Pyrotechnic release devices such as explosive bolts and separation nuts are prevalent for many applications due to their high reliability, high power-to-weight ratio, and reasonable cost. Explosive bolts are pyrotechnic release devices, which are highly reliable and efficient for built-in release. Although various kinds of explosive bolts have been designed and utilized, most of the design processes rely on experience gleaned from repeated experiments. Based on the theories about shock waves and its interactions, rarefaction waves, spall and detonation of high explosives, the separation mechanism of the ridge-cut explosive bolt, also known as the ridge-cut mechanism, is induced. In order to provide a better understanding of the separation behavior of explosive bolts, a separation behavior analysis environment for ridge-cut explosive bolts is established. Ridge-cut explosive bolts, which are separated via the ridge-cut mechanism (or spall), are analyzed using a commercial hydrocode (ANSYS AUTODYN). Separation behavior analysis of the designed explosive bolts is used to verify the numerical analysis technique and to determine appropriate failure criteria. The numerical analysis of a ridge-cut explosive bolt clearly shows the ridge-cut mechanism including the shock propagation and reflection, and superposition of the release waves. Utilizing the proposed methodology, the separation characteristics of ridge-cut explosive bolts according to confinement conditions and especially the gap distance between the bolt body and the fixture are studied. Degradation in separation reliability due to tight gap distance is observed in separation experiments. This separation phenomenon is specifically clarified by the separation behavior analysis. Based on the numerical study of separation characteristics, some design improvements considering manufacturing tolerance are proposed. At the same time, a separation characteristic study regarding the design parameters of explosive bolts is carried out. Some design parameters are chosen that might affect the separation reliability, and behavior analysis is carried out for several designs. Based on this separation characteristics study, practical design improvements are suggested for reference explosive bolts. The results of this study provide useful information to avoid unnecessary separation experiments related with design parameters.
Even though pyrotechnic release devices have been successfully developed, pyroshock which can cause catastrophic failures or malfunctions in electric components is still of concern. Pyroshock, also called pyrotechnic shock, is defined as the response of a structure to high frequency and high magnitude stress waves generated by an explosive event. This study proposes a numerical method for predicting the pyroshock of a ridge-cut explosive bolt using a commercial hydrocode. A numerical model is established by integrating fluid-structure interaction and complex material models for high explosives and metals, including high explosive detonation, shock wave transmission and propagation, stress wave propagation and more. To verify the proposed numerical scheme, pyroshock measurement experiments of the ridge-cut explosive bolts with two types of surrounding structures are performed. A total of five experiments are carried out and the pyroshock are measured at three points for each experiment using laser Doppler vibrometers (LDVs). The predicted pyroshock from the numerical analysis are compared with the measurement results in terms of acceleration and maximax shock response spectra (SRS). The numerical analysis results provide accurate prediction in both the time and frequency domains. In maximax SRS, the peaks due to the vibration modes of the structures are observed in both the experimental and numerical results. The numerical analysis also helps to identify the pyroshock generation source and the propagation routes.
Next, this study deals with the pyroshock propagation on the structures. The experimental setup for the pyroshock propagation experiments is developed with the pyroshock excitation using the pyrotechnic initiators. The pyroshock propagation on a simple plate is measured using both LDVs and shock accelerometers. The characteristics of these sensors, including the frequency ranges and the sensor type (contact and non-contact), are studied. The pyroshock propagation analysis environment with a commercial hydrocode is established and verified through comparison with the experiment results. The pyroshock propagates through the thin plates in the form of flexural waves (or the anti-symmetric Lamb waves). By using established numerical and experimental techniques, the effect of pyroshock attenuation by the joints and the washers are studied. Plates connected by the joints with different materials (aluminum alloy, stainless steel and magnesium alloy) and plates connected by the aluminum alloy joints and the washers with different materials and thicknesses are considered. The experimental and numerical results are in agreement: the pyroshock attenuation is highly effective when the joints are made of higher density and stiffness material and when the washers have greater thickness. The major reason for the pyroshock attenuation due to the joints and the washers is flexural wave reflection at the discontinuities caused by acoustic impedance mismatching.
