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문제 정의
- LS_DYNA 등과 같은 외연적 시간 적분법을 이용한 충돌 해석시 에너지 평형을 만족하는지 여부를 평가함으로써 해석이 적절히 수행되었는지 판단할 수 있다. 외연적 시간 적분을 이용한 해석시 총 에너지는 운동 에너지, 내부 에너지 그리고 Hourglass 에너지의 합으로 정의되는데, Hourglass 에너지는 외연적 시간 적분을 이용한 해석에서 해석 시간을 줄이기 위해 사용되는 감차 적분 요소에 의해 발생하는 해석 결과의 불안정성을 줄이기 위해 인위적으로 추가되는 에너지를 의미한다.
- Dry drop 시험은 상온에서 수행되었으며, 시험 장비의 로드셀 용량을 고려하여 680kg의 낙하체의 자유 낙하 높이를 150mm에서 950mm까지 변화시켜 시험을 수행하였다. 본 고에서는 Dry drop 시험 중 415mm 낙하 조건에서의 시험 결과를 수치적으로 모사하여 시험으로부터 얻은 동적 거동과 비교 검토하여 선정된 PUF 재료 모델의 타당성을 검증하였다. Dry drop 시험시 시험편의 PUF 밀도는 현재 상용화되어 있는 멤브레인형 LNG CCS에서 주로 사용되고 있는 130kg/m3 으로 선정하였다.
- 본 연구의 목적은 극저온 환경에서 충격 하중을 받는 LNG CCS의 동적 응답과 강도 특성을 정량적으로 평가하기 위한 PUF의 수치 모델링 기법을 정립하는 데 있다. 이를 위해 다양한 밀도를 가지는 PUF에 대하여 상온과 극저온 조건에서 PUF의 점탄소성 거동 특성을 하중 부가 방향과 변형률 속도에 따른 정·동적 시험을 통해 규명하였으며, 시험 결과를 이용하여 PUF의 동적 거동을 지배하는 인자들의 영향을 수치적으로 모델링할 수 있는 PUF 재료 모델을 개발하였다.
- 이상의 준정적 압축 및 충격 시험 결과를 토대로 멤브레인형 LNG CCS용으로 상용화된 PUF를 대상으로 상온 및 극저온에서 밀도, 시편 채취 방향 및 변형률 속도에 의존하는 재료의 동적 거동을 수치적으로 모사할 수 있는 재료 모델링 기법을 제안함으로써 향후 충격 하중하에서 멤브레인형 LNG CCS의 동적 응답과 강도 특성을 유한요소해석을 통해 평가할 수 있는 기반 기술을 확보하고자 하였다.
제안 방법
- (1) 유리 섬유 강화 PUF의 동적 거동을 모사할 수 있는 재료 모델 개발을 위하여 준정적 압축 시험과 저속 충격 시험을 수행하여 상온과 극저온에서 밀도 및 변형률 속도에 따른 PUF의 거동을 특성화할 수 있는 기계적 물성을 확보하였다.
- 10과 같이 PUF의 에너지 흡수능에 따른 시험체의 동적 거동을 평가하기 위하여 마스틱 하부에서 4,000kN 용량의 로드셀을 이용하여 반력을 계측하였다. Dry drop 시험은 상온에서 수행되었으며, 시험 장비의 로드셀 용량을 고려하여 680kg의 낙하체의 자유 낙하 높이를 150mm에서 950mm까지 변화시켜 시험을 수행하였다. 본 고에서는 Dry drop 시험 중 415mm 낙하 조건에서의 시험 결과를 수치적으로 모사하여 시험으로부터 얻은 동적 거동과 비교 검토하여 선정된 PUF 재료 모델의 타당성을 검증하였다.
- 7과 같이 준정적 및 저속 충격 시험 환경을 수치 모델로 모사하였다. Fig. 7과 같이 3개의 파트로 구성된 수치 해석 모델은 하중을 부가하는 파트 그리고 PUF 시험편을 지지하는 엔빌은 4절점 쉘 요소를 이용하여 강체로 모델링하였으며, PUF 시험편은 하나의 적분점을 가지는 8절점 솔리드 요소(Reduced ingeration element)를 이용하여 FU_CHANG_FOAM 재료로 모델링하였다. 이때, PUF 시험편은 각각 980개와 816개의 노드와 요소로 구현하였다.
