MM-ALE 유한요소 시뮬레이션을 이용한 수중 어뢰폭발에서의 최악파편의 종단속도 추정 Estimation of the Terminal Velocity of the Worst-Case Fragment in an Underwater Torpedo Explosion Using an MM-ALE Finite Element Simulation원문보기
본 논문은 명시적 유한요소 해석을 이용하여 군함이나 수상함 아래의 수중에서 어뢰가 폭발할 때의 파편들의 거동을 조사하기 위하여 작성되었다. 본 연구에서는 LS-DYNA에서 라그랑주-오일러 (ALE) 접근법이라 불리는 유체-구조물 상호작용(FSI) 기법을 적용하여 어뢰파편과 선체의 응답을 관찰하였다. 오일러 모델은 공기, 물, 폭약으로 구성되며, 라그랑주 모델은 파편과 선체로 이루어져 있다. 본 모델링의 핵심은 최악파편이 어뢰로부터 가까운 곳(4.5 m)에 위치한 선체에 파공을 일으킬 수 있는지 여부를 파악하는 데 있다. 시뮬레이션은 별도의 두 단계로 수행되었다. 첫 번째의 예비해석에서는 팽창하는 어뢰의 외피가 찢어지는 데 폭약에너지의 30%가 소모된다는 가정 하에 수중폭발 시의 파편속도에 대해 잘 알려져 있는 실험결과를 토대로 최악파편의 초기속도를 결정하였다. 두 번째의 총괄해석에서는 최악파편이 선체에 부딪치기 직전에 보일 것으로 예상되는 파편의 종단속도를 찾고자 하였다. 그 결과, 주어진 조건 하에서 최악파편의 초기속도는 매우 빠른 것으로 나타났다(400 및 1000 m/s). 하지만 충돌이 발생할 때의 파편과 선체 간의 속도차이는 불과 4 m/s 정도로 매우 작았다. 이 결과는 물에 의한 큰 항력의 영향도 있지만 선체에 부여한 비파괴 조건도 영향을 끼쳤을 것으로 보인다. 하지만 적어도 본 논문에서 가정한 해석조건 하에서는 최악파편의 느린 상대속도로 인하여 선체에 파공이 발생하기는 어려운 것으로 나타났다.
본 논문은 명시적 유한요소 해석을 이용하여 군함이나 수상함 아래의 수중에서 어뢰가 폭발할 때의 파편들의 거동을 조사하기 위하여 작성되었다. 본 연구에서는 LS-DYNA에서 라그랑주-오일러 (ALE) 접근법이라 불리는 유체-구조물 상호작용(FSI) 기법을 적용하여 어뢰파편과 선체의 응답을 관찰하였다. 오일러 모델은 공기, 물, 폭약으로 구성되며, 라그랑주 모델은 파편과 선체로 이루어져 있다. 본 모델링의 핵심은 최악파편이 어뢰로부터 가까운 곳(4.5 m)에 위치한 선체에 파공을 일으킬 수 있는지 여부를 파악하는 데 있다. 시뮬레이션은 별도의 두 단계로 수행되었다. 첫 번째의 예비해석에서는 팽창하는 어뢰의 외피가 찢어지는 데 폭약에너지의 30%가 소모된다는 가정 하에 수중폭발 시의 파편속도에 대해 잘 알려져 있는 실험결과를 토대로 최악파편의 초기속도를 결정하였다. 두 번째의 총괄해석에서는 최악파편이 선체에 부딪치기 직전에 보일 것으로 예상되는 파편의 종단속도를 찾고자 하였다. 그 결과, 주어진 조건 하에서 최악파편의 초기속도는 매우 빠른 것으로 나타났다(400 및 1000 m/s). 하지만 충돌이 발생할 때의 파편과 선체 간의 속도차이는 불과 4 m/s 정도로 매우 작았다. 이 결과는 물에 의한 큰 항력의 영향도 있지만 선체에 부여한 비파괴 조건도 영향을 끼쳤을 것으로 보인다. 하지만 적어도 본 논문에서 가정한 해석조건 하에서는 최악파편의 느린 상대속도로 인하여 선체에 파공이 발생하기는 어려운 것으로 나타났다.
This paper was prepared to investigate the behavior of fragments in underwater torpedo explosion beneath a frigate or surface ship by using an explicit finite element analysis. In this study, a fluid-structure interaction (FSI) methodology, called the multi-material arbitrary Lagrangian-Eulerian (MM...
