로 허용되기 때문이다.

비록 본 발명의 원리들이 적용되는 많은 경우들에 있어서 충격기는 구조물을 타격하는 단단한 고체 물체일 수 있지만, 이는 필수적이지 않으며 충격기는 충분한 강도와 강성을 가지는 구조물의 다른 부분 또는 몸체를 포함할 수 있다.

바람직할 실시예들에 있어서, 비록 대안적으로 솔리드(solid) 또는 빔(beam) 또는 다른 요소들이 사용될 수도 있지만 셀 요소들(shell elements)이 채용될 수 있다.

일부의 실시예들에 있어서, 바람직하게는 예를 들어, 연산적 효율성의 이유로 충격기 벽 또는 파쇄 정면 및 문제 요소의 상대 속도는 요소가 소진되는 동안 일정한 것으로 간주된다. 그러나, 이는 필수적이지 않으며, 바람직하게는 상대 속도는 파쇄 정면이 요소를 통과하는 동안 조정될 수 있다. 바람직하게는, 저항력은 상대 속도의 소정의 함수에 따른 요소의 길이를 따라 수정될 수 있다.

동일한 고려가 요소가 소진되는 도중 회전을 허용하도록 각도 종속성에 적용된다. 대체적으로 파쇄 저항이 의존하는 임의의 파라메터들은 요소가 소진되는 도중 갱신(update)될 수 있으며, 다른 예로 두께, 진동, 온도 등이 있다.

바람직한 일부 실시예들에 있어서, 장벽 또는 다른 파쇄 정면과의 파쇄 경계면의 마찰이 특정될 수 있다. 이는 주어진 요소가 파쇄당할 만큼 충분히 안정적인지 또는 그것이 다른 메커니즘에 의해 파괴되는지에 영향을 줄 수 있으므로 유리하다.

본 발명에 따른 파쇄성 재료들을 포함하는 구조물의 충격 효과 모델링은 감쇠(damping)를 고려하지 않고 수행될 수 있다. 그러나, 바람직한 일부 실시예들에 있어서, 감쇠 계수들은 내부적, 외부적일 수 있고 또는 전체 유한요소 분석모델에 의해 전체적으로 특정될 수 있게끔 특정된다.

본 발명은 파쇄될 수 있는 임의의 재료, 즉 특정 조건 하에서 잔류 강도가 적거나 없이 붕괴되는 것에 적용될 수 있다. 일부 가능하고 비제한적인 예로서 콘크리트, 목재, 유리, 세라믹, 허니컴(honeycomb) 및 폼(foam)을 들 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예들에 있어서, 파쇄성 재료는 복합재료, 더욱 바람직하게는 강화된 강화복합재료(reinforced-reinforced composite material), 가장 바람직하게는 탄소-섬유 강화수지를 포함한다.

비록 본 발명의 원리들이, 예를 들어 원래의 분석 모델의 일부분으로서 널리 적용될 수 있지만, 바람직하게는 본 발명을 실행하는 소프트웨어가는 기존의 유한요소 모델링 패키지로 통합된다. 유한요소 모델링의 타입은 바람직하게는 비선형이며, 비록 명시적 비선형 분석법이 바람직하기는 하지만, 내재적(implicit), 명시적 또는 다른 타입의 분석 수학일 수도 있다. 일반적으로 바람직한 실시예에 있어서, 예를 들어 소프트웨어는 엠에스씨 다이트란(MSC.Dytran)(등록상표) 명시적 비선형 유한요소 분석법 소프트웨어에 통합된다.

본 발명의 바람직한 실시예는 수반된 도면을 참조하여 단지 실시예로서 기재될 수 있다.

도 1은 본 발명을 구현하는 소프트웨어의 작동을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

도 2는 복합재료의 테스트 쿠폰의 편향에 대한 저항력을 도시한 그래프이다.