- 이상의 결과로부터 본 연구에서 선정한 PUF의 재료 모델이 동적 충격 하중에 노출된 멤브레인형 LNG CCS의 동적 거동을 평가하는데 적절함을 알 수 있다. PUF의 동적 거동을 모사하기 위한 FU_CHANG_FOAM 모델을 이용하여 충격 하중하에서 시험체의 동적 강도를 평가하기 위해 다양한 낙하 높이를 변수로 Dry drop 시뮬레이션을 수행하 였다. 이 때 시험체의 재료 모델은 전 절에서 기술한 바와 같이 Plywood는 직교이방성 탄성 모델을 사용하였으며 마스틱은 등방성 탄성 모델을 사용하였다.
- Table 7은 LS_DYNA를이용한 유한요소해석시 사용된 각 파트별 재료 모델을 나타낸다. Table 7과 같이 낙하체(노드수 150개, 요소수 80개)와 하부 강판(노드수 1,377개, 요소수 832개)은 강체로, Plywood(노드수 1,785개, 요소수 1,088개)는 직교 이방성 탄성 재료 그리고 마스틱(노드수 1,020개, 요소수 512개)은 선형 탄성 재료로 모델링하였으며, PUF(노드수 6,545개, 요소수 5,760개)의 경우 본 고에서 선정한 재료 모델의 타당성을 확인하기 위해 밀도가 130kg/m3 인 FU_CHANG_FOAM 모델 외에 직교 이방성 탄성 재료를 추가로 검토하였다. 낙하체와 Plywood 상면과의 접촉부는 면 접촉 조건으로 구현하였으며, 해석시 시간 증분은 전 절에 기술한 재료 모델링시 사용한 방법과 동일하게 선정하였다.
- Table 7과 같이 낙하체(노드수 150개, 요소수 80개)와 하부 강판(노드수 1,377개, 요소수 832개)은 강체로, Plywood(노드수 1,785개, 요소수 1,088개)는 직교 이방성 탄성 재료 그리고 마스틱(노드수 1,020개, 요소수 512개)은 선형 탄성 재료로 모델링하였으며, PUF(노드수 6,545개, 요소수 5,760개)의 경우 본 고에서 선정한 재료 모델의 타당성을 확인하기 위해 밀도가 130kg/m3 인 FU_CHANG_FOAM 모델 외에 직교 이방성 탄성 재료를 추가로 검토하였다. 낙하체와 Plywood 상면과의 접촉부는 면 접촉 조건으로 구현하였으며, 해석시 시간 증분은 전 절에 기술한 재료 모델링시 사용한 방법과 동일하게 선정하였다.
- 이는 본 고에서 PUF의 재료 모델로 선정한 FU_CHANG_FOAM 모델이 동하중 하에서 PUF의 거동을 모사하는데 적합함을 의미한다. 따라서 선정된 PUF 재료 모델을 사용하여 통상적으로 멤브레인형 LNG CCS의 동적 강도 평가를 위한 시험법으로 채택하고 있는 Dry drop 시험(Lee et al., 2007a; Lee et al., 2007b)을 수치적으로 시뮬레이션하고 그 결과를 토대로 PUF 재료 모델이 CCS의 동적 강도에 미치는 영향을 평가하였다.
- 외연적 시간 적분법을 이용한 해석시 안정적인 시간 증분은 통상 음파가 유한요소 모델의 재료 밀도에 의해 결정되는 속도로 최소 크기의 요소를 이동해 지나가는 시간에 의해 결정된다. 따라서, 본 연구에서는 해석시 시간 증분은 안정적인 시간 증분 이하가 되도록 유한요소 해석 솔버에서 자동으로 선정하도록 하였다.
- 이때, 해석 시간을 줄이기 위하여 낙하체가 시편에 충돌하기 직전 상태에 초기 속도를 부여하여 해석을 수행하였다. 또한, 9.8m/s2의 중력 가속도가 전체 수치 해석 모델에 작용하도록 하였으며, 경계 조건은 이동 또는 낙하 파트의 경우 중력 방향 자유도만 허용하는 클램핑 조건을 적용하였으며, 시편을 지지하는 엔빌에 해당하는 모든 절점의 자유도는 구속하였다. 외연적 시간 적분법을 이용한 해석시 안정적인 시간 증분은 통상 음파가 유한요소 모델의 재료 밀도에 의해 결정되는 속도로 최소 크기의 요소를 이동해 지나가는 시간에 의해 결정된다.
