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문제 정의
- 본 논문은 함정용 선저고정형 음탐기와 같은 대형 원통형 배열 구조물의 접수효과를 고려한 동특성을 효율적으로 계산하는 방법을 제시하였다. 주기 대칭법과 모드맵핑법을 통해 원주방향으로 주기 대칭성을 갖는 대형 구조물의 접수진동을 효과적으로 해석할 수 있었다
가설 설정
- 센서를 지지하는 원통형 구조물은 반경과 높이가 각각 1 m이고 두께는 1 cm이다. 센서는 원주 방향으로 규칙적으로 분포되어 있으며 모든 구성품의 재료는 철 (Steel) 로 가정하였다. 따라서 Youngs Modulus 는 210GPa, 밀도는 7800kg/m3 그리고 프아송비는 0.
제안 방법
- 사용하였다. 경계요소법을 이용하여 구조물의 접수효과를 고려하기 위해 구조는 유한요소로 모델링하고 유체영역은 경계요소로 모델링하여 결합한다. 우선, 대형 구조물 계산의 부담을 줄이기 위해 모드좌표 계에서 결합하는 방법을 채택할 수 있으며 이를 위해 구조의 모드 해석을 수행한 후이를 경계요소로 모델링된 유체 영역과 결합하여결합된 모드를 구하고 이를 중첩하여 구조의 응답을 구하게 된다’
- ⑼. 따라서 접수면에 가진력으로서 압력을 가하면 접수면의 모드진폭만이 응답에 영향을 주는 사실을 정식화하여 모드맵핑법에 의한 해석절차를 수립하였다. 본 연구에서 제안한 모드맵핑법은 구조와 유체의 연성 문제를 다룰 때 컴퓨터 자원을 효율적으로 사용하기 위하여 주어진 전체 구조물의 접수 면만을 모델링하여 앞에서 구한 고유진동수와 고유 모드를 접수 mesh에 mapping시켜 응답을 구하는 방법이다.
- 다행히 원통형 배열 구조물은 원주방향으로 반복되는 주기대칭성을 이루는 구조물이기 때문에 주기대칭법(Cyclic symmetric method)6,7을 도입하여 해석 자유도를 감소시킬 수 있다. 반복되는 조각모델로 구조물을 대표할 수 있는 조각 만을 유한요소 모델링하여 전체 모델의 고유 진동수와 고유 모드를 구하였다.
- 이런 구조물의 해석 시 전산자원의 효율적인 활용을 위해 주기대칭법의 활용과 연동하여 모드매핑법을 제안하고 절차를 수립하였다. 본 연구에서 실제모델에 대한 해석보다는 실제모델의 복잡성을 대변할 수 있는 단순 모델을 해석하였다.
- 두 결과는 잘 일치하고 있음을 알 수 있다. 본 절에서 구한 조각모델의 모드해석 결과를 모드맵핑을 위한 형태로 변환하여 접수 mesh에 맵핑하였다.
- 모드매핑 법을 적용하지 않아도 해석할 수 있는 단순모델에 대하여 모드매핑법을 적용하지 않은 경우와 적용한 경우를 비교하여 모드매핑법의 신뢰성과 유용성을 보였다. 본연구에서 제안한 모드매핑법은 구조물의 가진 점은 반드시 접수면에 존재하여야 하며 응답도 접수 면에서만 얻을 수 있다.
- 3과 같은 내부구조물이 없는 육면체를 LMS/SYSNOISE를 이용하여 해석한 결과와 본 연구에서 제안한 방법을 해석 비교하였다. 외부 가진은 모델 왼쪽 하부 하나의 꼭지점에 1N의 수직력을 주고 그 점의 응답을 계산하였다. Fig.
- 함정용 선저고정형 음탐기는 구조물이 복잡하고 관심 주파수대역이 고주파 대역이므로 해석모델이 대형일 가능성이 높다. 이런 구조물의 해석 시 전산자원의 효율적인 활용을 위해 주기대칭법의 활용과 연동하여 모드매핑법을 제안하고 절차를 수립하였다. 본 연구에서 실제모델에 대한 해석보다는 실제모델의 복잡성을 대변할 수 있는 단순 모델을 해석하였다.
- 5에서 보인 바와 같이 동일한 4개의 조각으로 구성된 단순한 원통형 배 열 구조물을 모델 링하였다. 접수영역은 구조물의 내부와 외부 모든 영역이고 모든 구조영역은 솔리드 요소로 모델링하였다. 센서를 지지하는 원통형 구조물은 반경과 높이가 각각 1 m이고 두께는 1 cm이다.
- 있다. 접수효과 해석의 정성적 분석을 위해 접수 효과가 없는 상태의 구조물 응답 역시 구하였다. 가진점의 위치는 접수면 상의한 점으로 원통의 하단 변 위에 있고 반경방향으로 1N을 가하였다.
- 최소한의 자유도로 구조-유체 연성해석을 위해 모드매핑법을 제안하였다 . 모드매핑법은 접수되는 부분의 mesh에 mode를 mapping하여 접수 효과를 고려할 수 있다.
