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문제 정의
- 이런 경우 앞서도 언급 했듯이 LS-DYNA 등과 같은 고가의 해석코드를 사용하여 해석을 수행하여야 하는 어려움이 있다. 그러나 본 논문의 연구목적은 서론에서 언급했듯이 추락 낙하 충돌 충격에 의한 처분용기의 파손 상태까지 완전히 해석하기 보다는 파손의 주된 원인인 충격력의 성격을 규명하는 데 있다. 또한 본 논문은 동일 제목으로 처분용기를 강체로 가정하고 작성한 이론 논문인 첫 번째 논문의 후속 논문으로 첫 번째 논문의 연장선상에서 처분용기를 강체로 가정하고 처분용기가 추락낙하 하는 운동에 대하여 기구동역학 해석을 수행하여 처분용기가 추락낙하 하여 지면과 충돌할 때 처분용기에 가해지는 충격력의 성격을 규명한다.
- 그러나 현재 수행된 연구의 궁국적인 목적이 추락낙하 충돌 충격에 의한 처분용기의 파손상태 파악에 있다 하더라도 동일제목의 첫 번째 논문에서 언급하였듯이 본 논문은 첫 번째 논문과 연계하여 파손의 주된 원인인 충격력의 성격을 규명하는 것이 주된 관심이며 특히 LS-DYNA는 매우 고가이기 때문에 해석의 경제성에 제한이 있다고 사료된다. 따라서 본 논문에서는 이미 유사한 이론을 이용하여 작성된 검증된 또다른 우수한 상용 컴퓨터 코드를 활용하여 동 문제를 풀고자 한다. 따라서 본 두 번째 논문에서는 상용 기구동역학 해석 코드인 RecurDyn과 ADAMS를 이용하여 실제 처분장에서의 상황과 유사하게 운반차량위에 처분용기가 실려 운송되고 있는 도중에 사고에 의하여 지면으로 추락낙하 하는 동적인 과정을 시뮬레이션 하여 운반차량의 거동과 추락낙하 하는 처분용기의 거동을 동시에 해석하고 이결과 지면과 처분용기가 충돌 시 처분용기가 받는 충격력의 성격을 규명하고자 한다.
- 따라서 본 논문에서는 이미 유사한 이론을 이용하여 작성된 검증된 또다른 우수한 상용 컴퓨터 코드를 활용하여 동 문제를 풀고자 한다. 따라서 본 두 번째 논문에서는 상용 기구동역학 해석 코드인 RecurDyn과 ADAMS를 이용하여 실제 처분장에서의 상황과 유사하게 운반차량위에 처분용기가 실려 운송되고 있는 도중에 사고에 의하여 지면으로 추락낙하 하는 동적인 과정을 시뮬레이션 하여 운반차량의 거동과 추락낙하 하는 처분용기의 거동을 동시에 해석하고 이결과 지면과 처분용기가 충돌 시 처분용기가 받는 충격력의 성격을 규명하고자 한다.
- 그러나 본 논문의 연구목적은 서론에서 언급했듯이 추락 낙하 충돌 충격에 의한 처분용기의 파손 상태까지 완전히 해석하기 보다는 파손의 주된 원인인 충격력의 성격을 규명하는 데 있다. 또한 본 논문은 동일 제목으로 처분용기를 강체로 가정하고 작성한 이론 논문인 첫 번째 논문의 후속 논문으로 첫 번째 논문의 연장선상에서 처분용기를 강체로 가정하고 처분용기가 추락낙하 하는 운동에 대하여 기구동역학 해석을 수행하여 처분용기가 추락낙하 하여 지면과 충돌할 때 처분용기에 가해지는 충격력의 성격을 규명한다. 처분용기가 추락낙하 하여 지면에 충돌 시까지 처분용기의 운동 특성(처분용기내의 임의 점의 위치, 속도, 가속도)과 이 운동과 처분용기에 가해지는 외력들과의 상관관계식을 이론적으로 풀면 처분용기가 추락낙하 할 때 처분용기의 움직임에 대한 운동역학적 특성을 파악할 수 있다.
- 본 논문은 사고로 지면으로 추락낙하 충돌하는 고준위폐기물 처분용기에 대한 기구동역학 해석에 관한 두 번째 논문으로 수치해석문제를 다루고 있다. 이론을 다룬 첫 번째 논문에서 언급했듯이 사용 후 핵연료와 같은 고준위폐기물의 관리를 위하여 가장 가능하고 안전한 해결방법으로 현재 고려되고 있는 기술은 심지층 처분기술(Choi et al.
- 1에 나타 난 값으로 일정하다. 본 연구에서는 이와 같이 무게가 증가하는 다섯 개의 처분용기 모델에 대하여 처분장에서 운송차량에 실려 운반 중 사고로 추락낙하 하는 경우 지면과 충돌 시 처분용기에 발생하는 충격력을 수치적으로 계산하여 무게에 따른 변화를 알아본다. Fig.
