핵연료집합체 3 차원 축소모델 개발 및 모드해석

무하마드 수반(Muhammad Subhan),남궁인(Ihn Namgung) 대한기계학회 2021 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2021 No.4

APR1400 원전의 지진해석은 집중질량 빔요소로 구성된 2 차원 모델로서 수직 방향과 수평 방향 모델로 분리되어 있다. 원자로 코어의 모든 핵연료는 모두 합쳐져서 몇 개의 빔요소와 집중질량으로 모델이 이루어져 있다. AP1000의 경우에는 3 차원 집중질량과 빔요소를 사용하여 모델을 개발하였으며, 3 차원 지진해석을 수행하였다. 본연구의 목적은 노심의 핵연료집합체를 통합하지 않고 개별 핵연료집합체에 대한 축소 동해석 모델을 개발하여 노심 동해석을 가능하게 하는 것이다. 이를 위해 본 논문에서는 최신 컴퓨터 기술 및 모델링 기술을 접목해서 핵연료집합체의 3 차원 동해석 방법론을 개발하는 것이다. 3 차원 핵연료 집합체의 축소모델을 개발하기 위해 핵연료봉은 질량으로 나타냈고, CEA 가이드 튜브와 스페이서 그리드는 빔요소를 사용하였고, 하단지지체와 상단지지체는 쉘요소로 취급하여 전체적으로 축소된 모델을 개발하였다. 이렇게 개발된 축소모델은 2,740 개의 요소와 5,148 개의 요소를 가진다. 이 모델에 대해 모드해석을 하여 시험결과와 비교를 통해 1 차모드를 수렴하도록 하였다. 모드해석을 통해 2 차, 3 차 및 4 차 모드도 시험 결과와 유사한 경향을 보임을 확인하였다. 따라서 본 축소모델을 사용하여 지진해석 및 시간이력해석이 가능할 것으로 판단된다. 본 연구에서 모드해석 결과 기존의 통합 모델에서 관찰할 수 없던 트위스트 모드를 보였다. 이 결과는 핵연료사이의 접촉가능성을 보여주는 것으로서 핵연료 사이의 동적 거동에 대한 추가적인 연구가 필요하다. Currently, the seismic analysis model of APR 1400 consists of beam and lumped mass in 2D separated model in horizontal direction and vertical direction. Also in the core, fuel assemblies are aggregated and simplified into few beam and lumped masses. WEC also used beam and lumped mass elements for the AP1000 seismic analysis model, but used 3D beam and mass to represent whole core where fuel assemblies are aggregated as well. The main purpose of the lumped mass and beam modeling of fuel assembly is to simplify model and make core dynamic analysis possible without aggregating all fuels in core into few beam elements and lumped masses. This research investigates 3D dynamic analysis modeling methodology of nuclear fuel assembly reflecting performance improvement of computer technology and analysis software functionality. A 3D modeling approach of FA was proposed in which fuel rods mass was lumped, CEA guide tubes and spacer grid are represented by beam elements and lower end-fitting and upper end-fitting are represented by shell elements. The FA dynamic analysis model so developed consists of 2,740 elements and 5,148 nodes. The model was optimized for the 1st mode from the test results of FA applying modal analysis. The model was successfully represents 1st mode modal values. Also the modal analysis results exhibits similarities for 2nd, 3rd and 4th modes, hence the model can be used for further dynamic analysis of fuel assembly such as seismic analysis or time-history analysis. The corresponding mode shapes revealed additional mode of twist motion that was not shown by current FA dynamic model of APR1400 or AP1000. This research revealed there are extra modes of twist motion that could induce contact between FAs and would require further investigation of dynamic interaction between FAs.

3차원 비선형 동적해석을 이용한 입체라멘교의 지진거동특성에 관한 연구

김익현 한국지진공학회 2002 한국지진공학회논문집 Vol.6 No.5

비선형동적해석을 통하여 RC 입체라멘교에 대한 지진거동특성 및 파괴메카니즘에 관한 연구를 수행하였다. 파이버모델에 기초한 RC 프레임요소를 교각에 도입하여 3차원영역에서 모델링하여 비선형동적해석을 수행하였다. 해석의 정확성을 향상시키기 위하여 균열 진전후 콘크리트와 철근의 부작특성에 의한 재료역학적 특성차이를 고려하기 위하여 파이버는 철근영역(RC zone)과 무근영역(PC zone)으로 영역화하였다. 대상교량은 관성력 중심위치와 교량의 강성중심 위치가 일치하지 않아 비틀림을 동반한 복잡한 지진거동특성을 나타내었다. 이러한 거동특성에 의하여 유연한 교각 옆에 위치하는 상대적 강성이 큰 교각에 과다한 지진하중이 집중되어 파괴에 이르는 것으로 나타났다. The characteristics of nonlinear seismic behavior and failure mechanism of RC space frame in railroad viaducts have been studied by the numerical analysis in time domain. The structure concerned is modeled in 3 dimensional extent and the RC frame elements consisting of fibers are employed for the columns. The fibers are characterized as RC zone and PC one to distinguish the different energy release after cracking resulted from the bond characteristic between concrete and re-bar. Due to the deviation of the mass center and the stiffness center of the entire structure the complex behavior is shown under seismic actions. The excessive shear force is concentrated on the column beside flexible one relatively, which leads to the failure of bridge concerned.