This paper was prepared to investigate the behavior of fragments in underwater torpedo explosion beneath a frigate or surface ship by using an explicit finite element analysis. In this study, a fluid-structure interaction (FSI) methodology, called the multi-material arbitrary Lagrangian-Eulerian (MM-ALE) approach in LS-DYNA, was employed to obtain the responses of the torpedo fragments and frigate hull to the explosion. The Euler models for the analysis were comprised of air, water, and explosive, while the Lagrange models consisted of the fragment and the hull. The focus of this modeling was to examine whether a worst-case fragment could penetrate the frigate hull located close (4.5 m) to the exploding torpedo. The simulation was performed in two separate steps. At first, with the assumption that the expanding skin of the torpedo had been torn apart by consuming 30% of the explosive energy, the initial velocity of the worst-case fragment was sought based on a well-known experimental result concerning the fragment velocity in underwater bomb explosion. Then, the terminal velocity of the worst-case fragment that is expected to occur before the fragment hit the frigate hull was sought in the second step. Under the given conditions, the possible initial velocities of the worst-case fragment were found to be very fast (400 and 1000 m/s). But, the velocity difference between the fragment and the hull was merely 4 m/s at the instant of collision. This result was likely to be due to both the tremendous drag force exerted by the water and the non-failure condition given to the frigate hull. Anyway, at least under the given conditions, it is thought that the worst-case fragment seldom penetrate the frigate hull because there is no significant velocity difference between them.
This paper was prepared to investigate the behavior of fragments in underwater torpedo explosion beneath a frigate or surface ship by using an explicit finite element analysis. In this study, a fluid-structure interaction (FSI) methodology, called the multi-material arbitrary Lagrangian-Eulerian (MM-ALE) approach in LS-DYNA, was employed to obtain the responses of the torpedo fragments and frigate hull to the explosion. The Euler models for the analysis were comprised of air, water, and explosive, while the Lagrange models consisted of the fragment and the hull. The focus of this modeling was to examine whether a worst-case fragment could penetrate the frigate hull located close (4.5 m) to the exploding torpedo. The simulation was performed in two separate steps. At first, with the assumption that the expanding skin of the torpedo had been torn apart by consuming 30% of the explosive energy, the initial velocity of the worst-case fragment was sought based on a well-known experimental result concerning the fragment velocity in underwater bomb explosion. Then, the terminal velocity of the worst-case fragment that is expected to occur before the fragment hit the frigate hull was sought in the second step. Under the given conditions, the possible initial velocities of the worst-case fragment were found to be very fast (400 and 1000 m/s). But, the velocity difference between the fragment and the hull was merely 4 m/s at the instant of collision. This result was likely to be due to both the tremendous drag force exerted by the water and the non-failure condition given to the frigate hull. Anyway, at least under the given conditions, it is thought that the worst-case fragment seldom penetrate the frigate hull because there is no significant velocity difference between them.
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문제 정의
이는 선체내부의 복잡한 격벽구조를 일일이 모사하기보다는 해석에서 목표로 하는 어뢰파편의 종단속도만을 보다 용이하게 획득하기 위함이다. 또한, 어뢰의 경우에도 그 복잡한 형태와 폭발과정을 직접 모사하기 보다는 단순히 폭발로 생성된 최악파편의 크기와 자세, 초기속도만을 가정함으로써 최악조건의 UNDEX에서 나타날 수 있는 결과를 파악하는 데 초점을 맞추었다. 따라서 본 연구에서 채택한 단순화된 해석방법에서 한 단계 더 나아가서 어뢰의 폭발과 선체의 파괴를 사실적으로 모사하기 위해서는 어뢰와 선체의 세부적인 구조는 물론이고, 어뢰 내부의 폭약의 폭발과정까지도 모두 사실적으로 모델링할 필요가 있을 것이다.
본 논문에서는 명시적 유한요소코드인 LS-DYNA를 사용하여 수상함 하부에서 어뢰가 폭발했을 때 선체바닥을 향하여 비산하는 최악파편의 종단속도를 추정함으로써 선체에 파공이 발생할 가능성이 있는지 여부를 가늠해 보았다. 해석과정에서는 LS-DYNA에서 ALE 기법이라 불리는 FSI 기법을 사용하여 TNT폭약의 수중폭발에 따른 최악파편과 선체의 응답을 관찰하였다.