This dissertation deals with many engineering challenges for pyrotechnic release devices: lack of a systematic design method, unidentified complex separation phenomena due to the nature of explosive events and the pyroshock issues. In particular, three kinds of numerical techniques using hydrocode were newly established: the separation behavior analysis for the ridge-cut explosive bolts, the pyroshock prediction for the ridge-cut explosive bolts and the pyroshock propagation analysis on the structures. The separation behavior analysis can be used to identify the separation mechanism, evaluate separation reliability and optimize the design of pyrotechnic release devices. The pyroshock prediction analysis can be used to estimate the pyroshock level of pyrotechnic devices early in the design process without experimentation, to identify the pyroshock source and to minimize pyroshock generation. The pyroshock propagation analysis provides a powerful method for the structure design to minimize pyroshock propagation. Without expensive and repetitive experiments, the pyroshock propagation on structures can be studied and the optimal design can be suggested.
폭발볼트, 분리너트와 같은 파이로 분리 장치들은 높은 신뢰성, 높은 무게 대비 파워, 저렴한 비용 등의 장점으로 인해 다양한 시스템에 널리 사용되고 있다. 폭발볼트는 대표적인 파이로 분리 장치로서, 내장되어 있다가 분리되는 형태로 활용되기에 높은 신뢰성과 효율성을 지니고 있다. 다양한 종류의 폭발볼트가 설계되어 활용되고 있지만, 여전히 많은 설계 과정이 반복 실험으로부터 얻은 경험에 의존하고 있다. 우선, 충격파 전파, 간섭, 팽창파, 스폴, 고폭약의 폭발 등의 이론으로부터 ridge-cut형 폭발볼트의 분리 메커니즘인 ridge-cut 메커니즘을 정립하였다. 폭발볼트의 분리 거동의 이해를 돕기 위해 분리 거동 해석 환경을 구축하였다. Ridge-cut 메커니즘 (또는 스폴 현상)에 의해 분리가 이루어지는 ridge-cut형 폭발볼트를 상용 hydrocode (ANSYS AUTODYN)를 이용하여 해석을 수행하였다. 기존에 설계된 ridge-cut형 폭발볼트의 분리 거동 해석을 통해 수치 해석 기법을 검증하고 적절한 파괴 조건을 결정하였다. Ridge-cut형 폭발볼트의 수치 해석으로부터 충격파의 전파, 반사, 팽창파의 중첩 등을 포함하여 ridge-cut 메커니즘을 명확히 확인할 수 있었다. 제안된 기법을 활용하여, 체결 조건에 따른 ridge-cut형 폭발볼트의 분리 특성 연구를 수행하였다. 분리 실험에서는 볼트 몸체와 치구의 간격이 좁은 경우 분리 신뢰도가 감소하는 현상이 나타났다. 수치 해석을 통해 이러한 분리 특성의 원인을 규명하였다. 또한, 이를 바탕으로 제작 공차를 고려한 설계 개선 방향이 제시되었다. 다음으로, 설계 변수에 따른 분리 특성 연구를 수행하였다. 분리 신뢰도에 영향을 미칠 것으로 예상되는 설계 변수를 선정하여 수치 해석을 수행하였다. 그 결과, 폭발 볼트 기준 모델로부터의 설계 개선 방향을 제시하였다. 이러한 연구를 통해 불필요한 분리 실험을 최소화할 수 있었다.
