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문제 정의
- Ichikawa 등[5-기은 비균질 클레이(clay) 재료의 확산 계수 및 점성 등과 같은 미시적 물성을 분자동 역학으로 계산하고, 미시적 물성을 거시적 물성으로 확장하기 위해서 균질화법을 제시하였다. 이 멀티스케일 시뮬레이션을 이용하여 실험으로 구하기 어려운 긴 시간 경과에 따른 재료의 물성변화를 예측하고, 그 응용으로 고준위 방사성 폐기물의 차폐 물질로 사용될 수 있음을 연구하였다. 이와 같이 멀티스케일 시뮬레이션에 대한 다양한 연구가 수행되고 있지만, 아직 그 응용 분야가 제한적이며 활발한 연구가 진행되고 있다.
제안 방법
- 본 연구에서는 분자동 역학으로 건조공정 중인 다공성 물질의 나노스케일 구조를 해석하고 얻은 나노물성과 균질화법으로 마이크로 스케일 구조를 해석하여 얻은 거시적 물성을 서로 연계한 계층적 멀티스케일 해석시스 템을 구축하였다. 이를 통해 다공성 세라믹애자의 건조공정을 전산시뮬레이션하고 구한 온도, 습도, 변형률 그리고 응력분포를 기존의 결과들과 비교하여 고찰하 였다.
- 본 연구에서는 분자동 역학으로 건조공정 중인 다공성 물질의 나노스케일 구조를 해석하고 얻은 나노물성과 균질화법으로 마이크로 스케일 구조를 해석하여 얻은 거시적 물성을 서로 연계한 계층적 멀티스케일 해석시스 템을 구축하였다. 이를 통해 다공성 세라믹애자의 건조공정을 전산시뮬레이션하고 구한 온도, 습도, 변형률 그리고 응력분포를 기존의 결과들과 비교하여 고찰하 였다.
- 본 연구에서는 원자 모델을 해석할 수 있는 분자동 역 학과 연속체 모델을 해석하는 유한요소법을 서로 연계한 멀티스케일 모델을 사용하여 다공성 물질 중 세라믹애 자의 건조공정을 시뮬레이션하였다. Fig.
- 이를 위하여 균질화법의 코드를 건조공정 시뮬레이션 시스템에 적용하였다. 해석하고자 하는 다공성 물질의 실험적인 결과로부터 비균질성을 나타내는 미시적 구조를 묘사할 수 있는 해석 모델을 생성하고 이 모델로부터 예측한 균질화된 탄성계수를 사용하여 건조공정을 거시적인 스케일에서 시뮬레이션하였다.
- 이를 위하여 균질화법의 코드를 건조공정 시뮬레이션 시스템에 적용하였다. 해석하고자 하는 다공성 물질의 실험적인 결과로부터 비균질성을 나타내는 미시적 구조를 묘사할 수 있는 해석 모델을 생성하고 이 모델로부터 예측한 균질화된 탄성계수를 사용하여 건조공정을 거시적인 스케일에서 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션의 결과와 다공성 제품의 응력 분포와 변형형상을 해석하여 일반적인 물성치로 해석한 결과와 비교, 분석하였다.
- 시뮬레이션의 결과와 다공성 제품의 응력 분포와 변형형상을 해석하여 일반적인 물성치로 해석한 결과와 비교, 분석하였다. 또한 미시적 구조의 응력 분포와 변형형상도 해석하여 제시하 였다.
- 그러나 균질화법만으로는 크기효과(size effect)* 반영한 해석이 불가능하고 원자 스케일에서의 거동을 해석하기 위하여 기존의 FEM 해석 방법 외에 추가적인 연구가 필요하다. 최근에 이와 관련된 다양한 연구가 시도되고 있지만 해석이 가능한 조건이 제한적이므로 본 연구에서는 분자동 역학법과의 연계를 통하여 원자 스케일에서의 거동을 해석하고 크기 효과를 반영하여 해석 결과에 타당성을 부여하고 응용분야를 확대하였다.
- 다공성 물질의 미시적 거동 및 물성을 구하기 위해서 원자로 이루어진 겔구조를 원자겔 모델로 만들고 분 자동역학 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 겔구조의 미시적 특성을 고려한 탄성계수를 계산할 수 있었다 [10], 그러나 분자동 역학을 이용하여 구한 물성은 나노스케일 물성으로서 매크로/마이크로 스케일의 유한 요소 해석에 바로 대입하여 사용할 수 없다.
