KR20150064568A

KR20150064568A - 수평형 충격파 시험기

Info

Publication number: KR20150064568A
Application number: KR1020130149417A
Authority: KR
Inventors: 설창원; 김태형; 김윤재; 양명석; 이규섭
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2013-12-03
Filing date: 2013-12-03
Publication date: 2015-06-11
Also published as: KR101648700B1; US20150153246A1

Abstract

본 발명은 수중폭파환경에시 생성되는 이중 충격파를 지상에서 모사하여 시험체에 대한 충격생존성을 측정할 수 있는 수평형 충격파 시험기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기는, 시험체(S)가 탑재된 정지 질량체(M2)의 일측에 설치된 제1 충격파 형성부(10)로부터 입력되는 1차 충격파에 의해 2차 충격파가 형성되는 제2 충격파 형성부(20)와, 상기 2차 충격파의 주기와 크기를 상기 1차 충격파의 주기와 크기에 따라 가변시키도록 상기 제2 충격파 형성부를 제어하는 충격파 제어부(30)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수평형 충격파 시험기{Horizontal type pulse shock tester}

본 발명은 외부에서 가해진 충격에 따라 시험체에 가해지는 충격파를 모사하는 충격파 시험기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 수중폭파환경에시 생성되는 이중 충격파를 지상에서 모사하여 시험체에 대한 충격생존성을 측정할 수 있는 수평형 충격파 시험기에 관한 것이다.

수중폭발(Underwater Explosion: UNDEX) 환경에 노출되어 있는 수상함이나 수중함에는 충격파(Shock wave)가 영향을 미치게 되고, 이러한 충격파에 의해서 수상함이나 수중함에 실려있는 장비들 도 1에 도시된 바와 같은 1차 충격파와 반대방향의 2차 충격파가 나타나는 이중 충격파에 노출된다. 예를 들면 도 1에서 시험체에 1차 충격파가 가속도 a₁으로 시간 t₁동안 작용하는 동안 v₁의 속도로 충격파가 전달되고, 2차 충격파가 가속도 a₂로 시간 t₂동안 작용하는 동안 v₂의 속도로 충격파가 전달된다.

이러한 수중 폭발에 대하여, 수중함 또는 수상함에 설치되어있는 장비는 수중 폭발에 대한 충격생존성을 평가해야 하는데, 실제 장비와 실제 수중폭발을 이용하여 충격시험을 수행하는 것은 많은 환경적인 문제와 기술적인 문제, 많은 비용 및 시간 그리고 위험성 등으로 인하여 극히 제한적인 범위에서만 시행되고 있으므로, 수중 폭발에 의한 이중 충격파형 환경을 지상에서 모사(模寫)하는 충격파 시험기를 사용하여 시험체에 대한 충격생존성을 평가한다.

이를 위하여, 종래의 충격파 시험기는 대상 시험체에 충격을 가하여, 상기 대상 시험체에서 측정되는 충격파를 측정하는데, 이러한 종래기술에 따른 충격파 시험기는 측정사양이 변경될 때마다 장치에 구비되는 부품들을 교체해야 하는 불편이 있었고, 충돌에 의해 일차적으로 발생하는 1차 충격파에 비하여, 이로부터 발생하는 2차 충격파를 제어하기 어려운 문제점이 있었다.

한편, 하기의 선행기술문헌은 '충격시험기'에 관한 것으로서, 충격시험 수행시 충격 요구사항을 만족시키도록 고주파 성분의 제어가 가능하고 전방향 가진 시험이 가능한 충격시험기가 개시되어 있다.

KR

10-1295171

B1

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로서, 수중 폭발 충격환경에서 발생하는 이중충격의 1차 충격파를 모사하기 위하여 운동 질량체를 시험체를 설치하는 정지 질량체(시험장치 테이블)에 충돌시켜 발생하는 1차 충격파와 정지 질량체 후미에 장착된 2차 충격파 형성부를 사용하여 2차 충격파를 용이하게 제어할 수 있어서, 실제 수중폭발환경을 모사하여 이중 충격파를 시험할 수 있는 수평형 충격파 시험기를 제공하는데 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기는, 운동질량체의 충돌에 의해 시험체가 탑재된 정지 질량체의 일측에 설치된 제1 충격파 형성부로부터 입력되는 1차 충격파에 의해 2차 충격파가 형성되는 제2 충격파 형성부와, 상기 2차 충격파의 주기와 크기를 상기 1차 충격파의 주기와 크기에 따라 가변시키도록 상기 제2 충격파 형성부를 제어하는 충격파 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 충격파 형성부는 내부에 충전된 유체가 갖는 전단력의 변화로 상기 2차 충격파의 주기와 크기가 변화되는 것을 특징으로 한다.

