[논문]고속충돌에 의한 원통형 액체 용기의 유체-구조 연성해석

배홍수; 우경식; 김인걸; 김종헌

doi:10.5139/jksas.2016.44.2.108

고속충돌에 의한 원통형 액체 용기의 유체-구조 연성해석
Analysis of Fluid-Structure Interaction by High Velocity Impact for Liquid Filled Cylindrical Container 원문보기

한국항공우주학회지 = Journal of the Korean Society for Aeronautical & Space Sciences, v.44 no.2, 2016년, pp.108 - 115

배홍수 (Department of Civil Systems Engineering, Chungbuk National University) , 우경식 (School of Civil Engineering, Chungbuk National University) , 김인걸 (Department of Aerospace Engineering, Chungnam National University) , 김종헌 (Agency for Defense Development)

초록
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본 논문에서는 유체를 포함하고 있는 원통형 용기에 고속의 충격체가 관통하는 경우에 대하여 ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian) 방법을 사용하여 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 해석모델은 물이 채워진 원통형 폴리머 용기를 고려하였으며, 상용유한요소해석 프로그램 LS-DYNA를 사용하여 연구를 수행하였다. 고속의 충격체가 유체를 포함하고 있는 용기에 충격하여 관통하면서 발생한 수압램 현상에 대해 충격체의 거동 시간이력, 유체의 압력 및 밀도 변화를 통하여 발생하는 유체-구조 상호작용 현상을 분석하였다. 해석 결과는 실험 결과에서 얻은 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, fluid-structure of interaction behavior of a fluid-filled cylindrical polymer container impacted by a high speed spherical projectile was studied using ALE(Arbitrary Lagrangian Eulerian) method. The hydrodynamic ram phenomenon occurred by the impact projectile penetrating through the container was investigated by examining time histories of projectile velocity and fluid pressure and density. The analysis results were agreed reasonably well compared to those by experiments.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 유체가 채워진 폴리머로 된 원통형 용기에 구형 발사체가 고속으로 충격, 관통하는 문제에 대하여 ALE 방법을 채용하여 유체구조연성해석을 수행하였다. 상용유한 요소해석 프로그램 LS-DYNA를 사용하여 충격체와 용기는 라그랑지 요소로, 그리고 유체는 ALE 고체요소로 모델링 하였다.
본 연구에서는 유체를 포함하고 있는 폴리머로 된 원통형 용기에 원형 충격체가 관통하는 문제에 대하여 ALE 방법을 채용하여 유체-구조 연성해석을 수행하였다. 충격체와 용기는 라그랑지 요소로, 그리고 유체는 ALE 고체 요소로 모델링 하였다.
이후, Kimsey[8]는 연속체 방정식과 재료 구성방정식을 이용하여 수압램 현상을 예측하는 시도를 하였다. 이 연구에서는 라그랑지(Lagrangian) 유한 요소법을 기반으로 관통이 발생하는 원형 탱크에 대하여 수압램 현상 연구를 수행하였다. 해석결과 많은 요소들에서 아주 큰 크기의 요소 왜곡이 발생하였지만 획득한 결과를 통하여 현상을 이해할 수 있는 수준이었다.
6 mm 두께의 일반 PET(polyethylene terenphthalate)병 용기로 길이는 260 mm 이다. 투명한 PET 폴리머 용기를 선택한 이유는 수압램의 주요현상(충격, 관통, 공동생성 그리고 탈출단계)을 실험적으로 관측하고 이를 해석결과와 비교하기 위한 것이다. 충격체가 충돌, 관통하는 용기의 입구부분의 지름은 85 mm, 충격체가 관통한 후 용기를 빠져나가는 출구의 지름은 25 mm이다.