대상 데이터
- 본 논문은 2장에서 모드맵핑법을 제안하고 정식화 내용을 설명한 후 단순모델을 대상으로 검증하였다. 3장에서는 단순화한 원통형 배열 센서 구조물의 접수진동해석 예를 보였으며 4장에서는 결론을 정리하였다.
- 본 연구에서의 해석 대상은 함정용 선저고정형음탐기와 같은 원통형 배열 구조물이다. 함정용 선저고정형 음탐기는 구조물이 복잡하고 관심 주파수대역이 고주파 대역이므로 해석모델이 대형일 가능성이 높다.
- 접수영역은 구조물의 내부와 외부 모든 영역이고 모든 구조영역은 솔리드 요소로 모델링하였다. 센서를 지지하는 원통형 구조물은 반경과 높이가 각각 1 m이고 두께는 1 cm이다. 센서는 원주 방향으로 규칙적으로 분포되어 있으며 모든 구성품의 재료는 철 (Steel) 로 가정하였다.
데이터처리
- LMS/SYSNOISE에서 구현하는 매핑과정은 내부구조가 없는 구조물의 접수 진동 해석 과정(1))과 동일하다. 본 연구에서 제안한 모드매핑법의 유용성을 검증하기 위해 Fig. 3과 같은 내부구조물이 없는 육면체를 LMS/SYSNOISE를 이용하여 해석한 결과와 본 연구에서 제안한 방법을 해석 비교하였다. 외부 가진은 모델 왼쪽 하부 하나의 꼭지점에 1N의 수직력을 주고 그 점의 응답을 계산하였다.
이론/모형
- 사용하여 구현할 수 있다. 구조물의 모드해석은 MSC/NASTRAN을 사용하며, 매핑과정은 LMS/SYSNOISE를 통하여 수행할 수 있다. LMS/SYSNOISE에서 구현하는 매핑과정은 내부구조가 없는 구조물의 접수 진동 해석 과정(1))과 동일하다.
- 구조물의 접수효과를 모델링하는 방법으로는 부가질량법(Added mass method). 반 해석적 방법 (Semi-analytical method), 전달행렬법 (Transfer matrix method), 유한요소법 (Finite element method) 및 경계요소법 (Boundary element method) 등을 사용한다.
- mass method). 반 해석적 방법 (Semi-analytical method), 전달행렬법 (Transfer matrix method), 유한요소법 (Finite element method) 및 경계요소법 (Boundary element method) 등을 사용한다. 이들은 나름대로의 한계를 갖고 있으면서 서로 보완적인 역할을 하도록 활용하기도 한다(1)-⑸.
- 본 논문에서 무한 원방의 수중에 잠겨 있는 원통형 배열 구조물의 접수 효과를 고려하기 위해 경계요소 법을 사용하였다. 경계요소법을 이용하여 구조물의 접수효과를 고려하기 위해 구조는 유한요소로 모델링하고 유체영역은 경계요소로 모델링하여 결합한다.
- 주기대칭 해석은 MSC/NASTRAN을 이용하여 해석하였으며 모드맵핑법 및 접수과정은 LMS/ SYSNOISE를 이용하였다.
성능/효과
- 외부 가진은 모델 왼쪽 하부 하나의 꼭지점에 1N의 수직력을 주고 그 점의 응답을 계산하였다. Fig. 4에서 보인 바와 같이 두 방법으로 부터 구한 변위 응답 결과가 일치하는 것을 확인할 수 있으며 모드매핑법의 유용성을 검증할 수 있었다.
- 구조물이 접수되어 있을 때 전산자원을 효과적으로 활용할 수 있도록 접수된 자유도만을 고려하는모드매 핑 법을 제 안하였다. 모드매핑 법을 적용하지 않아도 해석할 수 있는 단순모델에 대하여 모드매핑법을 적용하지 않은 경우와 적용한 경우를 비교하여 모드매핑법의 신뢰성과 유용성을 보였다.
- 핑 법을 제 안하였다. 모드매핑 법을 적용하지 않아도 해석할 수 있는 단순모델에 대하여 모드매핑법을 적용하지 않은 경우와 적용한 경우를 비교하여 모드매핑법의 신뢰성과 유용성을 보였다. 본연구에서 제안한 모드매핑법은 구조물의 가진 점은 반드시 접수면에 존재하여야 하며 응답도 접수 면에서만 얻을 수 있다.
- 주기 대칭법과 모드맵핑법을 통해 원주방향으로 주기 대칭성을 갖는 대형 구조물의 접수진동을 효과적으로 해석할 수 있었다
후속연구
- 구해질 수 있다⑻ ⑼. 접수효과가 구조물에 미치는 영향을 보면 구조응답에 의한 음파가 구조물에 가 진력으로 작용하는 형태⑹이므로 접수효과를 고려하여 접수면의 응답에 주로 관심이 있는 문제라면 전체모드형을 접수면의 값으로 매핑하여 접수 시접 수면의 응답을 구할 수 있을 것이다. 이를 본 절에서는 정식화하여 모드매핑법이라 하였다.
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