상기 충격파 제어부는 상기 제2 충격파 형성부로 인가되는 전류를 제어하여, 상기 제2 충격파 형성부의 주기와 크기를 변화시키는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 충격파 형성부는 상기 정지 질량체와 고정된 벽체 사이에 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 충격파 형성부는 상기 정지 질량체와 고정된 벽체 사이에 설치되는 제2 스프링과 MR댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 충격파 제어부는 상기 MR댐퍼로 인가되는 전류를 제어하여 상기 제2 충격파 형성부를 제어하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 스프링과 상기 MR댐퍼는 병렬로 배치되고, 상기 제2 스프링과 상기 MR댐퍼는 그 양단이 각각 상기 정지 질량체와 고정벽체에 각각 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 스프링과 상기 MR댐퍼는 직렬로 배치되고, 상기 제2 스프링과 상기 MR댐퍼의 사이에는 보조 질량체가 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 제2 스프링은 상기 정지 질량체와 상기 운동 질량체의 사이에 설치되고, 상기 MR댐퍼는 상기 보조 질량체와 고정벽체 사이에 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 1차 충격파는 운동 질량체를 제1 충격파 형성부로 충돌시키는 것에 의해 발생되고, 상기 제1 충격파 형성부는 정지 질량체에 연결된 상태로 설치된 제2 충격파 형성부의 반대편에 연결된 상태로 설치되는 것을 특징으로 한다.

상기 제1 충격파 형성부는 상기 정지 질량체에 고정되게 설치되는 스프링인 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기에 따르면, 충격 제어부를 구성하는 2차 스프링과 MR댐퍼 중에서 상기 MR댐퍼에 가해지는 전류를 제어함으로써, 제2 충격파 형성부의 특성을 정밀하게 제어할 수 있다.

상기와 같이, 제2 충격파 형성부의 MR댐퍼에 가해지는 전류를 정밀하게 제어함으로써, 2차 충격에 발생하는 2차 충격파형의 크기와 주기를 다양화 할 수 있다.

이와 같이, 2차 충격에 의해 발생하는 2차 충격파형의 크기와 주기를 다양하게 할 수 있으므로, 실제 다양한 형태의 수중폭발에 의한 충격파를 지상에서 구현하여, 실제 장비의 충격 생존성을 평가할 수 있다.

도 1은 수중 폭발시 발생하는 이중 충격파형을 도시한 그래프.
도 2는 본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기의 개념을 도시한 블록도.
도 3은 본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기의 일시예를 도시한 블록도.
도 4는 본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기의 다른 실시예를 도시한 블록도.

이하, 첨부된 도면을 참조로 하여 본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기를 자세히 설명하기로 한다.

본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기는, 시험체(S)가 탑재된 제2 질량체(M2)의 일측에 설치된 제1 충격파 형성부(10)와, 상기 제1 충격파 형성부(10)로부터 입력되는 1차 충격파에 의해 2차 충격파가 형성되는 제2 충격파 형성부(20)와, 상기 2차 충격파의 주기와 크기를 상기 1차 충격파의 주기와 크기에 따라 가변시키도록 상기 제2 충격파 형성부를 제어하는 충격파 제어부(30)를 포함한다.

가속되어 운동하는 운동 질량체(M1)와 정지된 상태의 정지 질량체(M2)가 각각 대차의 형태로 서로 수평으로 배치된 상태에서, 상기 운동 질량체(M1)를 상기 정지 질량체(M2)로 수평방향으로 충돌시키고, 이때 상기 제2 질량체(M2)에 탑재된 시험체(S)로부터 측정되는 충격파를 측정하게 된다. 상기 운동 질량체(M1)와 상기 정지 질량체(M2)는 충격 시험 초기의 상태에서 상기 운동 질량체(M1)가 가속되어 운동하고, 상기 정지 질량체(M2)가 정지된 상태인 것을 의미하며, 상기 운동 질량체(M1)와 상기 정지 질량체(M2)가 충돌한 이후에는 1차 충격파 또는 2차 충격파에 의해 일정 변위 이내에서 운동하게 된다. 이하에서는 편의상 운동 질량체를 제1 질량체(M1)로, 정지 질량체를 제2 질량체(M2)로 하여 설명하기로 한다.