제안 방법

) 200 m/s 으로 고속 충돌하도록 하였다. 고려한 해석형상은 충격체의 경로를 기준으로 대칭인 형태이므로 전체의 1/4만을 대칭 경계조건을 이용하여 모델링하였다. 또한 충격체가 빠져나오는 용기의 좁은 끝 부분에서 축방향의 변위를 구속하였다.
고려한 해석형상은 충격체의 경로를 기준으로 대칭인 형태이므로 전체의 1/4만을 대칭 경계조건을 이용하여 모델링하였다. 또한 충격체가 빠져나오는 용기의 좁은 끝 부분에서 축방향의 변위를 구속하였다.
본 연구에서는 사전 연구를 통하여 충돌과 유체의 거동을 효과적으로 나타낼 수 있는 격자망을 사용하였다(현재 모델보다 상세한 요소망을 사용한다면 충격체 거동시간이력 등에 대하여 더 유사한 결과를 얻을 수 있으나, 계산자원의 한계와 상세한 요소망의 ALE 요소의 경우 해석에서 불안정성을 야기할 수 있기 때문에 적절한 요소망을 사용하는 것이 중요하다[12]).
본 연구에서는 유체가 채워진 폴리머로 된 원통형 용기에 구형 발사체가 고속으로 충격, 관통하는 문제에 대하여 ALE 방법을 채용하여 유체구조연성해석을 수행하였다. 상용유한 요소해석 프로그램 LS-DYNA를 사용하여 충격체와 용기는 라그랑지 요소로, 그리고 유체는 ALE 고체요소로 모델링 하였다. 해석 결과를 실험의 결과와 비교하여 해석의 타당성을 검증하였고, 충격체의 거동시간이력, 유체의 밀도 및 압력변화, 에너지시간이력 등에 대하여 고찰하였다.
용기에는 물이 가득 차 있으며, 지름이 6 mm 인 원형 강철 충격체를 사용하여 초기 속도(v_pi) 200 m/s 으로 고속 충돌하도록 하였다. 고려한 해석형상은 충격체의 경로를 기준으로 대칭인 형태이므로 전체의 1/4만을 대칭 경계조건을 이용하여 모델링하였다.
본 연구에서는 구조와 구조(충격체와 용기) 사이의 접촉 조건은 벌칙함수 방법(Eroding_Surface_to_Surface)을 적용하였다. 유체와 구조(물과 충격체, 알루미늄 용기 및 아크릴벽)사이의 상호 작용은 벌칙함수를 기본으로 하는 Constrain_Lagrange_in_Solid (CTYPE=4, penalty coupling)결합을 적용하였다.
유체인 물은 프로그램 내 물의 점성 구성 방정식을 정의하여 모사하였다. 점성 구성 방정식은 응력 텐서( _j)를 동적 점성계수(v_d), 편향변형율속도(#), 그리고 압력( )의 함수로 되어있다.
본 연구에서는 유체가 채워진 폴리머로 된 원통형 용기에 구형 발사체가 고속으로 충격, 관통하는 문제에 대하여 ALE 방법을 채용하여 유체구조연성해석을 수행하였다. 상용유한 요소해석 프로그램 LS-DYNA를 사용하여 충격체와 용기는 라그랑지 요소로, 그리고 유체는 ALE 고체요소로 모델링 하였다. 해석 결과를 실험의 결과와 비교하여 해석의 타당성을 검증하였고, 충격체의 거동시간이력, 유체의 밀도 및 압력변화, 에너지시간이력 등에 대하여 고찰하였다.
상용유한 요소해석 프로그램 LS-DYNA를 사용하여 충격체와 용기는 라그랑지 요소로, 그리고 유체는 ALE 고체요소로 모델링 하였다. 해석 결과를 실험의 결과와 비교하여 해석의 타당성을 검증하였고, 충격체의 거동시간이력, 유체의 밀도 및 압력변화, 에너지시간이력 등에 대하여 고찰하였다.
충격체와 용기는 라그랑지 요소로, 그리고 유체는 ALE 고체 요소로 모델링 하였다. 해석결과를 실험을 통하여 얻은 결과와 비교하여 해석의 타당성을 검증하였고, 충격체의 거동시간이력, 유체의 밀도 및 압력변화 분포 등에 대하여 고찰하였다.