도 3은 제어된 조건 하에서 충격을 받는 테스트 콘에 대한 시간에 따른 감속도를 도시한 그래프이다.

도 4는 도 3의 실험에 대한 슬레드 속도(sled velocity) 대 변위를 도시한 그래프이다.

도 5는 예측된 감속도 프로파일을 도시한 그래프이다.

도 6은 예측된 슬레드 속도를 도시한 그래프이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명의 원리에 따른 소프트웨어 작동은 엠에스씨 소프트웨어 인코포레이티드(MSC.Software Inc.)로부터 구입가능한 MSC.Dytran(등록상표) 2004 유한요소 분석법 패키지에 통합된다. 이 공지 소프트웨어는 복합재료들에 대한 파괴 스트레스 값들을 가지고 프로그램될 수 있으며, 따라서 재료의 주어진 유한 요소에 대해 스트레스가 파괴 스트레스를 초과할 때까지 힘들을 모델링하도록 시도할 수 있으며 그 결과로 요소는 삭제된다. 그러나, 이제 기술되는 본 발명의 실시예에 있어서, 소프트웨어의 기능성 중 이러한 부분은 부가 적이다. 대신, 도 1에 도시된 과정이 이어진다.

이 과정에서, 2에서 정의된 충격기 및 구조물의 파쇄될 수 있는 것으로 선택된 요소 사이에 충격이 있는 때가 우선 결정된다. 만약 접촉이 있으면, 4에서, 요소의 임의의 노드가 충격기를 침투하였는지가 결정된다. 만약 어떤 노드도 충격기를 침투하지 않았으면, 소프트웨어는 요소 스트레스가 갱신되는 6에서 다음의 주된 단계로 이동한다. 그러나, 침투가 감지되면, 7에서 소프트웨어는 노드에 연결된 요소가 파쇄되는 것으로 이미 태깅되었는지(tagged) 평가하기 위하여 이동한다. 만약 그렇지 않으면, 소프트웨어는 8에서 이 태그(tag)를 노드에 부가하고 나서, 6에서 요소 스트레스를 갱신하도록 이동한다. 만일 노드에 연결된 요소가 파쇄되는 것으로 이미 태깅되어 있다면, 9에서 추가적인 일련의 서브 루틴들이 우선 수행된다. 우선 접촉력(contact force)은 0으로 설정된다. 둘째로 파쇄 방향이 저장되고, 마지막으로 상대속도가 저장된다.

6에서 다음의 주된 단계는 요소 상의 스트레스를 갱신하는 것이다. 이를 위하여, 10에서 얼마나 많은 요소의 노드들이 파쇄되는 것으로 태깅되었는지 결정된다. 만일 요소들의 모든 노드들이 태깅되었다면, 요소는 파괴된 것으로 취급되고 따라서 12에서 추가적인 계산으로부터 제거된다. 만일, 모두가 아닌 하나 이상의 노드가 태깅되었다면, 14에서 소프트웨어는 계산될 재료 특성에 대해 올바른 방향이 결정되도록 요소 좌표계(co-ordinate system)에 파쇄 방향을 투영(project)한다. 그 후, 입력 데이터(도 2를 참조하여 하기에서 더욱 상세하게 설명함)로부터 요소의 저항 스트레스를 결정하고, 모든 요소는 파쇄되는 것으로 태깅된다.

대안적으로, 만일 평가 단계 10에서 어떤 노드도 파쇄되는 것으로 태깅되지 않는다면, 16에서 시스템은 단순히 아무것도 하지 않는다. 가능성 12, 14, 16 중 어느 것이라도 발생하면, 소프트웨어는 파쇄 접촉이 계산되는 18에서 본 과정의 제 3의 주된 단계로 이동하기 전에 통상의 유한요소 스트레스 갱신이 이루어지는 23으로 이동한다.