본 연구는 수중폭발(underwater explosion; UNDEX)에서 어뢰파편(torpedo fragment)의 종단속도(terminalvelocity)를 수치해석적인 기법으로 추정함으로써 폭발에서 생성된 파편이 군함(frigate)이나 수상함(surfaceship)의 선체(hull)에 파공을 일으킬 수 있는지 여부를 가늠해 볼 목적으로 수행되었다. 본 연구의 동기가 된 것은 일전에 서해안에서 침몰된 한 군함에 대한공동조사보고서(Yoon et al.
본 총괄해석 단계에서는 UNDEX에서 수상함의 선체바닥을 향해 비산하는 최악파편의 종단속도를 분석하여 파편이 선체에 파공을 일으킬 수 있는지 여부를 파악한다. 본 총괄해석 단계에서는 앞의 예비해석 단계에서 얻은 두 개의 초기속도(400 m/s와 1000 m/s)를 최악파편의 초기속도로 각기 사용할 것이다.
가설 설정
이 휨의 정도를 실제적으로 모사하기 위하여 수상함의 선체는 두께 40 mm와 60 mm 등으로 변화시켰다. 다만, 수상함의 선체는 소성변형은 가능하지만 파괴는 되지 않는 것으로 가정하였다. 선체의 파괴까지 고려하기 위해서는 수상함 내부의 복잡한 격벽구조를 충분히 고려해야 하는데, 이렇게 하는 것은 본 논문의 범위를 넘어서는 또 다른 과제라 할 수 있다.
본 논문에서는 단순명료한 해석을 위하여 수상함의 선체는 충격파(shock wave)에 의해 파괴되지는 않고 단순히 변형만 하는 것으로 가정한다. 이는 선체내부의 복잡한 격벽구조를 일일이 모사하기보다는 해석에서 목표로 하는 어뢰파편의 종단속도만을 보다 용이하게 획득하기 위함이다.
최악파편의 두께는 1 cm로 간주한다. 이것은 어뢰외피의 두께를 가정한 것이다. 어뢰외피를 이루는 재료의 밀도를 7850 kg/m3으로 가정하면 최악파편의 무게는 12.
이 결과는 어뢰의 폭약총량은 500 kg (TNT)인데, 이 약량 가운데 150 kg(30%)은 파편들의 생성과 가속에 사용되었고, 나머지 350 kg(70%)는 충격파와 가스압의 발생에 사용되었음을 의미한다. 한편, 어뢰 속의 폭약의 형태를 직경 0.5 m인 원통형으로 가정한다면 TNT의 밀도는 약 1600 kg/m3이므로 어뢰의 길이는 아마도 1.6 m 이상일 것이다.
제안 방법
본 총괄해석 모델의 경우, 어뢰를 상징하는 350 kg의 TNT 폭약은 수상함의 종축(x축)으로부터 좌측으로 3 m, 수면으로부터 연직하방으로 7 m의 지점에 위치해 있다(그림 5b). 또한, 단순화를 위하여 어뢰폭약은 반경 0.375 m의 구(sphere)의 형태로 모사하였다. 본 해석은 최악파편의 종단속도를 조사하는 것이 목표이므로 수상함의 형태는 반원통(half cylinder) 모양으로 크게 단순화하였다.
본 해석모델은 주어진 UNDEX 상황에서 원하는 최악파편의 초기속도를 찾는데 주안점을 둔 단순화 모델이다. 또한, 본 예비해석의 최악파편은 예상할 수 있는 최악의 조건을 반영하기 위하여 파편의 길이방향이 연직방향을 향하도록 하였으며, 최고의 탈출속도를 발생시키기 위해 두 수평축에 대한 회전운동은 구속시켰다. 본 해석모델에서 어뢰의 폭약량은 TNT 350 kg으로 설정하였다.
지금까지는 문헌조사를 통하여 수치해석에 사용할 어뢰의 폭약량과 최악파편의 규격 등을 결정 하였다. 반면, 본 절에서는 본격적으로 LS-DYNA를 이용한 수치해석을 통하여 최악파편의 초기속도를 결정하는 예비해석을 수행한다. 최악파편의 초기속도를 결정하는 예비해석의 시나리오는 다음과 같다.