제1 질량체(M1)는 제2 질량체(M2)와 이격된 상태에서, 속도발생기(3)와 같은 수단에 의해 가속되어 상기 제2 질량체(M2)와 충돌된다. 상기 제1 질량체(M1)가 베이스(1)상에 주행가능한 상태로 구비된 상태에서, 상기 제1 질량체(M1)가 상기 제2 질량체(M2)와 충돌함으로써, 1차 충격파를 발생시킨다.

제2 질량체(M2)도 베이스(1) 상에 주행가능한 상태로 구비된다. 상기 제2 질량체(M2)에 충격에 의해 충격파를 측정하는 시험체(S)를 탑재한 상태에서 상기 제2 질량체(M2)로 제1 질량체(M1)의 충돌로 발생한 1차 충격이 가해지면, 상기 시험체(S)에서 상기 1차 충격에 의한 충격파와 상기 1차 충격파로 인한 2차 충격파를 측정할 수 있다.

제1 충격파 형성부(10)는 상기 제2 질량체(M2)의 일측에서 상기 제2 질량체(M2)에 연결된 상태로 설치된다. 상기 제1 충격파 형성부(10)는 상기 제1 질량체(M1)가 상기 제2 질량체(M2)에 충돌되는 순간, 제2 질량체(M2)와 제1 질량체(M1)의 충격에 의해 1차 충격파를 발생시키는 역할을 한다.

제2 충격파 형성부(20)는 상기 제2 질량체(M2)에서 상기 제1 충격파 형성부(10)가 설치된 부위의 반대편에 상기 제2 질량체(M2)에 연결된 상태로 설치된다. 상기 제2 질량체(M2)는 상기 제2 충격파 형성부(20)를 통하여 고정벽체(2)에 연결되는데, 상기 제2 질량체(M2)에 상기 제1 질량체(M1)가 충돌하면서 발생한 1차 충격파에 의한 2차 충격파를 발생시키는 역할을 한다.

이때, 상기 제2 충격파 형성부(20)는 그 특성이 가변되도록 설치되는 것이 바람직하다. 즉, 상기 제2 충격파 형성부(20)는 후술되는 충격파 제어부(30)에 의해 특성이 가변되면서, 서로 상이한 1차 충격파에 대하여 서로 다른 2차 충격파가 발생하는 것은 물론, 상기 충격파 제어부(30)를 통하여 상기 제2 충격파 형성부(20)를 제어함으로써 동일한 1차 충격파에 의해 생성되는 2차 충격파가 서로 다른 크기와 주기로 발생하도록 한다.

충격파 제어부(30)는 상기 제2 충격파 형성부(20)에 의해 발행하는 2차 충격파의 크기와 주기가 변경되도록 상기 제2 충격파 형성부(20)의 특성을 제어한다. 예컨대, 상기 충격파 제어부(30)는 상기 제2 충격파 형성부(20)와 전기적으로 연결되고, 상기 충격파 제어부(30)로부터 상기 제2 충격파 형성부(20)에 인가되는 전류를 제어함으로써, 상기 제2 충격파 형성부(20)의 특성이 가변되도록 한다.

이하에서는, 본 발명에 따른 수평형 충격파 시험기의 구체적인 실시예에 대하여 살펴보기로 한다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수평형 충격파 시험기는 베이스(1)상에 수평으로 제1 질량체(M1)와 제2 질량체(M2)가 배치되고, 상기 제2 질량체(M2)에서 상기 제2 질량체(M2)와 마주보고 있는 일측에는 제1 충격파 형성부(10)가 연결된 상태로 설치되고, 상기 제1 충격파 형성부(10)가 설치된 부위의 반대편에 제2 충격파 형성부(20)가 각각 연결되게 설치된다. 상기 제1 질량체(M1)가 상기 제2 질량체(M2)로 충돌하면, 상기 제1 질량체(M1)는

,

의 변위, 속도 및 가속도로 운동하고, 제2 질량체(M2)는

,

의 변위, 속도, 가속도로 운동하게 된다.

여기서, 상기 제1 충격파 형성부(10)는 그 구체적인 예의 하나로서, 상기 제2 질량체(M2)의 일측에 설치되는 스프링일 수 있다. 즉, 상기 제2 질량체(M2)의 일측에 제1 스프링(11)이 설치됨으로써, 상기 제1 질량체(M1)가 속도발생기(3) 등으로부터 가속된 상태로 상기 제2 질량체(M2)와 충돌할 때, 상기 제2 질량체(M2)와 상기 제1 질량체(M1)의 중간에 위치하게 되는 제1 스프링(11)에 의해서 1차 충격파가 발생한다.