- 이들 컴퓨터 해석 코드들은 이미 그 성능들이 검증되어 이들을 사용하여 기 구동역학 해석을 수행하는 데에는 아무 문제가 없다고 사료된다. 본 연구에서는 이중에서 RecurDyn과 ADAMS를 이용하여 처분용기의 추락낙하 사고에 대한 기구동역학 해석을 수행하기로 한다. 이와 같은 해석은 복합 다물체구조물에서 접촉부분이나 이음매(조인트) 등에서 발생하는 동적하중(Kwon, 1999; Ku et al.
- 이들 값들은 처분용기의 추락낙하운동 상태를 결정하는 매우 민감하고 중요한 인자들이다. 본 연구에서는 처분장에서 처분용기 취급 시 발생하는 처분 용기의 추락낙하 운동을 가능한 한 정확하게 묘사할 수 있도록 운송차량 및 처분용기의 초기속도와 추락낙하 시 발생하는 각 접촉에 대한 마찰계수를 사실적으로 가정하고자 하였다. RecurDyn을 이용한 지면(ground), 운송차량, 처분용기 모델링 시 이들 값들(초기속도와 마찰계수)은 설계변수로서 입력된다.
- 본 절에서는 동일한 제목의 첫 번째 논문에서 논한 이론을 어떻게 처분용기의 추락낙하 문제에 적용하는지에 대한 이론적인 고찰을 간단히 논하고자 한다. 심층적인 이론적인 해석은 또 한편의 논문을 작성해야 하기 때문에 생략하고 간단히 개념만 소개하기로 한다.
- 따라서 처분용기의 추락낙하 시 지면과의 충돌에 의하여 처분용기에 가해지는 충격력의 성격을 정확하게 규명하기 위해서는 임의구조형상의 처분용기 추락낙하 반응에 대한 매우 일반적인 해석방법이 요구된다고 사료된다. 이를 위하여 첫 번째 논문에서는 매우 일반적인 다물체 기구동역학이론이 사고로 추락낙하 하는 처분용기의 지면과의 충돌 충격현상을 이해하기 위하여 연구되었다. 또한 이론 연구결과를 처분장에서 운송차량으로 처분용기 운송 중 사고에 의하여 지면으로 추락낙하 하는 문제에 적용하여 수학적인 정해를 구하는 것은 매우 어렵다는 결론을 얻었으며 실용적인 유용한 방법은 유도된 이론식들을 바탕으로 컴퓨터를 이용하는 수치해석 프로그램을 만들어 삼차원 해석을 수행하는 것이다.
가설 설정
- 이런 경우 추락낙하 충돌 충격에 의한 처분용기의 파손 상태까지 파악하기 위한 엄밀한 해석을 수행하기 위해서는 이와 같은 간극을 고려하여 해석을 수행하여야 한다. 그러나 간극의 크기가 무시할 정도로 매우 작고 처분용기를 간극이 없는 강체로 가정하고 작성한 동일제목의 첫 번째 논문의 연속선상에서 처분용기를 간극이 없는 강체로 가정하고 모델링을 수행한다. 모델링한 결과는 Fig.
- 첫 번째 정의하여야 하는 상수는 스프링 상수(spring constant) k이다. 기구동역학 해석을 수행할 때 모든 물체는 변형이 발생하지 않는 강체(rigid body)로 가정한다. 물체가 접촉 없이 혼자 움직이는 경우는 물체를 강체로 가정할 수 있다.
- 참고로 Table 4의 마찰계수는 처분용기의 무게를 기초로 하여 보간법으로 구한 값이다. 다른 접촉인 운송차량 바퀴와 지면, 처분용기와 충돌 지면과의 마찰계수는 너무 다양한 경우들이 존재하므로 여러 가지 경우들로 입력 데이터 값들을 가정하여야 한다. 따라서 수 많은 경우의 수가 존재한다.
- 따라서 본 논문에서는 처분용기를 길이 L=483cm의 보(beam)로 가정하여 각 경우에 등가 하는 스프링상수를 구할 수 있다. 단 처분용기는 Fig.
- 또한 실제 모형을 사용하는 경우 국제원자력기구(IAEA)에서 요구하는 추락낙하 높이에 따른 처분용기에 가해지는 충격력의 성격을 규명하는 데에는 제한이 있다. 따라서 본 연구에서는 운송차량의 사실감을 살리고 처분용기의 보다 안정적인 안전설계를 위하여 운송차량을 실제의 높이인 2～3m 보다 더 높은 5m 높이의 차량으로 가정하고 이 5m 높이의 차량위에서 처분용기가 운송 중 추락 낙하하는 사고로 가정한다. 이를 위하여 본 연구에서는 Fig.
- 차량이 움직이고 있을 때 처분용기가 추락낙하 하는 것이 자연스럽다고 여겨진다. 따라서 차량의 초기속도는 적당하게 가정하고 Fig. 3과 같이 좌표계를 설정하였을 경우 지면에 고정된 절대좌표계 XYZ의 Y방향으로 처분용기가 운송차량 위에서 움직여서 -X방향으로 자유낙하 한다고 가정한다. xyz좌표계는 처분용기에 고정되어 처분용기와 함께 움직이는 좌표계이다.