- 이때, PUF 시험편은 각각 980개와 816개의 노드와 요소로 구현하였다. 또한, 각 파트 간의 접촉부는 면 접촉 조건으로 모델링하였으며, PUF 재료 모델에 따른 재료의 동적 거동 차이를 평가하기 위하여 화물창 구조 안전성 평가시 PUF의 재료 모델로 통상 적으로 사용되는 직교 이방성 탄성 모델을 이용한 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 하중 조건으로 각각의 시험 조건에 상응하는 중력 방향 속도를 이동 또는 낙하체의 절점에 부여하였다.
- 멤브레인형 LNG CCS에서의 PUF는 사용기간 동안 주로 압축 하중을 받기 때문에 상온과 극저온에서 PUF의 변형률 속도 의존 응력-변형률 관계를 얻기 위하여 준정적 압축 시험과 충격 시험을 수행하였다. 본 연구에서 대상으로 한 PUF의 밀도는 40kg/m3 , 130kg/m3 그리고 210kg/m3 (이후, D40, D130, D210으로 표기)로 3가지 종류이며, 발포제는 HFC-245fa이다.
- 변형율 속도에 따른 동적 강도 특성을 평가하기 위한 저속 충격 시험은 44.5kN의 로드셀 용량을 가지는 INSTRON DYNATUP 9200모델을 사용하였으며, 시험을 위해 Fig. 2(b)와 같이 관통 충격 시험용 텁(Tup)과 엔빌(Envil)을 실린더형 시편의 압축 충격 시험을 위해 수정하여 사용하였다. 저속 충격 시험시 낙하 중량물이 시편을 타격하는 순간의 속도와 에너지는 Table 1과 같다.
- 본 연구는 다양한 밀도를 가지는 PUF를 대상으로 온도와 변형률 속도에 따른 정·동적 재료 시험 결과와 유한요소해석을 활용하여 극저온 환경에서 충격 하중을 받는 멤브레인형 LNG CCS의 동적 거동 평가에 활용 가능한 PUF 재료 모델링 기법을 제안하고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 선정된 PUF 재료 모델의 타당성 평가를 위해 Fig. 7과 같이 준정적 및 저속 충격 시험 환경을 수치 모델로 모사하였다. Fig.
- 저속 충격 시험시 낙하 중량물이 시편을 타격하는 순간의 속도와 에너지는 Table 1과 같다. 시험 장비의 로드셀 용량을 고려하여 각 시험 조건에서 5개의 시편에 대해 낙하 텁이 시편을 타격하는 순간의 변형률 속도가 50s-1 , 100s-1 그리고 150s-1 가 되도록 타격시 속도를 1.0m/s, 2.0m/s 그리고 3.0m/s로 선정하였다. 충격 시험은 20℃ 상온과 통상적인 충격 시험에서 최저 온도 조건인 -196℃ 극저온 두 가지 조건에서 실시하였다.
- 14는 Table 6의 적층 구조를 가지는 시험체의 낙하 높이에 따른 Dry drop 시험시 가장 먼저 파단이 발생한 Plywood에서의 최대 응력 변화를 낙하 높이에 따라 도시한 것이다. 이 때, 응력은 충격 하중 작용시 시험체가 상대적으로 취약할 것으로 판단되는 마스틱과 Plywood 접합 단부에서의 전단 응력과 마스틱 로프(Rope) 사이에 발행하는 굽힘 응력으로 선정하였다. Fig.
- 충격 시험은 20℃ 상온과 통상적인 충격 시험에서 최저 온도 조건인 -196℃ 극저온 두 가지 조건에서 실시하였다. 이때, PUF는 폐쇄형 독립 셀(Closed cell) 구조를 가지는 것으로 알려져 있어(Choe et al., 2004) 극저온 시험 조건은 액화 질소에 시험편을 함침시켜 구현하였으며, 각 시편의 액화 수소내 함침 시간은 Table 2의 밀도에 따른 PUF의 열전도도와 액화 질소와 실린더 형태 시편 간의 자유 대류를 고려한 과도 열전달 해석을 통하여 선정하였다. 이때, 시편별 최소 함침 시간은 전체 시편의 온도가 -196℃에 도달하는 시간으로 정의하였다.