대상 데이터

Figure 2는 본 연구에서 고려한 해석 유한요소 모델을 보여주고 있다. 용기는 4336개의 쉘요소를, 충격체는 112개의 강체요소를 사용하여 모델링 하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 유체는 용기 안은 물로, 밖은 보이드(Void)로 되어 있다.
용기와 충격체의 재료는 각각 강철과 PET이며 물성치는 Table 2에 정리되어 있다. 여기서 PET의 물성치는 Buchar 등[15]과 PLASTECH [16]에서 제공하는 정보를 참조하였다.
그림에서 볼 수 있듯이 유체는 용기 안은 물로, 밖은 보이드(Void)로 되어 있다. 유체 요소는 ALE 방법을 채택한 238672개의 고체 요소(ELFORM=12)를 사용하였으며, 물과 보이드 사이에는 동일한 접촉면을 공유하여 흐름을 표현하였다. 이러한 문제와 같이 충격체와 용기의 고속 충돌, 그리고 충격체의 이동에 따른 유체의 거동을 잘 표현하기 위해서는 충격체가 지나가는 주변으로 높은 밀도의 격자망을 사용하여 유체와 구조물 상호작용을 고려하는 것이 유리하다.

이론/모형

여기에서 는 u_s-u_p 곡선의 절편(intercept)을, S₁, S₂, S₃는 u_s-u_p 곡선 기울기의 계수를, γ₀는 Gruneisen 감마를 의미한다. 본 연구에서 고려한 물성치 및 상태변수는 참고문헌[12,14]을 참조하였으며, Table 1에 자세히 나타나 있다.
유체-구조 연성해석과 같이 유체와 구조사이의 상호작용을 다루는 문제에서는 각각의 모델링 요소들 사이의 상호접촉 조건을 정의하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 구조와 구조(충격체와 용기) 사이의 접촉 조건은 벌칙함수 방법(Eroding_Surface_to_Surface)을 적용하였다. 유체와 구조(물과 충격체, 알루미늄 용기 및 아크릴벽)사이의 상호 작용은 벌칙함수를 기본으로 하는 Constrain_Lagrange_in_Solid (CTYPE=4, penalty coupling)결합을 적용하였다.
용기와 충격체의 재료는 각각 강철과 PET이며 물성치는 Table 2에 정리되어 있다. 여기서 PET의 물성치는 Buchar 등[15]과 PLASTECH [16]에서 제공하는 정보를 참조하였다. PET는 폴리머 재료의 대표적인 종류의 하나로, 큰 소성 변형률과 변형률 속도에 따른 거동이 달라지는 재료의 특성을 가진다.