이 단계에서, 요소가 파쇄되는 것으로 태깅되었는지에 대해 20에서 결정이 이루어진다. 만일 요소가 태깅되지 않았으면, 과정은 도 1에 도시된 과정의 시작으로 복귀하기 전에 이전의 통상적인 분석모드에서 계속된다.

그러나, 요소가 태깅되었으면, 4개의 액션(action)이 취해진다. 우선, 요소와 충격기 사이의 교점(intersection)이 계산된다. 교점은 파쇄되는 재료의 양을 결정하기 위해 계산된다. 만일 삼각형이 꼭지점으로부터 파쇄되면, 파쇄되는 재료는 증가할 것이고, 그 결과 저항력은 요소가 장벽을 통해 소진됨에 따라 증가할 것이다. 둘째로, 파쇄 방향이 얻어지고, 셋째로, 파쇄 스트레스가 얻어지며 마지막으로 파쇄력들이 계산된다. 그리고나서, 과정은 도 1에 도시된 과정의 시작으로 복귀하기 전에 이전의 통상적인 분석모드에서 계속된다.

상술한 모델로 공급될 소정의 저항을 계산하기 위하여, 관련 복합재료의 작은 쿠폰이 파쇄 테스트를 받는다. 일례로, 60 x 30mm의 재료 영역이 평판으로부터 절단되고, 안정된 파쇄를 도모하도록 50mm 두께의 허니컴 샌드위치(honeycomb sandwich)에 접착된다. 충격기에 제공된 각 스킨(skin)의 외측 가장자리들은 파쇄의 시작 단계에서 나타나는 파쇄 저항에서의 스파이크(spike)를 최소화함으로써 초 기 파괴가 요소의 압축 파괴 성능에 대응하는 파쇄의 시작 단계에서 허니컴으로부터의 층간 분리(delamination)의 위험을 최소화하기 위해 뾰족한 가장자리를 제공하도록 약 60°로 챔퍼링(champering)된다. 허니컴 셀들은 쿠폰 파쇄 방향과 직교하도록 지향되고 따라서 큰 에너지를 흡수하지는 않지만 스킨들이 좌굴되지 않도록 보증한다. 쿠폰 대 휨(즉 파쇄되는 쿠폰의 양)에 의해 나타나는 저항력의 전형적인 플롯(plot)이 도 2에 도시되어 있다. 이로부터, 대부분의 휨 범위를 통해 힘은 비교적 일정하다는 것을 알 수 있다. 이를 위한 적당한 평균값을 취하는 것에 의해, 특정 재료에 대한 분석 모델에 사용될 저항력이 결정될 수 있다. 쿠폰이 일정한 횡단면을 가지기 때문에, 접촉면에 대한 저항력의 변화는 없다. 그러나, 이 모델에서 저항력의 실질적인 값은 접촉 길이와 정비례하는 것으로 계산된다.

이러한 쿠폰 테스트 방법이 다양한 레이업 구성들 및 각도에 대한 안정적인 파쇄 특성을 결정하는 저비용의 방법을 제공한다는 것을 알 수 있을 것이다. 따라서, 전형적으로 이러한 테스트들은 파쇄가능한 것으로 그리고 각도 범위에서 각각 임의로 모델링될 구조물에 사용되는 각각의 재료 구성에 대해 실시될 것이다.

기술된 실시예의 예시적인 적용에 있어서, T300 탄소섬유 복합재료로 된 면적이 대략 85 x 115mm이고 길이가 대략 455mm인 사각 단면의 콘 구조물(cone structure)이 단단한 장벽(rigid barrier)에 장착되었고, 단단한 슬레드(rigid sled)가 제어된 속도로 콘으로 추진되었다. 도 3은 본 실험(충격은 변위 0에서 일어남)에서 300Hz의 어퍼 컷-오프 주파수(upper cut-off frequency)를 가진 버터워스 오더4(Butterworth Order4) 로우패스 필터를 이용하여 필터링된, 측정된 트롤 리(trolley)의 감속도 대 변위를 도시한다. 이로부터 직면하는 실질적인 저항력은 트롤리의 감속도 및 그 질량으로부터 간단하게 계산될 수 있다. 도 4는 동일한 실험에 대해 슬레드 속도 대 변위를 도시한다.