- 하중 조건으로 각각의 시험 조건에 상응하는 중력 방향 속도를 이동 또는 낙하체의 절점에 부여하였다. 이때, 해석 시간을 줄이기 위하여 낙하체가 시편에 충돌하기 직전 상태에 초기 속도를 부여하여 해석을 수행하였다. 또한, 9.
- 이를 위해 다양한 밀도를 가지는 PUF에 대하여 상온과 극저온 조건에서 PUF의 점탄소성 거동 특성을 하중 부가 방향과 변형률 속도에 따른 정·동적 시험을 통해 규명하였으며, 시험 결과를 이용하여 PUF의 동적 거동을 지배하는 인자들의 영향을 수치적으로 모델링할 수 있는 PUF 재료 모델을 개발하였다.
- 1과 같이 각각 PUF의 발포 방향(Z로 표기)과 유리 섬유가 강화된 발포 수직 방향(XY로 표기)으로 직경(D)과 높이(H)가 각각 30mm, 20mm인 실린더 형태로 가공하였다. 준정적 압축 시험은 Fig. 2(a)와 같이 44.5kN의 로드셀이 장착된 INSTRON 4484 장비를 이용하여 상온에서 수행하였으며, 실험시 압축 하중 부가 속도 및 최종 압축율은 각각 0.02mm/s와 85%로 설정하였다.
- 충격 시험은 20℃ 상온과 통상적인 충격 시험에서 최저 온도 조건인 -196℃ 극저온 두 가지 조건에서 실시하였다.
- 충격 하중하에서 PUF의 동적 거동을 시뮬레이션하기 위하여 재료 시험 결과와 유한요소해석을 이용하여 PUF의 재료 모델을 선정하였다. 이를 위해 본 연구에서는 유한요소해석 솔버로 LS-DYNA를 활용하였다.
- 또한, 각 파트 간의 접촉부는 면 접촉 조건으로 모델링하였으며, PUF 재료 모델에 따른 재료의 동적 거동 차이를 평가하기 위하여 화물창 구조 안전성 평가시 PUF의 재료 모델로 통상 적으로 사용되는 직교 이방성 탄성 모델을 이용한 시뮬레이션 결과와 비교하였다. 하중 조건으로 각각의 시험 조건에 상응하는 중력 방향 속도를 이동 또는 낙하체의 절점에 부여하였다. 이때, 해석 시간을 줄이기 위하여 낙하체가 시편에 충돌하기 직전 상태에 초기 속도를 부여하여 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 본 고에서는 Dry drop 시험 중 415mm 낙하 조건에서의 시험 결과를 수치적으로 모사하여 시험으로부터 얻은 동적 거동과 비교 검토하여 선정된 PUF 재료 모델의 타당성을 검증하였다. Dry drop 시험시 시험편의 PUF 밀도는 현재 상용화되어 있는 멤브레인형 LNG CCS에서 주로 사용되고 있는 130kg/m3 으로 선정하였다. Table 6은 Dry drop 시뮬레이션에 사용된 단열 패널의 치수 및 구조적 특성을 나타내며 Fig.
- 멤브레인형 LNG CCS에서의 PUF는 사용기간 동안 주로 압축 하중을 받기 때문에 상온과 극저온에서 PUF의 변형률 속도 의존 응력-변형률 관계를 얻기 위하여 준정적 압축 시험과 충격 시험을 수행하였다. 본 연구에서 대상으로 한 PUF의 밀도는 40kg/m3 , 130kg/m3 그리고 210kg/m3 (이후, D40, D130, D210으로 표기)로 3가지 종류이며, 발포제는 HFC-245fa이다. 밀도 D40 시험편은 유리 섬유가 함유되지 않았으며, 그 외 시험편은 발포시 무방향 유리 섬유 다발을 이용하여 10wt%의 유리 섬유로 강화 되었다.
- 밀도 D40 시험편은 유리 섬유가 함유되지 않았으며, 그 외 시험편은 발포시 무방향 유리 섬유 다발을 이용하여 10wt%의 유리 섬유로 강화 되었다. 시험편은 Fig. 1과 같이 각각 PUF의 발포 방향(Z로 표기)과 유리 섬유가 강화된 발포 수직 방향(XY로 표기)으로 직경(D)과 높이(H)가 각각 30mm, 20mm인 실린더 형태로 가공하였다. 준정적 압축 시험은 Fig.
