최근 수중폭발로 인한 구조물의 충격응답에 대한 연구는 매우 높은 비용과 소요시간, 민감한 환경문제 등으로 인하여 실제 시험보다는 컴퓨터를 통한 수치해석적 연구가 활발히 진행되어 왔다. 또한 시뮬레이션의 기술 향상과 더욱 정교해진 기능들로 수치 시뮬레이션의 효율성이 증가되었을 뿐 아니라 그 신뢰성까지 증가하였다. 본 연구에서는 유체 표면의 Acoustic Pressure와 구조물 표면 변위의 적절한 관계를 다루는 구조-유체 상호작용(FSI : Fluid-Structure Interaction), 수중폭파 형태를 결정하는 유체의 깊이와 폭발물과 구조물 사이의 거리에 대한 파라미터를 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS에 적용한 시뮬레이션 값과 실험적 이론 값 비교에 중점을 두었다. 수중폭발로 인한 파이프의 충격테스트 응답 분석은 ABAQUS/Explicit을 사용하여 수행되었고, 시간이력에 따른 충격하중, Acoustic Pressure, 타격지점의 응력, 속도, 변형에너지 등 ABAQUS CAE에서 결과를 나타내었다.
최근 수중폭발로 인한 구조물의 충격응답에 대한 연구는 매우 높은 비용과 소요시간, 민감한 환경문제 등으로 인하여 실제 시험보다는 컴퓨터를 통한 수치해석적 연구가 활발히 진행되어 왔다. 또한 시뮬레이션의 기술 향상과 더욱 정교해진 기능들로 수치 시뮬레이션의 효율성이 증가되었을 뿐 아니라 그 신뢰성까지 증가하였다. 본 연구에서는 유체 표면의 Acoustic Pressure와 구조물 표면 변위의 적절한 관계를 다루는 구조-유체 상호작용(FSI : Fluid-Structure Interaction), 수중폭파 형태를 결정하는 유체의 깊이와 폭발물과 구조물 사이의 거리에 대한 파라미터를 상용 유한요소 프로그램인 ABAQUS에 적용한 시뮬레이션 값과 실험적 이론 값 비교에 중점을 두었다. 수중폭발로 인한 파이프의 충격테스트 응답 분석은 ABAQUS/Explicit을 사용하여 수행되었고, 시간이력에 따른 충격하중, Acoustic Pressure, 타격지점의 응력, 속도, 변형에너지 등 ABAQUS CAE에서 결과를 나타내었다.
In recent years, the structural shock response to UNDEX (UNDerwater EXplosion) has been studied as much, or more, through numerical simulations than through testing for several reasons. Very high costs and sensitive environmental concerns have kept destructive underwater explosion testing to a minim...
In recent years, the structural shock response to UNDEX (UNDerwater EXplosion) has been studied as much, or more, through numerical simulations than through testing for several reasons. Very high costs and sensitive environmental concerns have kept destructive underwater explosion testing to a minimum. Increase of simulation capabilities and sophisticated simulation tools has made numerical simulations more efficient analysis methods as well as more reliable testing aids. In this study, the main issue is the fluid-structure interaction. Here, appropriate relations between the acoustic pressure on the fluid surface and displacements on the structure surface are formed internally. The analysis was carried out using ABAQUS/Explicit and the results have been visualized in ABAQUS CAE. The shock loading history, acoustic pressure, stress of stand-off point, the velocity and strain energy time histories were presented.
In recent years, the structural shock response to UNDEX (UNDerwater EXplosion) has been studied as much, or more, through numerical simulations than through testing for several reasons. Very high costs and sensitive environmental concerns have kept destructive underwater explosion testing to a minimum. Increase of simulation capabilities and sophisticated simulation tools has made numerical simulations more efficient analysis methods as well as more reliable testing aids. In this study, the main issue is the fluid-structure interaction. Here, appropriate relations between the acoustic pressure on the fluid surface and displacements on the structure surface are formed internally. The analysis was carried out using ABAQUS/Explicit and the results have been visualized in ABAQUS CAE. The shock loading history, acoustic pressure, stress of stand-off point, the velocity and strain energy time histories were presented.
