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가설 설정
- 수치해석에 있어서 구조부에 대한 경계조건은 상·하부 평판의 4변은 단순지지로 가정하였다.
제안 방법
- 기진 위치에 따른 URN 변화 수준을 고찰하고자 하부 평판 두께가 11mm인 수치해석모델에 대해 Fig. 2에 도시한 각각의 기진 위치에 1kN의 수직방향 조화기진력이 작용한 경우에 대한 URN 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 구조-유체 연성 효과를 고려할 수 있는 FE/BEM 연성 해석방법을 이용하여 선박 이중저(double bottom) 형상 구조물의 중저주파수 음향방사효율과 URN 해석을 수행하였다. 또한 실제 선박 엔진룸 구역의 하부 이중저 구조를 참고한 유한요소모델의 하부 평판 두께와 기진 위치에 따른 음향방사효율 및 URN 전달함수를 평가하였다. 이를 통해 음향방사효율에 대한 Uchida 실험식 및 URN 전달함수 간이 평가식의 타당성을 고찰하였다.
- 또한, 경계요소에 대한 조건은 측면부는 속도 ‘0’을 부여하고, 상단(top edge)에는 수면에 의한 반사효과를 고려하기 위한 반대칭(anti-symmetry) 조건을 부여하여 하부 평판 진동만에 의한 방사소음을 평가하였다.
- 본 연구에서는 구조-유체 연성 효과를 고려할 수 있는 FE/BEM 연성 해석방법을 이용하여 선박 이중저(double bottom) 형상 구조물의 중저주파수 음향방사효율과 URN 해석을 수행하였다. 또한 실제 선박 엔진룸 구역의 하부 이중저 구조를 참고한 유한요소모델의 하부 평판 두께와 기진 위치에 따른 음향방사효율 및 URN 전달함수를 평가하였다.
- 본 연구에서는 구조-유체 연성 효과를 고려할 수 있는 FE/BEM 연성 해석방법을 이용해 선박 엔진룸 구역의 이중저 형상 구조물에 대한 음향방사효율 및 URN 해석을 수행하였다. 상기 구조의 하부 평판 두께와 상부 판의 기진 위치의 강성에 따른 음향방사효율 및 URN 전달함수를 평가한 결과를 초기 설계단계에서 널리 활용되고 있는 음향방사효율 실험식 및 URN 전달함수 간이 평가식에 의한 결과와 비교·검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 절에서는 음향방사효율과 URN 해석을 위해 진동하는 구조물과 접한 유체간의 연성효과를 고려할 수 있는 FE/BEM 기반의 해석이론을 정리한다(Choi, et al., 1996; LMS, 2000).
- 상기 구조의 하부 평판 두께와 상부 판의 기진 위치의 강성에 따른 음향방사효율 및 URN 전달함수를 평가한 결과를 초기 설계단계에서 널리 활용되고 있는 음향방사효율 실험식 및 URN 전달함수 간이 평가식에 의한 결과와 비교·검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 2에 나타낸 ①~④의 강 지지부(rigidly supported)와 Ⓐ~Ⓓ의 약 지지부(non-rigidly supported)로 설정하였다. 상기 해석에 있어서 물의 밀도와 음속은 각각 1,025kg/m3 과 1,500m/s 로 설정하였다.
- 또한 실제 선박 엔진룸 구역의 하부 이중저 구조를 참고한 유한요소모델의 하부 평판 두께와 기진 위치에 따른 음향방사효율 및 URN 전달함수를 평가하였다. 이를 통해 음향방사효율에 대한 Uchida 실험식 및 URN 전달함수 간이 평가식의 타당성을 고찰하였다.
- 또한, 경계요소에 대한 조건은 측면부는 속도 ‘0’을 부여하고, 상단(top edge)에는 수면에 의한 반사효과를 고려하기 위한 반대칭(anti-symmetry) 조건을 부여하여 하부 평판 진동만에 의한 방사소음을 평가하였다. 조화기진력은 상면에 수직 방향으로 가하였으며, 기진 위치는 Fig. 2에 나타낸 ①~④의 강 지지부(rigidly supported)와 Ⓐ~Ⓓ의 약 지지부(non-rigidly supported)로 설정하였다. 상기 해석에 있어서 물의 밀도와 음속은 각각 1,025kg/m3 과 1,500m/s 로 설정하였다.
