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문제 정의
- 이 연구에서는 수중폭발에 의하여 발생된 충격파가 잠수함에 부착된 원통형 배열센서에 직접 또는 간접적으로 전달되어 나타나는 구조물의 응답을 확인하고, 이로부터 안정성 평가를 수행하기 위한 M&S 기법을 구축하였다.
제안 방법
- 구조물의 유한요소 모델과 경계조건의 신뢰성을 확인하기 위하여 모드해석을 수행하였다. 모드해석을 통하여 도출된 주요 고유모드 6개를 Fig.
- 구조해석을 위하여 단순화 모델링을 실시하였으며, 각각의 센서는 등가의 point mass로 대체하였다. 단순화 시킨 원통형 배열센서 모델을 Fig.
- 내충격 응답해석은 수직방향, 횡방향과 종방향에 대하여 BV-043에서 제시하고 있는 DVA 데이터로부터 충격 가속도 신호를 생성하여 선체고정부에 입력한 후에 MSC/NASTRAN을 이용하여 과도해석을 수행함으로써 실시하였다. 먼저 수직방향의 가속도를 입력한 경우에 요소와 시간에 따른 von-Mises 응력변화는 Fig.
- 구조해석을 위하여 단순화 모델링을 실시하였으며, 각각의 센서는 등가의 point mass로 대체하였다. 단순화 시킨 원통형 배열센서 모델을 Fig. 2와 같이 10절점 사면체 요소와 20절점 육면체 요소로 모델링하였다. 모델링 된 각 구성요소의 재료 및 요소의 개수는 Table 1과 같다.
- 해석결과는 각 시간과 요소에 대하여 구조물의 구조안정성을 평가할 수 이도록 결과를 도출하였으며, 해석결과를 구조물에 맵핑하여 최대응력이 발생하는 부분을 쉽게 확인할 수 있도록 후처리 과정을 확립하였다. 또한 각 시간별 최대응력을 그래프로 표시하여 시간에 따른 최대응력발생 경향을 확인할 수 있도록 하였으며, von-Mises법을 통하여 구조물의 항복응력과 비교하고 구조 안정성을 평가할 수 있도록 하였다.
- 선체를 통하여 전달되는 충격파에 대한 해석을 위하여 BV-043에서 제시하는 방법에 따라 수직방향, 횡방향 및 종방향에 대한 입력 파형을 모델링하고 MSC.NASTRAN을 이용하여 내충격 해석을 수행하였다. 수중폭발에 의하여 직접적으로 충격파가 전해지는 경우의 해석은 MIL-STD-901D에서 제시하는 절차에 따라 MSC.
- 수중폭발이 발생한 경우에 생성되는 충격파의 직접 전파에 의한 구조물의 응답은 MIL-STD-901D에서 제시하고 있으며, 이에 따른 실험 환경을 구현하기 위하여 Fig. 15와 같이 해석영역을 설정하고 구조물과 폭발물을 10 m의 간격을 두고 위치시켰다.
- 이 연구에서는 수중폭발에 의하여 발생된 충격파가 잠수함에 부착된 원통형 배열센서에 직접 또는 간접적으로 전달되어 나타나는 구조물의 응답을 확인하고, 이로부터 안정성 평가를 수행하기 위한 M&S 기법을 구축하였다. 우선 구조해석에 필요한 유한요소모델을 구축하고, 구조-유체 연성해석을 위한 유한체적요소를 생성하였다. 선체를 통하여 장비 받침대에 가해지는 충격가속도에 의한 내충격 성능은 BV-043에 주어진 절차에 따라 MSC/NASTRAN(7)을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다.
- 각 성분은 서로 다른 고유진동수를 가지는 다수의 1자유도계가 부착된 베이스를 충격가진 하여 발생하는 각 자유도계의 최대상대변위를 계산함으로써 구할 수 있다. 원통형 배열센서의 응답을 구하기 위하여 사용된 시간에 따른 충격 가속도 신호는 Fig. 5와 같으며, DVA선도와 동일한 에너지를 가지는 세 개의 삼각파로 변환하여 모델에 적용하였다. 여기서 사용된 파라미터들은 DVA선도에 상응하는 에너지를 잘 표현할 수 있도록 여러 번의 시행착오를 거쳐서 생성하였다.
- 잠수함에 부착되어 수중 탐지 장비로 사용되는 소나에 대한 구조 응답 및 안정성을 평가할 수 있는 M&S기법을 수립하고, 원통형 배열센서에 대하여 해석 및 평가를 실시하였다.