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문제 정의
수중폭발 해석 시 ALE 기법이나 Acoustic 기법을 사용하여 유체영역을 무한요소로 만들어 주는 것이 일반적이다. 본 논문에서는 유체영역에 Acoustic 기법을 사용하여 파이프와 결합된 구조로 해석이 진행되었다. 아래 Fig.
5m로 동일하다. 본 연구에서는 TNT가 폭발한 후 압력파가 발생했을 때 파이프주변 유체와 파이프에 미치는 영향에 대해서만 고려하였다.
가설 설정
파이프는 Fig. 6에서 나타나듯이 유체의 깊이 d m에서 표면으로부터 Z m에 위치해 있고, 이격거리 R m의 위치에서 폭약(18.3kg of TNT)이 폭발하는 것으로 가정한다. 본 연구에서는 TNT가 폭발한 후 압력파가 발생했을 때 파이프주변 유체와 파이프에 미치는 영향에 대해서만 고려하였다.
제안 방법
본 논문에서는 Shallow 수중폭발과 Deep 수중폭발현상을 구별하는 가장 큰 요소인 유체의 깊이(d m), 폭발원과 구조물 사이의 거리(R)을 매개변수로 두고 총 9개의 경우에 대해서만 고려하였고, 각각에 대한 매개변수는 아래 Table 1과 같다. 즉, 유체의 깊이 1m, 10m, 50m 각 경우에 대해서 이격거리는 1m, 10m, 30m를 설정하였고, TNT의 질량 18.
본 논문에서는 UNDEX 이론에 대해서 설명하였고, 이를 바탕으로 UNDEX 하중을 받는 강재파이프의 실제 사이즈 모델에 대해서 매개변수법을 이용하여 거동응답해석을 수행하였다.
본 연구에서는 구조-유체 연성작용, 압력파 분포 등 경계조건과 상용유한요소 프로그램인 ABAQUS/Explicit을 이용하여 수중폭발 현상 해석을 수행하였다. 이를 위해 먼저 수중 충격해석 이론 및 구조-유체 상호작용을 이용한 해석 기법에 대하여 살펴보았으며, 이를 바탕으로 유체의 깊이와 폭발물과 구조물 사이의 거리에 따른 각 케이스별 수중폭발 충격응답해석을 수행하였고 이에 따른 비교 검증이 수행되어졌다.
즉, 유체의 깊이 1m, 10m, 50m 각 경우에 대해서 이격거리는 1m, 10m, 30m를 설정하였고, TNT의 질량 18.3kg과 유체 바닥에서 파이프까지의 거리는 0.5m로 동일하다.
본 논문에서는 수중에 있는 파이프를 대상으로 해석이 진행되었다. 파이프 모델은 심층수 파이프에 사용되는 규격인 두께 45mm, 길이 30m의 실제 크기로 모델링 하였고, 유체 영역은 매개변수인 유체의 깊이와 Stand-off Distance에 따라서 각 케이스별 모델링 하여 파이프 모델을 충분히 포함할 수 있도록 크게 모델링 하였다. 수중폭발 후 폭발압력은 유체를 매개체로 압력이 파이프에 전달되므로 유체요소는 Acoustic Element를 사용하였고 파이프는 Lagrangian Element를 사용하였다.
3는 해석 대상 모델의 모습을 보여주고 있다. 파이프는 보다 정확한 값을 얻기 위해서 실제 크기로 모델링 하였고 유체 영역은 파이프 모델을 충분히 포함할 수 있도록 크게 모델링 하였다. 수중폭발 후 폭발압력은 유체를 매개체로 압력이 파이프에 전달되므로 유체요소는 Acoustic Elements를 사용하였고 파이프는 Lagrangian Elements를 사용하였다.
대상 데이터
본 논문에서는 수중에 있는 파이프를 대상으로 해석이 진행되어졌으며, Fig. 3는 해석 대상 모델의 모습을 보여주고 있다. 파이프는 보다 정확한 값을 얻기 위해서 실제 크기로 모델링 하였고 유체 영역은 파이프 모델을 충분히 포함할 수 있도록 크게 모델링 하였다.