본 총괄해석 단계에서는 UNDEX에서 수상함의 선체바닥을 향해 비산하는 최악파편의 종단속도를 분석하여 파편이 선체에 파공을 일으킬 수 있는지 여부를 파악한다. 본 총괄해석 단계에서는 앞의 예비해석 단계에서 얻은 두 개의 초기속도(400 m/s와 1000 m/s)를 최악파편의 초기속도로 각기 사용할 것이다. 본 총괄해석 모델의 작성에 필요한 여러 가지 기하학적 조건들은 서두에서 언급한 공동조사보고서(Yoon et al.
375 m의 구(sphere)의 형태로 모사하였다. 본 해석은 최악파편의 종단속도를 조사하는 것이 목표이므로 수상함의 형태는 반원통(half cylinder) 모양으로 크게 단순화하였다. 원통의 길이와 반경은 각각 30 m와 10 m이다(그림 5c).
수상함의 선체를 표현하는 반원통형 모델(그림 5)은 어뢰폭발에 따른 수중충격파에 대한 선체의 휨 응답을 모사하기 위해 소성변형은 가능하되 파괴는 불가능한 특별한 물성을 적용하였다. 이를 위해 수상함의 선체에 대해서는 LS-DYNA의 PLASTIC_ KINEMATIC재료모델을 채택하였으며, 표 5에 보인 일반적인 구조용 강의 물성을 적용하였다.
해석과정은 예비해석과 총괄해석의 두 단계로 나누어 수행하였다. 총괄해석에서는 어뢰의 최악파편에 특별한 초기속도를 부여하고, TNT를 폭발시켜 파편이 이중으로 가속되도록 하였다. 최악파편에 부여하는 초기속도는 예비해석을 통해 구하는데, 이를 위해서는 기존에 잘 알려져 있는 수중폭발경험식을 이용하였다.
이를 위해 수상함의 선체에 대해서는 LS-DYNA의 PLASTIC_ KINEMATIC재료모델을 채택하였으며, 표 5에 보인 일반적인 구조용 강의 물성을 적용하였다. 해석과정에서는 선체의 강판 두께를 40, 60, 80 mm 등으로 변화시키면서 응답을 관찰하였다.
해석모델은 오일러 모델(물, 공기, TNT)과 라그랑주 모델(최악파편, 선체)로 극도로 단순화하여 구성하였다. 해석과정은 예비해석과 총괄해석의 두 단계로 나누어 수행하였다. 총괄해석에서는 어뢰의 최악파편에 특별한 초기속도를 부여하고, TNT를 폭발시켜 파편이 이중으로 가속되도록 하였다.
해석과정에서는 LS-DYNA에서 ALE 기법이라 불리는 FSI 기법을 사용하여 TNT폭약의 수중폭발에 따른 최악파편과 선체의 응답을 관찰하였다. 해석모델은 오일러 모델(물, 공기, TNT)과 라그랑주 모델(최악파편, 선체)로 극도로 단순화하여 구성하였다. 해석과정은 예비해석과 총괄해석의 두 단계로 나누어 수행하였다.
대상 데이터
오일러 모델들을 위한 ALE 영역(정육면체)은 20 m × 20 m × 20 m의 규격을 가지고 있다(그림 5). ALE 영역 내에서 세 개의 오일러 재료들을 할당하기 위해 앞에서와 마찬가지로 INITIAL_VOLUME_FRACTION_GEOMETRY 카드를 사용하였다. 오일러 재료들을 할당하는 순서는 먼저, 전체 ALE 영역을 모두 공기로 채우고, 그 다음으로 수면 아래의 부분을 물로 덮어씌우며, 그 다음으로 선체의 내부를 공기로 채우고,끝으로 폭약부분을 TNT로 채운다.
본 연구의 경우, 어뢰에 장전된 폭약(500 kg)의 길이는 1.6 m(앞의 2절 참조)이므로 최악파편의 길이는1.6 m(= 160 cm)로 간주한다. 최악파편의 폭은 길이를 종횡비로 나누어 주면 되므로 160/14 ≒ 10 cm로 계산된다.
