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문제 정의
- 본 연구에서는 터널외부 폭발에 의한 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 현상에 대한 전산해석연구를 위하여 CONWEP, AUTODYN 및 LS-DYNA 그리고 CONWEP 과 LS-DYNA를 결합한 방법의 전산해석결과를 제시하고 그 결과를 시험결과와 비교분석하여 전산해석의 신뢰성을 확인하고 FRM 개발을 위한 DB 데이터 생성을 위한 도구로 적용가능한지 검토하였다.
제안 방법
- FRM 개발을 위한 DB 데이터 생성을 위한 도구로 적용가능한지 검토하기 위하여 터널외부 폭발에 의한 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 현상에 대한 전산해석연구를 CONWEP, AUTODYN 및 LS-DYNA를 이용하여 수행한 후 연구 결과를 제시하고 그 결과를 시험결과와 비교분석하여 전산해석의 신뢰성을 확인하고자 한다.
- 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 현상에 대한 전산해석 연구와의 비교 분석을 위한 시험데이터를 얻기 위하여 방폭문을 제작, 설치한 후 방폭문 앞에서 기폭시켜 방폭문의 파괴 여부 및 폭풍파 전파 특성을 관찰하였다. 본 연구에서는 시험비용 감소를 위하여 원형시험 대신 1/3 크기의 축소형시험을 수행하였으며 이를 전산해석 연구결과와 비교하였다.
- 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 현상에 대한 전산해석 연구와의 비교 분석을 위한 시험데이터를 얻기 위하여 방폭문을 제작, 설치한 후 방폭문 앞에서 기폭시켜 방폭문의 파괴 여부 및 폭풍파 전파 특성을 관찰하였다. 본 연구에서는 시험비용 감소를 위하여 원형시험 대신 1/3 크기의 축소형시험을 수행하였으며 이를 전산해석 연구결과와 비교하였다. 축소형시험 구조물은 원형시험의 폭발특성 및 방폭문 변형거동을 최대한 실제와 유사하게 모사할 수 있도록 설계, 제작하여 사용하였다.
- 폭약과 방폭문 사이의 거리와 폭약량이 본 축소형 시험과 다른 경우에 대한 DB 데이터를 전산해석을 통하여 구성할 필요가 있으며 이 경우에 대한 적용 방법 선정을 위하여 CONWEP, 결합방법, LS-DYNA ALE 세 가지 해석방법을 비교하였다. 앞에서 살펴본 바와 같이 본 축소형 시험에 CONWEP의 제약조건 식을 적용하면 Z = 0.065로 조건을 만족하지 못하므로 CONWEP의 제약조건 식을 만족하는 새로운 해석조건을 설정하여 이 문제에 대한 CONWEP, 결합방법, LSDYNA ALE 세 가지 해석방법의 결과를 비교하고자 한다. 이를 위하여 설정된 새로운 해석조건은 폭약과의 거리는 1 m이고 폭약의 무게는 15 kg이다.
- 전산해석에 사용된 형상, 재료 물성, 경계 조건 등은 가급적 시험조건과 일치하도록 모델링하였다.
- 본 연구에서는 시험비용 감소를 위하여 원형시험 대신 1/3 크기의 축소형시험을 수행하였으며 이를 전산해석 연구결과와 비교하였다. 축소형시험 구조물은 원형시험의 폭발특성 및 방폭문 변형거동을 최대한 실제와 유사하게 모사할 수 있도록 설계, 제작하여 사용하였다.
- 폭약과 방폭문 사이의 거리와 폭약량이 본 축소형 시험과 다른 경우에 대한 DB 데이터를 전산해석을 통하여 구성할 필요가 있으며 이 경우에 대한 적용 방법 선정을 위하여 CONWEP, 결합방법, LS-DYNA ALE 세 가지 해석방법을 비교하였다. 앞에서 살펴본 바와 같이 본 축소형 시험에 CONWEP의 제약조건 식을 적용하면 Z = 0.