- 한편, 기진 위치가 음향방사효율에 미치는 영향을 고찰하고자 하부 평판 두께가 11mm인 경우에 대하여 해석을 수행하였다. Fig.
대상 데이터
- 수치해석 대상 이중저 구조는 크기가 2,400mm × 3,360mm × 1,200mm이며, 상부 평판과 하부 평판 사이의 격벽은 길이 방향으로 600mm, 폭 방향으로 840mm의 등간격으로 3개씩 배치하였다. 또한, 이의 주요 부재별 치수와 재료 물성치는 Table 1과 Table 2에 나타내었는데, 물과 접하는 하부 평판의 경우 두께에 따른 음향방사효율을 검토하고자 11mm, 15mm, 20mm, 30mm, 40mm의 5가지 모델을 적용하였다.
- 수치해석 대상 이중저 구조는 크기가 2,400mm × 3,360mm × 1,200mm이며, 상부 평판과 하부 평판 사이의 격벽은 길이 방향으로 600mm, 폭 방향으로 840mm의 등간격으로 3개씩 배치하였다.
성능/효과
- (1) 이중저 구조의 접수 하부 평판 두께가 증가하면 음향방사효율은 증가한다. 그러나, 상부 평판 기진부의 강성이 음향방사효율에 미치는 영향은 크지 않다.
- (3) 동일한 기진력이 이중저 구조 상부 판의 약 지지부에 작용하면 강 지지부 기진 시와 비교하여 높은 주파수 영역에서의 입력파워 증가로 인해 URN 수준이 증가한다.
- 이로부터 강 지지부 기진 시 FE/BEM 방법으로 해석한 URN 수준은 전반적으로 식 (6)의 간이 평가식에 의한 URN 추정 결과와 유사함을 확인할 수 있다. 그러나, 약 지지부 기진 시 100Hz 이상의 주파수영역에서 간이 평가식에 의한 결과가 FE/BEM 해석 결과 대비 낮게 평가됨을 확인할 수 있다. 이는 동일한 기진력 작용 시 기진부의 강성이 약하면 입력파워가 상대적으로 크기 때문인 것으로 판단한다.
- 8에는 강 및 약 지지부 기진 조건에 대해 하부 평판의 시·공간 평균제곱속도를 나타낸 것이다. 이로부터 70Hz 이상의 주파수 영역에서 강 지지부 기진에 비해 약 지지부 기진 조건에서 상대적으로 큰 속도응답을 나타냄을 확인할 수 있다. 이는약 지지부에 작용한 기진력이 유발한 상대적으로 큰 입력파워가 하부 평판의 응답을 증가시켜 URN을 증대시키기 때문이다.
- 2에 도시한 강 지지부 ①과 ②, 약 지지부 Ⓐ와 Ⓑ에 가진한 경우의 음향방사효율 해석결과를 예시한 것이다. 이로부터 하부 판의 음향방사효율은 상부 판 기진 위치의 지지 강성에 따라 40Hz부터 80Hz 사이의 주파수 구간에서 다소간의 차이가 있으나 전반적으로는 큰 차이가 없음을 확인할 수 있다. 이는 상부 판의 입력 파워가 궁극적으로 보강 격벽을 통해 하부 판으로 전달되므로 상부 판 기진 위치가 음향방사효율에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 평가한다.
후속연구
- (1986)이 편면 접수 평판의 재질과 두께에 따른 음향방사효율에 대한 실험식을 제안하고 통계적 에너지해석방법 및 실선 시험에 의한 결과 등과 비교한 바 있다. 그러나 선박 URN 해석에 있어서 Uchida 등이 제시한 음향방사효율 실험식을 적용할 경우 저주파수 영역에서의 URN 수준이 과도하게 나타나는 문제점이 있어 이를 개선할 수 있는 보완연구가 요구된다.
- 기울기로 변화하는 중주파수 영역의 음향방사효율 특성과 유사함을 확인할 수 있다. 따라서, 선박 URN 해석에 있어서 Uchida 실험식으로 추정한 음향방사효율을 적용할 경우 저주파수 영역에서 URN 수준이 과도하게 추정될 수 있으므로 이에 대한 유의가 필요할 것으로 사료된다.
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