성능/효과

그림에서 나타나듯이 실험과 전산해석 결과는 상당히 유사한 경향을 보이고 있다. 그러나, 시간이 지나감에 따라 전산해석과 실험에서의 이동거리, 속도 시간이력이 약 5% 정도의 차이를 보이는데, 이는 전산해석상에서 유체-구조 상호작용의 한계를 고려하였을 때 비교적 정확한 결과라고 할 수 있다.
이러한 폴리머 재료의 재료 물성치 모델링의 한계 등으로 인하여 기존의 연구에서는 폴리머 용기 내부에서 발생하는 수압램 현상을 예측하지 못하였으나, 본 연구에서는 폴리머 용기 내부에서 발생하는 수압램 현상을 정성적으로 분석할 수 있음을 보였다.
그러나, 압력파의 크기를 정확하게 예측하는 것에는 한계가 있었는데, 이는 압력파에 밀접한 영향이 있는 용기의 변형이 실제 발생하는 용기의 거동을 예측하는데 재료 모델의 불확실성을 포함하고 있기 때문이라고 판단된다. 진행하는 충격체 뒤로는 유체가 비는 공동현상이 발생하여, 공동의 형태와 크기는 해석과 실험의 결과가 상당히 유사하였으며, 이를 통하여 폴리머 용기의 재료모델에서 야기하는 해석의 한계를 제외한 수압램 현상의 기본적인 현상을 유체구조 연성해석을 통하여 비교적 정확하게 예측할 수 있음을 보였다.
충격체가 용기를 관통하여 유체와 충돌하면서 유체에서는 충격파가 발생되었으며, 충격체가 유체 내부에서 진행하면서 충격체 주변으로 유체에 방사형태의 압력장이 생성되었다. 충격단계와 관통단계에서 발생하는 압력파는 실험과 비교하였을 때, 압력파가 발생하는 시점과 기간은 두 위치에서 정성적으로 비교적 정확하게 예측 할 수 있었다. 그러나, 압력파의 크기를 정확하게 예측하는 것에는 한계가 있었는데, 이는 압력파에 밀접한 영향이 있는 용기의 변형이 실제 발생하는 용기의 거동을 예측하는데 재료 모델의 불확실성을 포함하고 있기 때문이라고 판단된다.
해석 결과, 충격체가 용기에 충돌, 관통하여 들어가 유체 내부에서 진행하면서 보이는 충격체의 거동은 실험결과와 상당히 유사한 경향을 보였다. 시간이 지남에 따라서 실험결과와의 약간의 오차를 보이는데, 이는 폴리머의 비선형 재료 모델링의 문제 및 발생하는 오차의 누적에 기인한 것으로 판단된다.
이 연구에서는 라그랑지(Lagrangian) 유한 요소법을 기반으로 관통이 발생하는 원형 탱크에 대하여 수압램 현상 연구를 수행하였다. 해석결과 많은 요소들에서 아주 큰 크기의 요소 왜곡이 발생하였지만 획득한 결과를 통하여 현상을 이해할 수 있는 수준이었다.

후속연구

또한 탄성-소성의 경계도 불확실하며 큰 변형률속도(high strain rate) 상태에서 폴리머 재료의 점성도 영향이 있는데(eg., [18]) 모든 변형률속도에 대해 물성치 선도를 구하는 것은 현실적으로 불가능 하므로 본 연구에서는 응력-변형률 선도에 대해 민감도 해석 등 다양한 방법을 시도하였으나 완전히 일치하는 결과를 얻지는 못하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수압램 현상은 무엇을 초래하는가?	수압램 현상는 대표적인 전투 손상으로 유체를 포함하는 구조물에 고속의 물체가 관통/폭발과 함께 발생되며, 이 현상은 연료탱크가 있는 날개 구조물에서 일어날 수 있다. 수압램 현상로 인하여 유체 내부에는 최대 약 600기압 이상의 높은 압력을 발생할 수 있으며, 이러한 압력은 비행체 날개 구조물에 대하여 심각한 손상을 초래한다[1].
	날개의 외피 안쪽을 연료탱크로 사용하였을 경우 생기는 문제점은 무엇인가?	일반적으로 전투용 비행체는 경량성 및 공력 특성의 저하를 막기 위하여 날개의 외피 안쪽을 연료탱크로 사용한다. 이 경우 연료탱크는 전투환경에서 외부의 위협을 받으며 외부의 충격에 의하여 심각한 전투 손상을 입을 수 있다. 수압램 현상는 대표적인 전투 손상으로 유체를 포함하는 구조물에 고속의 물체가 관통/폭발과 함께 발생되며, 이 현상은 연료탱크가 있는 날개 구조물에서 일어날 수 있다.
	날개의 외피 안쪽을 연료탱크로 사용하는 이유는 무엇인가?	일반적으로 전투용 비행체는 경량성 및 공력 특성의 저하를 막기 위하여 날개의 외피 안쪽을 연료탱크로 사용한다. 이 경우 연료탱크는 전투환경에서 외부의 위협을 받으며 외부의 충격에 의하여 심각한 전투 손상을 입을 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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