대상 데이터
- 065로 조건을 만족하지 못하므로 CONWEP의 제약조건 식을 만족하는 새로운 해석조건을 설정하여 이 문제에 대한 CONWEP, 결합방법, LSDYNA ALE 세 가지 해석방법의 결과를 비교하고자 한다. 이를 위하여 설정된 새로운 해석조건은 폭약과의 거리는 1 m이고 폭약의 무게는 15 kg이다. 이 때 Z = 0.
- 방폭문은 기존의 터널입구에 Bulk Head라는 구조물을 만들어 붙인 후 그 앞에 설치하였다. 폭발물은 주장약과 부스터, 기폭관으로 구성되어 있으며, 주장약으로는 12 kg의 bare TNT를 사용하였다. 주장약은 금속재 케이스 대신 얇은 합성수지 케이스를 사용하여 조립되었다.
데이터처리
- AUTODYN FSI(Fluid Structure Interaction) 방법을 사용하여 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 현상에 대한 전산 해석을 수행하여 시험결과와 비교하였다. 여기서 FSI 방법은 Coupling 방법을 의미한다.
- LS-DYNA ALE(Arbitrary Lagrange Eulerian) 및 LSDYNA FSI 방법을 사용하여 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 현상에 대한 전산해석을 수행하여 시험결과와 비교하였다.
- LS-DYNA에 포함된 CONWEP을 사용하여 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 현상에 대한 전산해석을 수행하여 시험결과와 비교하였다.
이론/모형
- 5배 이상 단축 됨을 알 수 있다. 이상의 연구결과를 기반으로 폭약과 방폭문 사이의 거리와 폭약량의 다양한 조합에 대한 DB 데이터 생성을 위하여 CONWEP과 LS-DYNA ALE 기법을 결합하여 사용하는 해석방법을 적용하였다.
성능/효과
- 이 방법은 CONWEP과 LS-DYNA ALE 기법을 결합하여 사용하는 방법(이하 결합방법)으로 개방공간에서는 CONWEP의 기법을 사용하고 그 이후 폭압이 방폭문에 도달하여 유체구조연성 문제를 해석할 때는 LS-DYNA ALE를 적용하는 방법이다. 결합해석 방법은 CONWEP과 ALE 기법의 장점을 모두 취함으로써 비교적 빠른 시간 내에 정밀해석결과와 유사한 결과를 제시해줄 것으로 예상된다.
- 시험 결과에 비하여 CONWEP을 사용한 해석결과에서 최대 87 % 낮은 압력이 얻어지며 도달시간도 3배정도 길다. 이것은 기본적으로 CONWEP에서 추천하는 사용기준을 벗어나기 때문으로 판단된다.
- 터널내부 폭발에 의한 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 현상에 대한 전산해석연구를 위하여 CONWEP, AUTODYN FSI, LS-DYNA FSI, LS-DYNA ALE 그리고 CONWEP과 LS-DYNA ALE를 결합한 방법의 전산해석 결과를 제시하고 그 결과를 시험결과와 비교분석하여 전산해석의 신뢰성을 확인한 결과 해석결과의 정확성을 유지하면서 계산시간을 절감할 수 있는 CONWEP 과 LS-DYNA ALE를 결합한 방법이 FRM 개발을 위한 DB 데이터 생성용 최적도구로 판단되었다.
후속연구
- 방폭문 파괴 및 폭풍파 전파 시험을 통하여 방폭문 파괴 형상 및 변형거동 그리고 터널 내부 위치에 따른 폭압 도달 시간과 최대압력값들을 얻을 수 있었으며, 본 시험 데이터는 해석결과의 분석 및 신뢰성 평가를 위한 기본 자료로 활용될 것이다.
- 본 연구에서 제시된 CONWEP과 LS-DYNA ALE를 결합한 전산해석기법을 이용하여 FRM 프로그램 개발에 필요한 신뢰성 있는 해석데이터들을 제공하였으며, 이 데이터를 이용하여 개발된 FRM 프로그램은 향후 갱도 내에서의 탄두폭발위력 특성평가, 갱도진지 침투탄두 설계 및 갱도진지표적 무력화를 위한 무기체계 운용계획에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대 된다.
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