- 7과 같이 3개의 파트로 구성된 수치 해석 모델은 하중을 부가하는 파트 그리고 PUF 시험편을 지지하는 엔빌은 4절점 쉘 요소를 이용하여 강체로 모델링하였으며, PUF 시험편은 하나의 적분점을 가지는 8절점 솔리드 요소(Reduced ingeration element)를 이용하여 FU_CHANG_FOAM 재료로 모델링하였다. 이때, PUF 시험편은 각각 980개와 816개의 노드와 요소로 구현하였다. 또한, 각 파트 간의 접촉부는 면 접촉 조건으로 모델링하였으며, PUF 재료 모델에 따른 재료의 동적 거동 차이를 평가하기 위하여 화물창 구조 안전성 평가시 PUF의 재료 모델로 통상 적으로 사용되는 직교 이방성 탄성 모델을 이용한 시뮬레이션 결과와 비교하였다.
- 14의 결과로부터 시험체가 최초로 파손되는 순간의 높이로 정의되는 임계 낙하 높이를 평가하고 이를 Table 8에 나타내었다. 임계 낙하 높이를 결정하기 위한 Plywood의 면외 전단 강도와 굽힘 강도는 참고 문헌으로 부터 각각 10MPa (Latvijas, 2017)와 64MPa(Kim et al., 2017)로 선정하였다. Table 8와 같이 시험 결과와 유한요소해석 결과 모두 첫 번째 파손은 Plywood에서 발생하였으며, 파손 원인은 마스틱과 Plywood 접착 단부에서의 면외 방향 전단 응력이다.
- 일반적으로 LS-DYNA는 상용 유한요소 해석 프로그램으로 외연적 시간 적분법을 활용하여 비선형성이 큰 과도 동적 문제의 시뮬레이션에 적합한 것으로 알려져 있다(LSTC, 2012). 준정적 재료 시험과 저속 충격 시험 결과로부터 대상 PUF는 전형적인 폼 재료의 압축 거동을 가지는 것을 확인하였으므로, 일반적으로 저밀도에서 중밀도까지의 발포 재료에 대하여 변형률 속도에 의존하는 동적 재료 거동을 효과적으로 모사할 수 있는 FU_CHANG_FOAM 모델을 재료 모델로 선정하였다. 특히, FU_CHANG_FOAM 모델은 저속 충격 시험을 통해 얻은 변형률 속도에 따른 응력-변형률 데이터를 직접적으로 입력 가능하다는 장점을 가진다(Croop and Loba, 2009).
데이터처리
- 본 고에서 선정된 PUF 재료 모델의 검증을 위해 Dry Drop 시험 환경을 수치 해석으로 모사하고 그 결과를 실험 결과와 비교하였다. Fig.
이론/모형
- PUF의 동적 거동을 모사하기 위한 FU_CHANG_FOAM 모델을 이용하여 충격 하중하에서 시험체의 동적 강도를 평가하기 위해 다양한 낙하 높이를 변수로 Dry drop 시뮬레이션을 수행하 였다. 이 때 시험체의 재료 모델은 전 절에서 기술한 바와 같이 Plywood는 직교이방성 탄성 모델을 사용하였으며 마스틱은 등방성 탄성 모델을 사용하였다. Fig.
- 충격 하중하에서 PUF의 동적 거동을 시뮬레이션하기 위하여 재료 시험 결과와 유한요소해석을 이용하여 PUF의 재료 모델을 선정하였다. 이를 위해 본 연구에서는 유한요소해석 솔버로 LS-DYNA를 활용하였다. 일반적으로 LS-DYNA는 상용 유한요소 해석 프로그램으로 외연적 시간 적분법을 활용하여 비선형성이 큰 과도 동적 문제의 시뮬레이션에 적합한 것으로 알려져 있다(LSTC, 2012).
성능/효과
- (2) 재료 시험 결과 모든 조건에서 본 연구에서 대상으로한 멤브레인형 LNG CCS용 PUF는 전형적인 폼 재료가 가지는 점탄소성 거동을 보이며 극저온 충격 조건에서 폼 발포 방향으로 채취된 시편이 발포 수직 방향으로 채취된 시편보다 안정적인 압축 변형 거동을 보임을 알 수 있었다.