본 논문에서는 수중에 있는 파이프를 대상으로 해석이 진행되었다. 파이프 모델은 심층수 파이프에 사용되는 규격인 두께 45mm, 길이 30m의 실제 크기로 모델링 하였고, 유체 영역은 매개변수인 유체의 깊이와 Stand-off Distance에 따라서 각 케이스별 모델링 하여 파이프 모델을 충분히 포함할 수 있도록 크게 모델링 하였다.
파이프의 경우 Fig. 4와 같이 4-Noded S4 Shell Elements Type과 12,390개의 Elements를 사용하였고 파이프의 길이 L은 30m, 직경 D는 0.34m이다.
데이터처리
본 연구에서는 구조-유체 연성작용, 압력파 분포 등 경계조건과 상용유한요소 프로그램인 ABAQUS/Explicit을 이용하여 수중폭발 현상 해석을 수행하였다. 이를 위해 먼저 수중 충격해석 이론 및 구조-유체 상호작용을 이용한 해석 기법에 대하여 살펴보았으며, 이를 바탕으로 유체의 깊이와 폭발물과 구조물 사이의 거리에 따른 각 케이스별 수중폭발 충격응답해석을 수행하였고 이에 따른 비교 검증이 수행되어졌다.
이론/모형
ABAQUS는 UNDEX 하중을 해결하기 위해서 Geers-Hunter를 이용한 내부 역학적 모델을 포함하고 있다. 그것은 해석에 앞서 Stand-off Point에 압력 변화율을 규정하는데 Fourth-Order Runge-Kutta 적분 연산을 사용한 후 압력 변화율을 해석에 사용한다. 이러한 과정을 통해서 버블의 진동 효과를 분석할 수 있다.
파이프는 보다 정확한 값을 얻기 위해서 실제 크기로 모델링 하였고 유체 영역은 파이프 모델을 충분히 포함할 수 있도록 크게 모델링 하였다. 수중폭발 후 폭발압력은 유체를 매개체로 압력이 파이프에 전달되므로 유체요소는 Acoustic Elements를 사용하였고 파이프는 Lagrangian Elements를 사용하였다.
파이프는 보다 정확한 값을 얻기 위해서 실제 크기로 모델링 하였고 유체 영역은 파이프 모델을 충분히 포함할 수 있도록 크게 모델링 하였다. 수중폭발 후 폭발압력은 유체를 매개체로 압력이 파이프에 전달되므로 유체요소는 Acoustic Elements를 사용하였고 파이프는 Lagrangian Elements를 사용하였다.
유체의 유한요소 모델은 4-Noded AC3D4 Acoustic Tetrahedral Elements를 사용하였다. 유체에 Acoustic Elements를 사용한 이유는 ABAQUS에서는 유체 모델 바깥쪽 표면으로 반사되는 압력파를 방지하기 위한 것으로 이 표면을 따라 무반사 경계 조건을 구현할 수 있기 때문이다.
성능/효과
또한 바닥 면의 영향으로 인해서 폭발 후 압력파 거동의 변화가 심하게 나타난다. 위 결과로 보아 이격거리가 짧을수록 이론값과 매우 유사한 결과를 얻을 수 있다는 것을 나타낸다.
위 방법을 본 문제에 적용하면, 이격거리 1m에 대해서 Pmax = 163.52Mpa와 λ = 0.1971ms, 이격거리 10m에 대해서 Pmax = 10.8Mpa와 λ = 0.3018ms 그리고 이격거리 30m에 대해서는 Pmax = 2.96Mpa와 λ = 0.3699ms을 얻을 수 있다.
7은 이격거리 1m에 대해서 Stand-off Point와 Source Point 사이에서 시간에 대한 압력비로 이론적 값과 ABAQUS상의 값을 비교한 것이다. 이론적 값의 최대 압력 값(Pmax = 163.52Mpa)이 ABAQUS상의 최대 압력 값(Pmax = 152.45Mpa)보다 크게 나타났다. 또한, 해석 중간에 더미값이 나타났다.
후속연구
향후 Acoustic Element뿐 아니라 ALE (Arbitrary EulerianLagrangian)기법을 적용하여 두 기법의 경계조건에 따른 UNDEX 현상에 대해서 비교분석 하여 충격파와 가스버블이 구조물에 끼치는 다양한 영향을 고려한 비교분석을 수행할 것이다. 또한 ABAQUS 프로그램의 장점인 재료정의 즉, UMAT (User Material Subroutine) Code 개발로 폭발하중을 받는 재료특성을 고려 함으로써 실제 UNDEX 현상에 가까운 거동응답 모사를 할 것이다.