- 따라서 미시적 물성과 거시적 물성을 연결하는 방법으로 균질화 이론 卩1]을 이용하였다. 탄성계수를 원자 스케일로부터 계산하고 균질화법을 이용하여 마이크로 스케일에서 다공성 물질의 구조를 다시 해석하여 거시적인 해석을 위한 탄 성특성을 예측하였다. 분자동 역학법을 이용하여 다공성물질을 해석하기 위해서 우선 재료의 원자구조를 이상화하여 가상적인 계로 모델링을 하였다.
- 탄성계수를 원자 스케일로부터 계산하고 균질화법을 이용하여 마이크로 스케일에서 다공성 물질의 구조를 다시 해석하여 거시적인 해석을 위한 탄 성특성을 예측하였다. 분자동 역학법을 이용하여 다공성물질을 해석하기 위해서 우선 재료의 원자구조를 이상화하여 가상적인 계로 모델링을 하였다. 그러나 원자의 종류와 개수 그리고 구조를 결정하고 전산 처리할 단위계를 구성하는 것은 매우 어려운 문제이므로 이는 실험적으로 보고된 결과를 분석하여 해석단위계를 생성하 였다.
- 분자동 역학법을 이용하여 다공성물질을 해석하기 위해서 우선 재료의 원자구조를 이상화하여 가상적인 계로 모델링을 하였다. 그러나 원자의 종류와 개수 그리고 구조를 결정하고 전산 처리할 단위계를 구성하는 것은 매우 어려운 문제이므로 이는 실험적으로 보고된 결과를 분석하여 해석단위계를 생성하 였다.
- 원자와 분자의 거동을 정확하게 모사하기 위해서 포텐 셜 함수에 대한 연구를 수행하였다. 현재 다양한 금속 및 다공성 물질의 포텐셜 함수에 대한 연구결과가 보고되어 있지만 이들을 본 연구에 직접 사용하기에는 부적합했다.
- 현재 다양한 금속 및 다공성 물질의 포텐셜 함수에 대한 연구결과가 보고되어 있지만 이들을 본 연구에 직접 사용하기에는 부적합했다. 따라서 기존에 보고된 포텐셜 함수를 참고하여 연구에 필요한 포텐셜 함수를 유도하였다.
- 분자동 역학법과 균질화법을 결합하여 탄성계수를 수식화하고 건조공정의 멀티스케일 시뮬레이션 시스템을 개발하고 다양한 스케일 조건에서 다공성 제품의 응력 분포 및 변형형상을 해석하고 비교하였다. 이로써 거시적인 물성뿐만 아니라 미시적인 물성을 모두 구할 수 있었다.
- 본 시스템은 크게 전처리기, 미시적 /거시적 해석 모듈, 후처리기로 나눌 수 있다. 전처리기에서는 해석 대상인 다공성 물질의 미시적 구조와 제품의 3차원 축대칭형상을 Pro-E/Catia로 모델링하고 단면데이터를 받아 Hypermesh 에서 유한 요소 메쉬를 생성한 후, 전처리기 인터페이스 모듈에서 미시적/거시적 해석 모듈의 입력 데이터를 만드는 과정을 수행한다.
- 본 연구에서는 원자 스케일 해석으로 구한 다공성 물질의 미시적 물성과 균질화법으로 구한 거시적 물성을 이용하여 건조공정 중의 연속체스케일 변수들과 원자스케일 변수들의 변화를 고려한 계층적 멀티스케일 해석 시스템을 구축하고 다공성 세라믹애자의 건조공정을 전산 시뮬레이션하였다. 이러한 계층적 멀티스케일 해석시스템의 구축 및 수치 해석을 통하여
대상 데이터
- 본 연구에서는 균질화물성에 기초한 유한요소법을 이용한 Keum 등[11]의 연구와 동일한 건조공정의 초기조 건 및 경계조건을 사용하였다. 해석에 사용된다공성 세라믹 애자의 거시적 유한 요소 모델은 290개의 절점과 248개의 선형 사각형 요소로 이루어져 있다. Fig.