앞의 예비해석 시나리오에서 언급한 바와 같이, 본 예비해석의 목표는 수중폭발 모델링을 통해 얻은 최악파편의 탈출속도 해석치가 식 (1)에 의해 계산된 탈출속도 경험치와 동일한 크기가 될 때의 최악파편의 초기속도를 찾는 데 있다. 본 예비해석의 경우, 어뢰에 장전된 폭약의 무게와 폭심은 각각 500 kg과 7 m이다. 따라서 환산폭심 x = (7m)/(500)kg3이 되므로 식(1)에 따라 탈출속도 경험치를 계산하면 y = 50 m/s가 된다.
본 총괄해석 모델의 경우, 어뢰를 상징하는 350 kg의 TNT 폭약은 수상함의 종축(x축)으로부터 좌측으로 3 m, 수면으로부터 연직하방으로 7 m의 지점에 위치해 있다(그림 5b). 또한, 단순화를 위하여 어뢰폭약은 반경 0.
본 총괄해석 모델의 경우에는 두 개의 라그랑주모델(최악파편과 선체)이 있다. 최악파편의 경우에는 강체로 모델링하므로 앞의 예비해석의 경우와 동일한 재료 모델과 입력 변수값을 적용한다(표 4 참조).
또한, 본 예비해석의 최악파편은 예상할 수 있는 최악의 조건을 반영하기 위하여 파편의 길이방향이 연직방향을 향하도록 하였으며, 최고의 탈출속도를 발생시키기 위해 두 수평축에 대한 회전운동은 구속시켰다. 본 해석모델에서 어뢰의 폭약량은 TNT 350 kg으로 설정하였다. 왜냐하면 나머지 150 kg의 폭약은 어뢰의 파편들을 생성시키고 그들의 초기위치(비산을 시작하기 직전의 위치)까지 가속시키는데 이미 소모되었다고 가정하기 때문이다(2절 참조).
이 모델에서 최악파편의 규격은 길이 160 cm, 폭 10 cm,두께 1 cm이다(3절 참조). 본 해석모델은 주어진 UNDEX 상황에서 원하는 최악파편의 초기속도를 찾는데 주안점을 둔 단순화 모델이다. 또한, 본 예비해석의 최악파편은 예상할 수 있는 최악의 조건을 반영하기 위하여 파편의 길이방향이 연직방향을 향하도록 하였으며, 최고의 탈출속도를 발생시키기 위해 두 수평축에 대한 회전운동은 구속시켰다.
본 해석모델을 구성하는 세 개의 오일러 모델인 공기(air), 물(water), 폭약(explosive)은 2 m × 2 m × 9 m크기의 직육면체 형태의 공유영역을 분할하여 차지하고 있다(그림 1).
예비해석 모델의 모식도를 그림 1a에 보였다. 이 모델에서 최악파편의 규격은 길이 160 cm, 폭 10 cm,두께 1 cm이다(3절 참조). 본 해석모델은 주어진 UNDEX 상황에서 원하는 최악파편의 초기속도를 찾는데 주안점을 둔 단순화 모델이다.
그림 6b는 기폭 후 84 ms 시점에 휨 변형을 보이는 수상함 선체의 모습이다. 이 예의 경우에 적용된 선체의 두께는 40 mm이다. 이 그림에는 수중에서 팽창 중에 있는 가스버블(gas bubble)의 모습도 나타나있다.
이론/모형
ALE 기법에서는 동일한 해석모델에 대해 라그랑주와 오일러의 정식화(Lagrangian and Eulerian formulations)기법이 결합되어 있으며, 유체-구조물 상호작용(fluid-structure interaction; FSI)은 특수한 연계 알고리즘(coupling algorithm)을 통해 처리된다. LS-DYNA의CONSTRAINED_LAGRANGE_IN_SOLID 카드는 FSI 연계 알고리즘을 실행한다.
TNT를 모사하기 위한 EOS로는 다음의Jones-Wilkins-Lee (JWL) 식을 사용하였다(LSTC,2015b).
29 kg/m3로 설정하였다. 공기 영역을 모사하기 위한 상태방정식(equation of state; EOS)으로는 다음과 같은 선형다항식(linear polynomial)을 사용하였다(LSTC, 2015b).
물의 밀도는 1000 kg/m3로 설정하였다. 물 영역을 모사하기 위한 EOS로는 다음과 같은 Gruneisen식을 사용하였다(LSTC, 2015b).
물을 위한 재료모델도 역시 MAT_NULL을 사용하였다. 물의 밀도는 1000 kg/m3로 설정하였다.