향후 Acoustic Element뿐 아니라 ALE (Arbitrary EulerianLagrangian)기법을 적용하여 두 기법의 경계조건에 따른 UNDEX 현상에 대해서 비교분석 하여 충격파와 가스버블이 구조물에 끼치는 다양한 영향을 고려한 비교분석을 수행할 것이다. 또한 ABAQUS 프로그램의 장점인 재료정의 즉, UMAT (User Material Subroutine) Code 개발로 폭발하중을 받는 재료특성을 고려 함으로써 실제 UNDEX 현상에 가까운 거동응답 모사를 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수중폭발의 종류 2가지는 무엇인가?
수중폭발은 전형적으로 2가지 형태인 충격파(Shock Wave)와 가스버블 펄스(Gas Bubble Pulse)로 나뉜다. 이 2가지 충격하중형태에 대한 수중 구조물의 충격응답(Shock Response) 특성이 매우 다르고, 또 충격하중을 동시에 고려한 구조물의 충격응답 해석은 매우 복잡하고 어렵기 때문에 일반적으로 2가지 형태의 충격하중에 대하여 개별적으로 해석이 수행되어진다.
수중폭발 시뮬레이션이란?
수중폭발 시뮬레이션은 무한한 유체에서 폭발하중을 받는 구조물이 수상·수중에 있을 때 이에 대한 응답을 얻어내어 실제와 같이 모사해 내는 것에 있다. 이것은 무한 유체를 사용하기 때문에 많은 연구자들은 경계요소와 유한요소법의 이점을 조합(Kwon and Fox, 1993, 1998; McCoy et al.
경계요소와 유한요소법을 조합하여 수중폭발 시뮬레이션을 구현하는 이유는?
수중폭발 시뮬레이션은 무한한 유체에서 폭발하중을 받는 구조물이 수상·수중에 있을 때 이에 대한 응답을 얻어내어 실제와 같이 모사해 내는 것에 있다. 이것은 무한 유체를 사용하기 때문에 많은 연구자들은 경계요소와 유한요소법의 이점을 조합(Kwon and Fox, 1993, 1998; McCoy et al., 1997; Shin et al.
참고문헌 (12)
ABAQUS, Example Problems Manual, Version 6.11.
ABAQUS, Theory Manual, Version 6.11.
Adamczyk, R. and Cichocki, K. (1997). "Analysis of the shock response of an underwater structure subjected to a far-field explosion." Proceedings of ABAQUS Users' Conference, Milan, Italy, pp. 73-87.
Arden, K. E. (1995). "Use of MSC/NASTRAN in predicting structural response to an underwater explosion." MSC 1995 World Users' Conference Proceedings, California, p. 51.
Cichocki, K. (1994). "Computer analysis of dynamic response due to underwater explosion on hybrid structure." Proceedings of ABAQUS Users' Conference, Newport, pp. 207-220.
Coles, R. H. (1948). Underwater explosions, Princeton University Press, Princeton.
Geers, T. L. and Hunter, L. S. (2002). "An integrated wave-effects model for an underwater explosion bubble." Journal of Acoustical Society of America, Vol. 111, pp. 1548-1601.
Kwon, Y. W. and Cunningham, R. E. (1998). "Comparison of USA-Dyna finite element models for a stiffened shell subject to underwater shock." Computers and Structures, Vol. 66, pp. 127-144.
Kwon, Y. W. and Fox, P. K. (1993). "Underwater shock response of a cylinder subjected to a side-on explosion." Computers and Structures, Vol. 48, pp. 637-646.
McCoy, R. W. and Sun, C. T. (1997). "Fluid-structure interaction analysis of a thick section composite cylinder subjected to underwater blast loading." Composite Structures, Vol. 37, pp. 45-55.
Shin, Y. S. and Hooker, D. T. (1996). "Damage response of submerged imperfect cylindrical structures to underwater explosion." Computers and Structures, Vol. 60, pp. 683-693.
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