- 폭발물은 JWL 모델의 상태방정식 형태로 해석에 적용하였다. 해석결과는 각 시간과 요소에 대하여 구조물의 구조안정성을 평가할 수 이도록 결과를 도출하였으며, 해석결과를 구조물에 맵핑하여 최대응력이 발생하는 부분을 쉽게 확인할 수 있도록 후처리 과정을 확립하였다. 또한 각 시간별 최대응력을 그래프로 표시하여 시간에 따른 최대응력발생 경향을 확인할 수 있도록 하였으며, von-Mises법을 통하여 구조물의 항복응력과 비교하고 구조 안정성을 평가할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 1과 같으며 드럼, 배열센서, 마운트, 선체고정부로 구성되어있다. 대상 모델의 직경은 약 0.9 m이고 높이는 약 0.7 m이며, 전체 질량은 약 1 ton이다.
- 이 논문의 구조 안정성 평가 대상인 원통형 배열센서(cylindrical array sensor)는 다수의 배열센서가 원주방향으로 부착되어 있는 구조물로써, 잠수함 주위의 다양한 방향에서 발생하는 신호를 탐지하기 위한 장비이다. 원통형 배열센서의 구조는 Fig. 1과 같으며 드럼, 배열센서, 마운트, 선체고정부로 구성되어있다. 대상 모델의 직경은 약 0.
- A, B, ω, R1, R2는 폭발물의 종류에 따라 정해지는 상수이며 Lee와 Tarver(12)에 의해 정의되었다. 이 연구에서는 TNT에 대한 물성치를 사용하였다.
데이터처리
- 해석된 결과는 식 (1)을 이용하여 von-Mises 응력을 유도하고 재료의 항복응력과 비교하여 구조 안정성을 평가하였다.
이론/모형
- 유체경계에서의 무반사 경계조건을 구현하기 위하여 PML(perfectly matched layer) 기법(9)을 해석에 적용하였다. 구조안정성 평가는 요소 및 시간별로 소나 구조물 내에 발생한 최대응력분포를 구하여 von-Mises법(10)으로 실시하였다.
- 우선 구조해석에 필요한 유한요소모델을 구축하고, 구조-유체 연성해석을 위한 유한체적요소를 생성하였다. 선체를 통하여 장비 받침대에 가해지는 충격가속도에 의한 내충격 성능은 BV-043에 주어진 절차에 따라 MSC/NASTRAN(7)을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 수중폭발에 의해 충격파가 직접 가해지는 경우의 구조 안 정성은 MIL-STD-901D에서 제시하는 절차에 따라 MSC/DYTRAN의 CLE(Coupled Lagrangian/Eulerian) 구조-유체 연성해석 기법(8)을 이용하여 시뮬레이션하였다.
- 앞서 생성한 구조물의 유한요소 모델을 해석영역 내부에 설정하고 유체 요소의 변형 없이 해석이 가능한 CLE(Coupled Lagrangian/Eulerian) 방법을 이용하여 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 수중폭발 구현을 위한 폭발물은 JWL(Jones-Wilkins-Lee) 모델(11)을 적용하였으며 해당 모델의 상태방정식은 식 (2)와 같다.
- NASTRAN을 이용하여 내충격 해석을 수행하였다. 수중폭발에 의하여 직접적으로 충격파가 전해지는 경우의 해석은 MIL-STD-901D에서 제시하는 절차에 따라 MSC.DYTRAN을 이용하여 해석을 수행하였다. 폭발물은 JWL 모델의 상태방정식 형태로 해석에 적용하였다.
- 선체를 통하여 장비 받침대에 가해지는 충격가속도에 의한 내충격 성능은 BV-043에 주어진 절차에 따라 MSC/NASTRAN(7)을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였다. 수중폭발에 의해 충격파가 직접 가해지는 경우의 구조 안 정성은 MIL-STD-901D에서 제시하는 절차에 따라 MSC/DYTRAN의 CLE(Coupled Lagrangian/Eulerian) 구조-유체 연성해석 기법(8)을 이용하여 시뮬레이션하였다. 유체경계에서의 무반사 경계조건을 구현하기 위하여 PML(perfectly matched layer) 기법(9)을 해석에 적용하였다.
- DYTRAN을 이용하여 유한체적요소로 생성하였다. 앞서 생성한 구조물의 유한요소 모델을 해석영역 내부에 설정하고 유체 요소의 변형 없이 해석이 가능한 CLE(Coupled Lagrangian/Eulerian) 방법을 이용하여 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 수중폭발 구현을 위한 폭발물은 JWL(Jones-Wilkins-Lee) 모델(11)을 적용하였으며 해당 모델의 상태방정식은 식 (2)와 같다.
- 수중폭발에 의해 충격파가 직접 가해지는 경우의 구조 안 정성은 MIL-STD-901D에서 제시하는 절차에 따라 MSC/DYTRAN의 CLE(Coupled Lagrangian/Eulerian) 구조-유체 연성해석 기법(8)을 이용하여 시뮬레이션하였다. 유체경계에서의 무반사 경계조건을 구현하기 위하여 PML(perfectly matched layer) 기법(9)을 해석에 적용하였다. 구조안정성 평가는 요소 및 시간별로 소나 구조물 내에 발생한 최대응력분포를 구하여 von-Mises법(10)으로 실시하였다.