, 2010)이다. 본 수치해석에서는 LS-DYNA(LSTC, 2015a)에서 지원되는 ALE 유한요소 코드(arbitrary Lagrangian-Eulerianfinite element code)를 사용한다. 이 코드는 유한요소 기법에서 쓸 수 있는 일종의 하이드로코드(hydrocode)이다.
본 총괄해석 단계에서는 앞의 예비해석 단계에서 얻은 두 개의 초기속도(400 m/s와 1000 m/s)를 최악파편의 초기속도로 각기 사용할 것이다. 본 총괄해석 모델의 작성에 필요한 여러 가지 기하학적 조건들은 서두에서 언급한 공동조사보고서(Yoon et al.,2010)로부터 추출하였다. 그림 5a는 수상함 부근에서의 UNDEX를 모사하는 총괄해석 모델의 모식도이다.
본 해석에서 공기를 위한 재료모델로는 일반적으로 많이 사용되는 LS-DYNA의 MAT_NULL 재료모델을 사용하였다. 공기의 밀도는 1.
수상함의 선체를 표현하는 반원통형 모델(그림 5)은 어뢰폭발에 따른 수중충격파에 대한 선체의 휨 응답을 모사하기 위해 소성변형은 가능하되 파괴는 불가능한 특별한 물성을 적용하였다. 이를 위해 수상함의 선체에 대해서는 LS-DYNA의 PLASTIC_ KINEMATIC재료모델을 채택하였으며, 표 5에 보인 일반적인 구조용 강의 물성을 적용하였다. 해석과정에서는 선체의 강판 두께를 40, 60, 80 mm 등으로 변화시키면서 응답을 관찰하였다.
총괄해석에서는 어뢰의 최악파편에 특별한 초기속도를 부여하고, TNT를 폭발시켜 파편이 이중으로 가속되도록 하였다. 최악파편에 부여하는 초기속도는 예비해석을 통해 구하는데, 이를 위해서는 기존에 잘 알려져 있는 수중폭발경험식을 이용하였다. 연구 결과, 본 논문에서 가정한조건(특히, 선체의 비파괴 조건) 하에서는 최악파편과 선체바닥의 속도차이가 너무 작아 어뢰파편에 의한 선체 파공은 일어나기 어려운 것으로 나타났다.
그 이유는 최악파편이란 사실상 가장 빠른 속도를 보이는 파편을 의미하므로 최악파편이 수중에서 비산하는 도중에 변형이나 회전하는 것은 속도를 늦추는 요인이 되기 때문이다. 최악파편을 강체로 모사하기 위해 LS-DYNA의MAT_RIGID 재료모델을 사용하였으며, 재료물성으로는 통상적인 구조용 강(structural steel)의 물성을 적용하였다. 표 4에 최악파편에 대한 입력물성값들을 열거하였다.
폭약(TNT) 재료모델은 LS-DYNA의 MAT_HIGH_EXPLOSIVE_BURN 카드를 사용하였다. TNT의 일반적인 물성값은 표 2에 보인 바와 같다.
본 논문에서는 명시적 유한요소코드인 LS-DYNA를 사용하여 수상함 하부에서 어뢰가 폭발했을 때 선체바닥을 향하여 비산하는 최악파편의 종단속도를 추정함으로써 선체에 파공이 발생할 가능성이 있는지 여부를 가늠해 보았다. 해석과정에서는 LS-DYNA에서 ALE 기법이라 불리는 FSI 기법을 사용하여 TNT폭약의 수중폭발에 따른 최악파편과 선체의 응답을 관찰하였다. 해석모델은 오일러 모델(물, 공기, TNT)과 라그랑주 모델(최악파편, 선체)로 극도로 단순화하여 구성하였다.
성능/효과
반면, 선체바닥은 기폭 후 14 ms가 지나면 변위속도가 40m/s까지 증가하지만 충돌 직전에는 약 24 m/s까지 떨어진다. 결국, 충돌시점에 이르면 최악파편과 선체바닥 사이에는 불과 4 m/s의 속도차이밖에 나지 않는다는 것을 본 총괄해석을 통해 확인할 수 있다. 이 결과는, 적어도 본 총괄해석에서 주어진 조건 하에서는, 최악파편이 선체바닥에 파공을 일으키기 어렵다는 것을 보여주고 있다.