파이로 분리 장치가 성공적으로 개발되더라도, 주변 전자장비의 치명적인 파손과 오작동을 유발할 수 있는 파이로충격은 여전히 큰 문제이다. 파이로테크닉 충격이라고도 불리는 파이로충격은 폭발로 인해 생성된 높은 주파수, 큰 크기를 갖는 응력파로 인해 발생하는 주변 구조물의 응답으로 정의된다. 본 연구에서는 상용 hydrocode를 활용하여 ridge-cut형 폭발볼트의 파이로충격을 예측할 수 있는 수치 해석 기법을 제안하였다. 유체-구조 연계 해석과, 고폭약의 폭발, 충격파의 전달 및 전파, 응력파의 전파를 고려할 수 있는 고폭약 및 금속의 복잡한 재료 모델을 통합하여 수치 해석 모델을 수립하였다. 제안된 수치 해석 기법의 검증을 위해 두 가지 형태의 주변 구조물에 대한 ridge-cut형 폭발볼트의 파이로충격 계측 실험을 수행하였다. 총 다섯 회 실험을 수행하였으며, 세 지점에서 레이저 도플러 진동계를 이용하여 파이로충격을 계측하였다. 수치 해석에서 예측된 파이로충격과 계측된 파이로충격을 가속도 시간 이력과 maximax 충격 응답 스펙트럼을 이용하여 비교를 수행하였다. 그 결과, 수치 해석은 시간과 주파수 영역 모두에서 정확한 예측값을 제시함을 확인하였다. 특히, Maximax 충격 응답 스펙트럼에서는 구조물의 진동 모드로 인한 피크가 실험과 해석 모두에서 나타났다. 또한, 수치 해석은 파이로충격 생성 근원과 전파 경로를 확인하는데 활용되었다.
다음으로, 구조물에서의 파이로충격 전파 연구를 수행하였다. 우선, 파이로테크닉 착화기를 이용하여 파이로충격을 가진 할 수 있는 실험 장치를 개발하여 파이로충격 전파 실험을 수행하였다. 평판에서의 파이로충격 전파를 레이저 도플러 진동계와 충격 가속도계를 이용하여 계측을 수행하였다. 이러한 센서들의 주파수 범위, 센서 종류 (접촉식, 비접촉식)에 따른 특성을 분석하였다. 상용 hydrocode를 이용한 파이로충격 전파 해석 환경을 구축하고, 실험 결과를 이용한 검증을 수행하였다. 파이로충격은 얇은 판에서는 굽힙파 (또는 A모드 램파)의 형태로 전파가 이루어진다. 수립된 수치 해석 및 실험 기법을 활용하여 조인트와 와셔에서의 파이로충격 감쇠 효과에 대한 연구를 수행하였다. 평판이 서로 다른 재료 (알루미늄 합금, 스테인레스강, 마그네슘 합금)로 제작된 조인트로 연결된 경우와 평판이 알루미늄 합금 조인트와 서로 다른 재료 및 두께로 제작된 와셔로 연결된 경우를 고려하였다. 실험 및 수치 해석 결과는 동일한 경향성을 보였으며, 파이로충격 저감은 조인트 재료의 밀도와 강성이 높을수록, 와셔의 두께가 두꺼울수록 효과적인 것으로 나타났다. 파이로충격 감쇠의 주 원인은 조인트와 와셔에서의 굽힘파 반사이며, 이러한 반사는 불연속부에서의 음향 임피던스의 불일치 때문이다.
본 학위논문은 파이로 분리장치의 기술적 어려움인 체계적 설계 기법의 부재, 폭발의 특성으로 인해 규명되지 않은 복잡한 분리 현상, 파이로충격 문제를 해결하고자 하였다. 특히, hydrocode를 활용하여 세 가지의 수치 해석 기법, ridge-cut형 폭발볼트의 분리 거동 해석, ridge-cut형 폭발볼트의 파이로충격 예측, 구조물에서의 파이로충격 전파 해석이 새롭게 제시되었다. 분리 거동 해석을 활용하면 분리 메커니즘을 규명할 수 있으며, 분리 신뢰도를 평가하고, 파이로 분리 장치의 설계 최적화가 가능하다. 파이로충격 예측 해석을 활용하면 설계 초기 단계에서 실험 없이도 파이로 장치의 파이로충격 레벨을 예측하고, 파이로충격 근원을 규명하여 파이로충격 생성을 최소화 할 수 있다. 파이로충격 전파 해석은 파이로충격 전파를 최소화하는 구조물 설계에 활용될 수 있다. 비싸고 반복적인 실험 없이도 구조물에서의 파이로충격 전파를 연구할 수 있으며, 최적화된 설계가 가능하다.