- 유체영역의 경계에서 압력구배에 의해 발생하는 반사파의 영향을 줄이기 위하여 PML 기법을 적용하였다. PML 기법은 각 방향에 흡수계수를 적용하여 경계에서 발생하는 압력구배를 줄여주는 역할을 한다.
- 유체의 해석영역은 MSC.DYTRAN을 이용하여 유한체적요소로 생성하였다. 앞서 생성한 구조물의 유한요소 모델을 해석영역 내부에 설정하고 유체 요소의 변형 없이 해석이 가능한 CLE(Coupled Lagrangian/Eulerian) 방법을 이용하여 유체-구조 연성해석을 수행하였다.
- DYTRAN을 이용하여 해석을 수행하였다. 폭발물은 JWL 모델의 상태방정식 형태로 해석에 적용하였다. 해석결과는 각 시간과 요소에 대하여 구조물의 구조안정성을 평가할 수 이도록 결과를 도출하였으며, 해석결과를 구조물에 맵핑하여 최대응력이 발생하는 부분을 쉽게 확인할 수 있도록 후처리 과정을 확립하였다.
성능/효과
- 10 및 13와 같이 구조물에 맵핑하였으며 이로부터 횡방향과 종방향의 충격 가속도 입력 시 구조물 내에서 최대응력이 발생하는 부분은 드럼의 기둥 아랫부분이었으며, 가진되는 방향으로 조금 더 큰 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 응력변화 데이터로부터 각 시간별 전체요소에서의 최대응력을 구하여 Fig. 11과 14에 나타내었으며, 재료의 항복응력과 비교한 경우에 해당 구조물은 외부 충격에 대하여 구조적으로 안전하다고 평가할 수 있었다.
- 7과 같이 구조물에 맵핑하였으며 이로부터 수직방향으로 충격 가속도가 가해지는 경우에 구조물 내에서 최대응력이 발생하는 지점은 드럼의 윗부분과 아랫부분임을 확인할 수 있었다. 또한, 응력변화 데이터로부터 각 시간별 전체요소에서의 최대응력을 구하여 Fig. 8에 나타내었으며, 재료의 항복응력과 비교한 경우에 해당 구조물은 외부 충격에 대하여 구조적으로 안전하다고 평가할 수 있었다.
- 19와 같이 나타났다. 수중폭발 해석의 맵핑된 결과로부터 구조물에 발생하는 응력은 드럼의 전체에서 큰 경향을 보였으며, 드럼의 바닥부분에서 특히 큰 값이 나타남을 확인할 수 있었다. 또한, 각 시간에 따른 전체 요소에서의 최대응력을 구하여 Fig.
- 20에 나타내었다. 응력은 약 0.008초에서 최대값을 가진 이후에 시간이 흐름에 따라 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 재료의 항복응력과 구조물의 최대응력을 비교한 경우에 해당 구조물은 수중폭발 충격에 대하여 구조적으로 안전하다고 평가할 수 있었다.
- 008초에서 최대값을 가진 이후에 시간이 흐름에 따라 크기가 줄어드는 것을 확인할 수 있었다. 재료의 항복응력과 구조물의 최대응력을 비교한 경우에 해당 구조물은 수중폭발 충격에 대하여 구조적으로 안전하다고 평가할 수 있었다.
- 9 및 12와 같다. 전체 해석 시간동안에 구조물의 각 요소에 발생한 최대응력을 추출하여 Fig. 10 및 13와 같이 구조물에 맵핑하였으며 이로부터 횡방향과 종방향의 충격 가속도 입력 시 구조물 내에서 최대응력이 발생하는 부분은 드럼의 기둥 아랫부분이었으며, 가진되는 방향으로 조금 더 큰 응력이 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 응력변화 데이터로부터 각 시간별 전체요소에서의 최대응력을 구하여 Fig.
- 6과 같다. 전체 해석 시간동안에 구조물의 각 요소에 발생한 최대응력을 추출하여 Fig. 7과 같이 구조물에 맵핑하였으며 이로부터 수직방향으로 충격 가속도가 가해지는 경우에 구조물 내에서 최대응력이 발생하는 지점은 드럼의 윗부분과 아랫부분임을 확인할 수 있었다. 또한, 응력변화 데이터로부터 각 시간별 전체요소에서의 최대응력을 구하여 Fig.
후속연구
- 이 논문을 통하여 확립된 평가 방법을 이용하면 원통형 배열센서가 아닌 잠수함에 부착되는 다양한 장비에 대해서도 동일하게 적용하여 구조안정성을 평가하는 것이 가능할 것이다.
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