(2014)은 수중폭발 시에 유체로 채워진 선실(cabin)이 내부의 다층구조의 선실들을 파편들로부터 방호할 수 있는지 알아보는 시험을 실시하였다. 그 결과, 선실 내부의 액체가 고속파편의 에너지를 효과적으로 흡수함으로써 안쪽의 선실들 속으로는 파편이 관통해 들어가지 못하는 것을 확인하였다.Reid(1996)는 수중에서 폭약이 배의 금속성 선체에 접촉 또는 극히 근접한 상태에서 폭발하였을 때는 일반적으로 선체에 커다란 구멍이 뚫린다고 보고 하였다.
최악파편에 부여하는 초기속도는 예비해석을 통해 구하는데, 이를 위해서는 기존에 잘 알려져 있는 수중폭발경험식을 이용하였다. 연구 결과, 본 논문에서 가정한조건(특히, 선체의 비파괴 조건) 하에서는 최악파편과 선체바닥의 속도차이가 너무 작아 어뢰파편에 의한 선체 파공은 일어나기 어려운 것으로 나타났다. 그러나 만일 선체에 대한 비파괴 조건을 없애고 선체내부의 격벽구조까지 모델링한다면 훨씬 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
이 결과는 어뢰의 폭약총량은 500 kg (TNT)인데, 이 약량 가운데 150 kg(30%)은 파편들의 생성과 가속에 사용되었고, 나머지 350 kg(70%)는 충격파와 가스압의 발생에 사용되었음을 의미한다. 한편, 어뢰 속의 폭약의 형태를 직경 0.
후속연구
연구 결과, 본 논문에서 가정한조건(특히, 선체의 비파괴 조건) 하에서는 최악파편과 선체바닥의 속도차이가 너무 작아 어뢰파편에 의한 선체 파공은 일어나기 어려운 것으로 나타났다. 그러나 만일 선체에 대한 비파괴 조건을 없애고 선체내부의 격벽구조까지 모델링한다면 훨씬 정확한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
또한, 어뢰의 경우에도 그 복잡한 형태와 폭발과정을 직접 모사하기 보다는 단순히 폭발로 생성된 최악파편의 크기와 자세, 초기속도만을 가정함으로써 최악조건의 UNDEX에서 나타날 수 있는 결과를 파악하는 데 초점을 맞추었다. 따라서 본 연구에서 채택한 단순화된 해석방법에서 한 단계 더 나아가서 어뢰의 폭발과 선체의 파괴를 사실적으로 모사하기 위해서는 어뢰와 선체의 세부적인 구조는 물론이고, 어뢰 내부의 폭약의 폭발과정까지도 모두 사실적으로 모델링할 필요가 있을 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폭약의 총에너지 중 약 30%는 어디에 사용되는가?
Payne(2010)에 따르면 어떤 폭탄(bomb) 속에 들어있는 폭약의 총에너지 중에서 약 30%는 폭탄의 외피를 찢어서 파편들을 생성시키고, 또 이렇게 생성된 파편들을 가속시키는 데 소모된다고 한다. 이는 폭탄에 들어있는 폭약의 총에너지 가운데 70%만이 폭발충격파(shock wave)와 가스압(gas pressure)을 발생시키는 데 사용됨을 의미한다.
최악파편의 길이는 어떻게 정의되는가?
Swisdak and Montanaro(1992)는 또한 최악파편의 규격을 결정하는 방법을 다음과 같이 제안하였다. 즉, 폭탄장약의 원통부위의 길이를 최악파편의 길이로 정한다. 그러면 최악파편의 종횡비는 14이므로 이로부터 최악파편의 폭을 계산할 수 있다.
유체로 채워진 선실이 수중폭발시 보여준 방호성능은 어떠하였는가?
(2014)은 수중폭발 시에 유체로 채워진 선실(cabin)이 내부의 다층구조의 선실들을 파편들로부터 방호할 수 있는지 알아보는 시험을 실시하였다. 그 결과, 선실 내부의 액체가 고속파편의 에너지를 효과적으로 흡수함으로써 안쪽의 선실들 속으로는 파편이 관통해 들어가지 못하는 것을 확인하였다.Reid(1996)는 수중에서 폭약이 배의 금속성 선체에 접촉 또는 극히 근접한 상태에서 폭발하였을 때는 일반적으로 선체에 커다란 구멍이 뚫린다고 보고 하였다.
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