콘은 도 1을 참조하여 상술된 바와 같이 수정된 Dytran 2004 소프트웨어를 이용하여 모델링되었다. 300Hz의 어퍼 컷-오프 주파수를 가진 버터워스 오더4 로우패스 필터를 이용하여 테스트 결과와 동일한 방식으로 필터링된, 예측된 감속도 프로파일은 도 5에 도시되어 있다. 이로부터, 감속도의 절대값들 및 프로파일들이 유사하다는 것을 알 수 있다. 도 6은 예측된 슬레드 속도를 도시하며, 여기서 테스트된 결과와 예측된 결과 사이에는 상당한 유사성이 존재한다. 예를 들어, 트롤리를 정지시까지 이동시키는데 걸린 거리의 예측은 327mm로 예측되었고 328mm로 측정되었는 바, 예측이 1% 이내로 정확하다는 것을 의미한다. 이는 종래의 방법들로 얻을 수 있는 것 보다 훨씬 더 정확하다.

Claims

파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법에 있어서, 충격 도중 상기 재료의 유한 요소의 하나 이상의 층에 대하여 상기 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로 처리될 것인지 결정하는 단계; 및 만일 상기 요소 또는 층이 파괴되는 것으로 결정되면, 구조물의 부하 수용부(load-bearing portion)를 정의하고 진행 저항을 나타냄에 따라 수반되는 계산을 목적으로 상기 부하 수용부를 처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 부하 수용부가 상기 요소 또는 층의 일부를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 2 항에 있어서,

파쇄 정면을 정의하고 상기 요소 또는 층이 파쇄되는 동안 상기 파쇄 정면을 통과할 수 있게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 진행 저항을 요소 또는 층의 개별 노드들에 적용하여 부하 수용부가 상기 노드들을 포함하게 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 4 항에 있어서,

파쇄 정면을 정의하고 상기 요소 또는 층이 파쇄되는 동안 상기 파쇄 정면을 통과할 수 있게 하는 단계; 및

파쇄 정면을 통과한 면적 또는 침투 거리에 의한 요소 또는 층의 양의 함수로서 파쇄 정면을 통과한 노드들과 그렇지 않은 노드들 사이에서 상기 진행 저항을 나누는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 5 항에 있어서,

파쇄 정면을 통과한 면적 또는 침투 거리에 의한 요소 또는 층의 양에 비례하여 파쇄 정면을 통과한 노드들과 그렇지 않은 노드들 사이에서 상기 진행 저항을 나누는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

충격기 장벽이 상기 요소 또는 층에 할당된 공간으로 물리적으로 침입하였는 지 결정하는 것에 의해 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로서 처리될지 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,

요소 또는 층의 스트레스 또는 스트레인을 계산하고, 상기 스트레스 또는 스트레인을 역치 파괴값과 비교하는 것에 의해 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로서 처리될지 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

파쇄 정면을 정의하고 파쇄 정면을 따라 파쇄되는 요소 또는 층의 두께의 함수로서 상기 진행 저항을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

파쇄 정면을 정의하고 파쇄 정면에서 접촉 면적의 함수로서 상기 진행 저항을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 10 항에 있어서,

주어진 요소에 대하여 상기 진행 저항은 접촉 면적의 상수 함수인 실값을 가지는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 11 항에 있어서,

접촉 면적에 정비례하는 것으로 상기 진행 저항력을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 파쇄성 재료가 다수의 층을 가지는 복합재료이며, 방법이 상기 층들의 레이업 함수로서 상기 저항을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 13 항에 있어서,

복합재료에서 상기 층들의 차수의 함수로서 상기 저항을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