- 처분용기가 운송차량 위에서 굴러서 추락낙하 하여 지면과 충돌하는 경우 처분용기와 운송차량 탑재면, 처분용기와 지면과는 접촉이 발생하며 마찰이 작용한다고 가정한다. 물론 차량바퀴와 지면 사이에도 접촉 및 마찰이 작용한다고 가정한다. 또한 처분용기는 비록 지면과의 충돌 직전까지는 거의 강체와 같이 운동 한다 하여도 지면과 충돌하여 충격에 의한 파손 유무를 완전히 해석하기 위해서는 처분용기를 유연한 변형체(flexible body)로 가정하여 해석을 수행함이 타당하다.
- 왜냐하면 접촉 상태는 접촉하는 물체의 종류, 접촉면의 상태, 기타 여러 외부 상황에 따라 변하기 때문이다. 본 논문에서는 처분 용기가 운송차량에서 추락낙하 하여 지면과의 충돌 시 처분 용기에 발생하는 충격력을 정확하게 구할 수 있도록 가능하면 실제 상황과 유사한 경우를 가정하도록 한다.
- 1과 같이 세 가지 물질로 구성 된 복합구조물이므로 이를 고려하여 스프링상수를 구하여야 한다. 우선 처분용기가 추락낙하 하여 지면과 충돌하는 경우 처분용기를 외팔보(cantilever beam)로 가정하여 스프링상수를 구할 수 있다. 그 이유는 처분용기가 지면과 충돌 시 처분용기에 충격력이 가해질 때 충격력이 가해지지 않는 처분용기의 위 덮개 혹은 아래 덮개 면에는 변형이 전혀 발생 하지 않은 고정단과 같이 취급할 수 있기 때문이다(권영주, 2011).
- 1에 나타난 바와 같이 처분용기는 네 개의 고준위폐기물 다발(SNF basket), 이를 감싸는 내부 주철삽입물(cast iron insert), 그리고 구리(Cu)로 된 외곽 쉘(outer shell)과 위아래 덮개(lid and bottom)로 구성되어 있다. 이들 모두를 강체로 가정하고 각 부분들 사이에는 간극이 없다고 가정하여 한 개의 일체된 구조물로 모델링한다. 실제 처분용기구조에서 네 개의 고준위폐기물 다발은 이들을 감싸고 있는 주철 삽입물과 간극 없이 일체화된 상태로 장착되어 있다.
- 따라서 본 연구에서는 운송차량의 사실감을 살리고 처분용기의 보다 안정적인 안전설계를 위하여 운송차량을 실제의 높이인 2～3m 보다 더 높은 5m 높이의 차량으로 가정하고 이 5m 높이의 차량위에서 처분용기가 운송 중 추락 낙하하는 사고로 가정한다. 이를 위하여 본 연구에서는 Fig. 3과 같이 모델링한 5m 높이의 운송차량 위에 처분용기가 위 덮개 부분이 차량 앞쪽(운송차량 진행방향)으로 놓여있는 상태에서 추락낙하 한다고 가정한다.
- 이와 같은 관점에서 본 연구에서는 운송차량의 초기속도를 Z축 방향으로 100∼200mm/sec(약 0.36∼0.9km/hr)로 가정하였다.
- xyz좌표계는 처분용기에 고정되어 처분용기와 함께 움직이는 좌표계이다. 처분용기가 운반차량위에서 움직이는 경우는 미끄러지지 않고 굴러서 움직인다고 가정한다. 처분용기가 운송차량 위에서 굴러서 추락낙하 하여 지면과 충돌하는 경우 처분용기와 운송차량 탑재면, 처분용기와 지면과는 접촉이 발생하며 마찰이 작용한다고 가정한다.
- 처분용기가 운반차량위에서 움직이는 경우는 미끄러지지 않고 굴러서 움직인다고 가정한다. 처분용기가 운송차량 위에서 굴러서 추락낙하 하여 지면과 충돌하는 경우 처분용기와 운송차량 탑재면, 처분용기와 지면과는 접촉이 발생하며 마찰이 작용한다고 가정한다. 물론 차량바퀴와 지면 사이에도 접촉 및 마찰이 작용한다고 가정한다.
- 초기에 처분용기는 운송차량에 탑재되어 있으므로 처분용기 초기속도의 Z방향성분은 운송차량의 속도인 100∼200mm/sec와 같고 X방향속도는 없으며 Y방향속도는 처분 용기가 운송차량에서 추락낙하 할 수 있도록 충분한 속도를 갖도록 가정하여야 한다.
- 그러나 이런 경우 본 논문의 분량이 매우 길어지고 또한 추가작업에 따른 시간도 상당히 요구되기 때문에 이는 별도의 후속 논문에서 다루는 것이 옳다고 사료된다. 특히 본 논문은 앞서 언급했듯이 처분용기를 강체로 가정하고 작성한 동일 제목의 첫 번째 논문의 후속 논문으로 그 연속선상에서 처분용기를 강체로 가정하고 해석을 수행한다.
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