한편, 상기 제2 충격파 형성부(20)는 상기 1차 충격파에 의해 발생하는 2차 충격파를 발생시키는 부분으로서, 그 구체적인 예로는 스프링과 MR댐퍼(22)를 들 수 있다. 즉, 상기 제2 질량체(M2)의 타측, 즉 제1 충격파 형성부(10)가 설치된 부위의 반대편에 설치되는 제1 스프링(11)과 MR댐퍼(22)를 설치하여, 2차 충격파를 제어할 수 있다.

특히, 상기 제2 충격파 형성부(20)는 충격파 제어부(30)의 제어에 의해 그 특성이 가변되는 것으로서, 고하중 충격력에 민감하게 반응할 수 있다. 상기 충격파 제어부(30)가 상기 MR댐퍼(22)에 인가되는 전류를 제어함으로써, 상기 제2 충격파 형성부(20)의 특성이 가변되도록 한다. 상기 MR댐퍼(22)는 내부에는 자기장이 가해지면 전단력에 의해 점성이 변하는 MR유체(Magneto-rheological fluid)가 충전된 댐퍼이다. 상기 MR댐퍼(22)의 댐핑력은, 상기 MR유체의 점성에 의한 댐핑력과, 자장이 가해졌을 때 상기 MR유체의 전단력에 의해 발생하는 댐핑력의 합력으로 나타난다. 상기 MR유체의 점성은 일정한 상태이므로 상기 MR유체의 점성에 의한 댐핑력은 실질적으로 고정된 상태에서, 상기 MR유체에 가해지는 자기장의 크기에 따라 가변하는 MR유체의 전단력이 가변된다. 상기 MR댐퍼(22)의 내부에 외부에 인가되는 전류에 의해 자화되도록 코일이 권취된 코어가 구비되는데, 상기 코어에 인가되는 전류를 가변시킴에 따라서 상기 MR댐퍼(22)의 특성, 즉 댐핑력이 가변된다.

따라서, 상기 충격파 제어부(30)로부터 상기 제2 충격파 형성부(20)의 MR댐퍼(22)로 가해지는 전류를 제어함으로써, MR댐퍼(22)의 댐핑력, 나아가 상기 제2 충격파 형성부(20)의 특성을 가변시켜 2차 충격파를 제어한다.

상기 제2 충격파 형성부(20)는 상기 제2 질량체(M2)와 고정벽체(2) 사이에 설치된다.

예컨대, 상기 제2 충격파 형성부(20)를 형성하는 상기 제2 스프링(21)과 상기 MR댐퍼(22)가 서로 병렬로 배치된 상태에서, 상기 제2 스프링(21)의 양단이 각각 상기 제2 질량체(M2)와 상기 고정벽체(2)에 연결되고, 상기 MR댐퍼(22)의 양단도 상기 제2 질량체(M2)와 상기 고정벽체(2)에 연결되게 배치되도록 구성될 수 있다.

이하에서는, 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 다른 수평형 충격파 시험기의 작용에 대하여 설명하기로 한다.

대차의 형태로 베이스(1)에 설치된 제2 질량체(M2)에 대하여 제1 질량체(M1)가

의 속도로 충돌하면, 제1 충격파 형성부(10)에 의해서 1차 충격파가 생성된다.

상기 1차 충격파형의 크기는 충돌속도

으로 결정할 수 있고, 주기는 제1 충격파 형성부(10), 즉 제1 스프링(11)의 탄성계수로 제어할 수 있다.

한편, 한편, 2차 충격파형의 주기는 상기 제2 충격파 형성부(20)의 제2 스프링(21)의 강성과 MR댐퍼(22)의 댐핑력을 제어할 수 있다. 여기서, 상기 MR댐퍼(22)의 댐핑력(F_D)은, 앞서 설명한 바와 같이, 점성에 의한 댐핑력(

, C₂는 MR유체의 점성계수)과 MR유체의 전단력(F_MR)의 합력(

)으로 표현될 수 있다. 여기서, 상기 MR댐퍼(22)의 점성에 의한 댐핑력(

)는 제2 질량체(M2)의 속도(

)에 비례하므로, 제2 질량체(M2)의 속도에 영향을 받는다. 하지만, MR전단력은 동일한 조건, 즉 제1 질량체(M1)의 질량, 제2 질량체(M2)의 질량, 제1 질량체의 속도(

), 제1 스프링의 탄성계수 및 제2 스프링(21)의 탄성계수, MR유체의 점성계수(C₂)이 동일한 경우에도, 상기 MR유체에 가해지는 전류를 제어함으로써, 상기 제2 충격파 형성부(20)의 특성을 가변하여, 상기 제2 질량체(M2)의 속도(

) 및 2차 충격파의 크기와 주기를 제어할 수 있으므로, 다앙하게 실제 수중폭발현상에 준하는 반정현파 충격시험과 동일한 효과를 구현할 수 있다.