충격과 관련한 하나 이상의 동적 파라메터의 함수로서 상기 진행 저항을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 15 항에 있어서,

상기 요소 또는 층이 타격되는 속도 및/또는 각도의 함수로서 상기 진행 저항을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 15 항 또는 제 16 항에 있어서,

요소 또는 층에 전달되는 회전량의 함수로서 상기 진행 저항을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

구조물의 유한 요소들의 세트를 파쇄되기 쉽게 지정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 18 항에 있어서,

상기 세트는 단지 모든 가능한 요소들의 서브세트인 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

통상의 유한요소 계산을 병행하여 수행하고, 요소 또는 층이 비파쇄 파괴 모드로 인해 파괴된 것으로 계산되는 경우 언제라도 상기 통상의 계산 단계로 복귀하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

만일 상기 요소 또는 층의 분석이 통상의 유한요소 분석법으로 복귀하면 미래의 파쇄 분석을 위해 저하된 파쇄 능력을 요소에 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유한요소들이 셀 요소들인 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유한요소들이 솔리드 요소들인 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함 하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 유한요소들이 빔 요소들인 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

파쇄 정면을 정의하고, 파쇄 정면이 요소를 통과하는 동안 충격기와 상기 요소 또는 층 사이의 상대 속도를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 23 항에 있어서,

소정의 상대 속도 함수에 따른 요소의 길이를 따라 진행 저항을 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

파쇄 정면을 정의하고, 파쇄 정면이 요소를 통과하는 동안 충격기와 상기 요소 또는 층 사이의 충격 각도를 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 27 항에 있어서,

소정의 충격 각도 함수에 따른 요소의 길이를 따라 진행 저항을 수정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

파쇄 정면을 정의하고, 요소 또는 층의 파쇄 정면과의 마찰을 특정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

재료 감쇠 계수를 특정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
선행항들 중 어느 한 항에 있어서,

상기 파쇄성 재료가 복합재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 31 항에 있어서,

상기 복합재료가 섬유강화 복합재료인 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
제 31 항에 있어서,

상기 복합재료가 탄소섬유 강화 수지인 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법에 있어서, 충격 도중 상기 재료의 유한 요소의 하나 이상의 층에 대하여 상기 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로 처리될 수 있는지 결정하는 단계; 및 만일 상기 요소 또는 층이 파괴되는 것으로 결정되면, 요소 또는 층의 소진된 길이를 통해 저항력을 반환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 방법.
적당한 데이터 처리 수단에서 실행될 때, 충격 도중 상기 재료의 유한 요소의 하나 이상의 층에 대하여 상기 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로 처리될 것인지 결정하고; 만일 상기 요소 또는 층이 파괴되는 것으로 결정되면, 구조물의 부하 수용부를 정의하고 진행 저항을 나타냄에 따라 수반되는 계산을 목적으로 상기 부하 수용부를 처리하는 것에 의해 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하는 컴퓨터 소프트웨어.
제 35 항의 소프트웨어를 포함하는 유한요소 모델링을 수행하기 위한 컴퓨터 소프트웨어.
제 36 항에 있어서,

상기 유한요소 모델링이 비선형인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 소프트웨어.
제 36 항에 있어서,

상기 유한요소 모델링이 명시적 비선형인 것을 특징으로 하는 컴퓨터 소프트웨어.
충격 도중 상기 재료의 유한 요소의 하나 이상의 층에 대하여 상기 요소 또는 층이 파쇄에 의한 파괴로 처리될 것인지 결정하고; 만일 상기 요소 또는 층이 파괴되는 것으로 결정되면, 구조물의 부하 수용부를 정의하고 진행 저항을 나타냄에 따라 수반되는 계산을 목적으로 상기 부하 수용부를 처리하는 것에 의해 파쇄성 재료를 포함하는 구조물의 충격 저항을 결정하도록 프로그램된 데이터 처리 장치.