- (3) 재료 시험 결과를 수치적으로 모사하기 위해 선정한 LS_DYNA의 FU_CHANG_FOAM 모델이 PUF의 동적 거동을 정확하게 예측할 수 있어 FU_CHANG_FOAM 모델이 충격 하중하에서 PUF의 점탄소성 거동을 모사하는데 적합함을 알 수 있었다.
- (4) 개발된 PUF의 재료 모델을 검증하기 위해 Dry drop 시험을 수치적으로 시뮬레이션하고 그 결과를 시험과 비교한 결과, 제안된 PUF의 재료 모델을 이용한 수치 해석 결과가 실험으로 계측된 시간에 따라는 반력, 변형 거동 등과 같은 동적 응답 특성과 시험체의 파괴 거동을 잘 예측하였다.
- (5) 결론적으로 극저온 환경에서 변형률 속도에 의존하는 PUF의 동적 거동을 수치적으로 모사할 수 있는 재료 모델링 기법을 성공적으로 제안함으로써 향후 유한요소해석을 통해 충격 하중하에서 멤브레인형 LNG CCS의 동적 응답과 강도 평가에 활용 가능한 기반 기술을 확보하였다.
- Table 8와 같이 시험 결과와 유한요소해석 결과 모두 첫 번째 파손은 Plywood에서 발생하였으며, 파손 원인은 마스틱과 Plywood 접착 단부에서의 면외 방향 전단 응력이다. Dry dorp 시뮬레이션을 통해 평가된 임계 낙하 높이는 380mm로 시험에 의해 평가된 430mm에 비해 약 10% 작게 평가되었다. 그러나, 시험의 경우 육안으로 판별이 가능한 파손 시점을 임계 낙하 높이로 선정한 데 비하여 유한요소해석에서는 국부적인 응력을 기준으로 임계 낙하 높이가 평가되었다는 점을 감안한다면 유한요소해석이 시험 결과를 비교적 잘 예측하고 있으며, Plywood의 동적 강도 특성이 반영된다면 보다 정확한 평가가 가능할 것으로 생각 된다.
- 0m/s일 때 유한요소해석과 저속 충격 시험을 통해 얻은 PUF 밀도에 따른 응력-변형률 관계를 비교한 결과이다. Fig. 9와 같이 FU_CHANG_FOAM 재료 모델을 사용한 모든 경우에서 저속 충격 시험 결과와 유한요소해석 결과가 매우 잘 일치함을 확인할 수 있다. 반면, 직교 이방성 재료를 사용한 경우에는 실제 시험 결과와 시뮬레이션 결과에 큰 차이가 발생한다.
- 각각의 시험 조건에 따른 PUF의 동적 강도 특성을 파악하기 위하여 준정적 및 저속 충격 시험을 통해 얻은 항복 강도와 변형률을 각각 Table 4와 Table 5에 나타내었다. Table 4와 Table 5과 같이 본 연구에서 대상으로 선정한 PUF의 항복 강도는 밀도와 변형률 속도에 비례하여 증가하지만 시험 온도에는 반비례함을 알수 있으며, 시편 채취 방향에 따른 항복 거동의 차이로부터 재료 이방성을 가짐을 알 수 있다.
- 이를 위해 다양한 밀도를 가지는 PUF에 대하여 상온과 극저온 조건에서 PUF의 점탄소성 거동 특성을 하중 부가 방향과 변형률 속도에 따른 정·동적 시험을 통해 규명하였으며, 시험 결과를 이용하여 PUF의 동적 거동을 지배하는 인자들의 영향을 수치적으로 모델링할 수 있는 PUF 재료 모델을 개발하였다. 개발된 PUF의 재료 모델을 검증하기 위해 Dry drop 시험을 수치적으로 시뮬레이션하여 그 결과를 시험과 비교한 결과, 본 연구에서 제안된 PUF의 재료 모델을 이용한 수치 해석이 실험으로 계측된 반력, 변형 등의 동적 응답 특성과 시험체의 파괴 거동을 잘 예측하였다.