한편, 상기 제2 충격파 형성부(20)에서 상기 제2 스프링(21)과 상기 MR댐퍼(22)는 서로 직렬로 배치될 수도 있다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 제2 질량체(M2)와 상기 고정벽체(2) 사이에는 제2 충격파 형성부를 구성하는 제2 스프링(21')과 MR댐퍼(22')가 직렬로 설치될 수 있다.

이때, 바람직하게는 상기 제2 스프링(21')과 상기 MR댐퍼(22')의 사이에서 상기 보조 질량체인 제3 질량체(M3)가 베이스(1)에 주행가능한 상태로 설치되고, 상기 제2 질량체(M2)와 상기 제3 질량체(M3)의 사이와 상기 제3 질량체(M3)와 고정벽체(2)의 사이에 각각 제2 스프링(21')과 MR댐퍼(22')가 설치될 수 있다. 특히 상기 제2 스프링(21')과 상기 MR댐퍼(22')는 상기 제3 질량체(M3)에서 상기 제2 질량체(M2)에 인접한 곳에 제2 스프링(21')이 설치되고, 상기 제3 질량체(M3)에서 상기 고정벽체(2)에 인접한 곳에 상기 MR댐퍼(22')가 설치될 수 있다. 상기 제3 질량체(M3)는 제1 질량체(M1)가 제2 질량체(M2)에 충돌하면,

,

의 변위, 속도 및 가속도로 운동한다.

이로부터, 상기 제2 충격파 형성부에 의해 형성되는 2차 충격파의 주기와 크기를 제어할 수 있다.

M1 : 제1 질량체 M2 : 제2 질량체
M3 : 제3 질량체 S : 시험체
1 : 베이스 2 : 고정벽체
3 ; 속도발생기 10 : 제1 충격파 형성부
11, 11' : 제1 스프링 20 : 제2 충격파 형성부
21, 21' : 제2 스프링 22 : MR댐퍼
30 : 충격파 제어부

Claims

운동질량체의 충돌에 의해 시험체가 탑재된 정지 질량체의 일측에 설치된 제1 충격파 형성부로부터 입력되는 1차 충격파에 의해 2차 충격파가 형성되는 제2 충격파 형성부와,
상기 2차 충격파의 주기와 크기를 상기 1차 충격파의 주기와 크기에 따라 가변시키도록 상기 제2 충격파 형성부를 제어하는 충격파 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제1항에 있어서,
상기 제2 충격파 형성부는 내부에 충전된 유체가 갖는 전단력의 변화로 상기 2차 충격파의 주기와 크기가 변화되는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 충격파 제어부는 상기 제2 충격파 형성부로 인가되는 전류를 제어하여, 상기 제2 충격파 형성부의 주기와 크기를 변화시키는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제1항에 있어서,
상기 제2 충격파 형성부는 상기 정지 질량체와 고정된 벽체 사이에 형성되는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제1항에 있어서,
상기 제2 충격파 형성부는 상기 정지 질량체와 고정된 벽체 사이에 설치되는 제2 스프링과 MR댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제5항에 있어서,
상기 충격파 제어부는 상기 MR댐퍼로 인가되는 전류를 제어하여 상기 제2 충격파 형성부를 제어하는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제6항에 있어서,
상기 제2 스프링과 상기 MR댐퍼는 병렬로 배치되고,
상기 제2 스프링과 상기 MR댐퍼는 그 양단이 각각 상기 정지 질량체와 고정벽체에 각각 연결되는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제6항에 있어서,
상기 제2 스프링과 상기 MR댐퍼는 직렬로 배치되고, 상기 제2 스프링과 상기 MR댐퍼의 사이에는 보조 질량체가 설치되는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제8항에 있어서,
상기 제2 스프링은 상기 정지 질량체와 상기 운동 질량체의 사이에 설치되고, 상기 MR댐퍼는 상기 보조 질량체와 고정벽체 사이에 설치되는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제1항에 있어서,
상기 1차 충격파는 운동 질량체를 제1 충격파 형성부로 충돌시키는 것에 의해 발생되고, 상기 제1 충격파 형성부는 정지 질량체에 연결된 상태로 설치된 제2 충격파 형성부의 반대편에 연결된 상태로 설치되는 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.
제10항에 있어서,
상기 제1 충격파 형성부는 상기 정지 질량체에 고정되게 설치되는 스프링인 것을 특징으로 하는 수평형 충격파 시험기.