데이터처리
- 해석하고자 하는 다공성 물질의 실험적인 결과로부터 비균질성을 나타내는 미시적 구조를 묘사할 수 있는 해석 모델을 생성하고 이 모델로부터 예측한 균질화된 탄성계수를 사용하여 건조공정을 거시적인 스케일에서 시뮬레이션하였다. 시뮬레이션의 결과와 다공성 제품의 응력 분포와 변형형상을 해석하여 일반적인 물성치로 해석한 결과와 비교, 분석하였다. 또한 미시적 구조의 응력 분포와 변형형상도 해석하여 제시하 였다.
이론/모형
- 그 결과 겔구조의 미시적 특성을 고려한 탄성계수를 계산할 수 있었다 [10], 그러나 분자동 역학을 이용하여 구한 물성은 나노스케일 물성으로서 매크로/마이크로 스케일의 유한 요소 해석에 바로 대입하여 사용할 수 없다. 따라서 미시적 물성과 거시적 물성을 연결하는 방법으로 균질화 이론 卩1]을 이용하였다. 탄성계수를 원자 스케일로부터 계산하고 균질화법을 이용하여 마이크로 스케일에서 다공성 물질의 구조를 다시 해석하여 거시적인 해석을 위한 탄 성특성을 예측하였다.
- 다공성물질 건조 공정의 온도, 습도, 응력, 변형률 해석유한요소법은 Keum 등[10] 의 연구로부터 도입한 것으로 멀티스케일 모델링의 거시적(마이크로〜매크로 스케일) 해석을 담당하며, 이 연속체스케일 해석을 위한 시뮬레이션 시스템의 타당성 및 유용성은 검증된 바 있다 [12]. Fig.
- 본 연구에서는 균질화물성에 기초한 유한요소법을 이용한 Keum 등[11]의 연구와 동일한 건조공정의 초기조 건 및 경계조건을 사용하였다. 해석에 사용된다공성 세라믹 애자의 거시적 유한 요소 모델은 290개의 절점과 248개의 선형 사각형 요소로 이루어져 있다.
성능/효과
- 5시간이 지난 후 최대 주응력은 Keum 등[11]의 해석 결과 130MN/m2이고, 본 연구의 해석 결과 194MN/R?이다. 두 해석 결과는 유사한 응력분포 경향을 나타내고 있으나, 본 연구의 해석 결과가 가파른 응력변화 분포와 높은 응력 상태를 보여주고 있다. 그리고 해석시간이 경과함에 따라 최대 잔유응력값이 점점 차이를 보이는 것은 건조가 진행될수록 애자 내부의 수분 감소에 따른 수축으로 탄성계수가 빠르게 증가하기 때문으로 사료된다.
- 1) 나노스케일 물성 변화를 고려한 계층적 멀티스케일 시스템으로 다공성 세라믹애자의 건조공정을 전산시뮬 레이션하면 정도 높게 변형 및 응력해석이 가능하다. 2) 분자동역학 시뮬레이션을 이용하면 온도 변화에 따른 물성을 구할 수 있을 뿐만 아니라 공극변화에 따른 다공성 물질의 기계적 특성을 구할 수 있다.
- 1) 나노스케일 물성 변화를 고려한 계층적 멀티스케일 시스템으로 다공성 세라믹애자의 건조공정을 전산시뮬 레이션하면 정도 높게 변형 및 응력해석이 가능하다. 2) 분자동역학 시뮬레이션을 이용하면 온도 변화에 따른 물성을 구할 수 있을 뿐만 아니라 공극변화에 따른 다공성 물질의 기계적 특성을 구할 수 있다.
후속연구
- 이는 현재의 하드웨어 기술만으로도 신소재의 물성에 대한 예측이 가능한 소프트웨어적 돌파구로 여겨지고 있기 때문이다. 따라서 이에 대한 기술개발은 선진국에서도 새로이 시도되고 있는 전산 모사 방법으로, 신소재 개발의 가이드라인을 제시하여 물성을 예측하고 합성하는 새로운 패러다임이 될 수 있으리라 기대하고 있다.
- 그러나 균질화법만으로는 크기효과(size effect)* 반영한 해석이 불가능하고 원자 스케일에서의 거동을 해석하기 위하여 기존의 FEM 해석 방법 외에 추가적인 연구가 필요하다. 최근에 이와 관련된 다양한 연구가 시도되고 있지만 해석이 가능한 조건이 제한적이므로 본 연구에서는 분자동 역학법과의 연계를 통하여 원자 스케일에서의 거동을 해석하고 크기 효과를 반영하여 해석 결과에 타당성을 부여하고 응용분야를 확대하였다.
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