- 8은 밀도가 130kg/m3 인 PUF 시편의 저속 충격 시험과 유한요소해석을 통해 얻은 충격 시작 시점부터 시간에 따른 속도의 변화를 비교한 것이다. 여기서 (+)속도는 중력 방향을 나타내는데, Fig. 8과 같이 충격 속도가 1m/s로 충격 에너지가 상대적으로 작은 경우에는 PUF가 모든 충격에너지를 흡수하여 시험 종료까지 (+)속도 값을 가지는 반면 상대적으로 충격 에너지가 큰 2m/s와 3m/s 시험 조건에서는 충격후 반발에 의해 (-)값으로 속도가 천이됨을 확인할 수 있다. 특히, PUF의 재료 모델에 따른 시뮬레이션 차이를 비교 평가하기 위한 2m/s의 해석 결과의 경우 FU_CHANG_FOAM 재료 모델은 시험 결과와 매우 잘 일치하지만 직교 이방성 탄성 재료 모델의 경우는 실제 시험 결과와 차이가 크게 발생함을 알 수 있다.
- 12와 같이 전 해석 기간 동안 전체 에너지는 680kg의 낙하체가 415mm의 위치에서 가지는 위치 에너지인 약 2,800J을 유지하고 있으며, Hourglass 에너지 또한 거의 ‘0’ 수준임을 알 수 있다. 이는 외연적 시간 적분법을 이용한 본 연구의 Dry drop 시뮬레이션이 적절히 수행되었음을 의미하는 결과이다.
- 이는 대표적인 에너지 흡수재인 PUF의 동적 특성을 FU_CHANG_FOAM 모델이 잘 모사하고 있음을 의미하는 결과이다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 선정한 PUF의 재료 모델이 동적 충격 하중에 노출된 멤브레인형 LNG CCS의 동적 거동을 평가하는데 적절함을 알 수 있다. PUF의 동적 거동을 모사하기 위한 FU_CHANG_FOAM 모델을 이용하여 충격 하중하에서 시험체의 동적 강도를 평가하기 위해 다양한 낙하 높이를 변수로 Dry drop 시뮬레이션을 수행하 였다.
- 8과 같이 충격 속도가 1m/s로 충격 에너지가 상대적으로 작은 경우에는 PUF가 모든 충격에너지를 흡수하여 시험 종료까지 (+)속도 값을 가지는 반면 상대적으로 충격 에너지가 큰 2m/s와 3m/s 시험 조건에서는 충격후 반발에 의해 (-)값으로 속도가 천이됨을 확인할 수 있다. 특히, PUF의 재료 모델에 따른 시뮬레이션 차이를 비교 평가하기 위한 2m/s의 해석 결과의 경우 FU_CHANG_FOAM 재료 모델은 시험 결과와 매우 잘 일치하지만 직교 이방성 탄성 재료 모델의 경우는 실제 시험 결과와 차이가 크게 발생함을 알 수 있다. Fig.
후속연구
- Dry dorp 시뮬레이션을 통해 평가된 임계 낙하 높이는 380mm로 시험에 의해 평가된 430mm에 비해 약 10% 작게 평가되었다. 그러나, 시험의 경우 육안으로 판별이 가능한 파손 시점을 임계 낙하 높이로 선정한 데 비하여 유한요소해석에서는 국부적인 응력을 기준으로 임계 낙하 높이가 평가되었다는 점을 감안한다면 유한요소해석이 시험 결과를 비교적 잘 예측하고 있으며, Plywood의 동적 강도 특성이 반영된다면 보다 정확한 평가가 가능할 것으로 생각 된다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 제안한 PUF의 동적 거동을 모사하기 위한 재료 모델링 기법은 향후 충격 하중 조건에서 멤브레인형 LNG CCS의 동적 응답 특성과 동적 강도 평가에 활용 가능함을 알 수 있었다.
- 그러나, 시험의 경우 육안으로 판별이 가능한 파손 시점을 임계 낙하 높이로 선정한 데 비하여 유한요소해석에서는 국부적인 응력을 기준으로 임계 낙하 높이가 평가되었다는 점을 감안한다면 유한요소해석이 시험 결과를 비교적 잘 예측하고 있으며, Plywood의 동적 강도 특성이 반영된다면 보다 정확한 평가가 가능할 것으로 생각 된다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 제안한 PUF의 동적 거동을 모사하기 위한 재료 모델링 기법은 향후 충격 하중 조건에서 멤브레인형 LNG CCS의 동적 응답 특성과 동적 강도 평가에 활용 가능함을 알 수 있었다.
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