붐(Boom)의 탄성을 고려한 해상크레인의 비선형 정적/동적 거동을 위한 수치 해석

차주환(Ju-Hwan Cha),박광필(Kwang-Phil Park),이규열(Kyu-Yeul Lee) 대한기계학회 2010 大韓機械學會論文集A Vol.34 No.4

해상크레인은 크레인을 탑재한 선박으로서, 조선소에서 대형 블록이나 구조물의 탑재 및 해상 운송 작업에 사용된다. 본 논문에서는 해상크레인과 중량물의 전후 동요(Surge), 상하 동요(Heave), 종 동요(Pitch)에 대한 정적/동적 거동을 분석하였다. 이 때, 유연 다물체계 동역학을 적용하여 해상크레인의 붐(boom)을 탄성으로 고려하였으며, 플로팅 프레임(floating frame)과 노드 좌표(nodal coordinates)를 사용하였다. 질량 행렬, 탄성 강성 행렬, 2 차 속도 벡터, 일반화 좌표 방향으로 작용하는 외력 등을 고려하여 모든 운동이 연성된 비선형 운동 방정식을 구성하였다. 외력으로는 비선형 유체정역학 힘, 선형화된 유체동역학 힘, wire rope 힘, 계류력이 고려되었다. 수치 해석을 위해 Hilber-Hughes-Taylor 방법을 비선형 운동방정식에 적용하였다. 정적 거동 분석을 통한 정적 평형 자세를 고려한 경우와 고려하지 않은 경우에 대해 결과를 비교하였으며, 수치 해석 방법에 대한 정적/동적 거동 분석 결과를 비교하였다. A floating crane is a crane-mounted ship and is used to assemble or to transport heavy blocks in shipyards. In this paper, the static and dynamic response of a floating crane and a heavy block that are connected using elastic booms and wire ropes are described. The static and dynamic equations of surge, pitch, and heave for the system are derived on the basis of flexible multibody system dynamics. The equations of motion are fully coupled and highly nonlinear since they involve nonlinear mass matrices, elastic stiffness matrices, quadratic velocity vectors, and generalized external forces. A floating frame of reference and nodal coordinates are employed to model the boom as a flexible body. The nonlinear hydrostatic force, linear hydrodynamic force, wire-rope force, and mooring force are considered as the external forces. For numerical analysis, the Hilber-Hughes-Taylor method for implicit integration is used. The dynamic responses of the cargo are analyzed with respect to the results obtained by static and numerical analyses.

동적거동에 기초한 약진지역 철골뼈대구조물의 내진설계

국승규 한국지진공학회 2001 한국지진공학회논문집 Vol.5 No.2

구조물 내진설계의 개념은 기존요구조건이라는 조항으로 시방서에 규정되어 있으며 구조물이 지진발생시에 안전성과 경제성을 최대한 확보할 수 있으며 비선형시간 이력해석을 수행하여 자진시의 동적거동을 기술함으로써 확인할 수 있다. 내진설계에 보편적으로 적용하는 응답스펙트럼해석법은 선형해석법으로 구조물의 비선형동적거동의 영향을 거동계수로 반영하므로 파괴메카니즘 및 기본 요구조건의 만족여부를 거동계수를 구하는 과정으로 결정할 수 있다. 이 연구에서는 내진설계방식에 의해 설계된 약진지역에 의한 화학공장건물의 모델인 3차원 철골뼈대구조물을 선정하고 거동계수를 결정하는 과정을 수행하여 지진시의 동적거동을 확인하였다. 이 연구의 결과, 현 시방서의 응답스펙트럼해석법에 적용되는 거동계수는 강진지역의 구조물의 경우 기능성 및 안정성 한계를 제시하지만 약진지역 구조물의 경우는 실제 동적거동과 무관하다는것과 약진 지역에 위치한 구조물의 내진설계에는 시방서가 제시한 내진설계방식을 적용하는 것이 주요한 사항임을 확인하였다.

경량전철의 하중체계에 따른 교량의 동적거동에 관한 연구

김상수(Sang-Su Kim),박용걸(Yong-Gul Park),김만철(Man-Cheol Kim) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.11

본 논문의 목적은 경량전철의 설계하중 기준정립을 위하여 차량제원과 설계하중에 따른 철도교량의 동적거동을 비교, 분석하는 것이다. 본 연구에서는 경량전철 하중체계에 따른 교량의 동적거동을 분석하기 위해서 국내 적용사례 중 비교적 슬림한 단면으로 판단되는 의정부 경량전철의 U-형 PSC 하로교를 대상으로 구조물의 동특성을 분석하였다. 또한 국내에 적용된 다양한 경전철 차량하중을 고려한 이동하중 해석을 수행하여 동적거동을 모사하고 차량특성에 따른 상부교량의 동적 안정성을 상호 비교, 분석하였다. 본 연구결과는 향후 경량전철 관련 설계기준 및 하중표준화 시에 활용할 수 있을 것으로 판단된다. The purpose of this paper is to establish the design load criteria of light rail vehicles by comparing and analyzing the dynamic behavior of bridges according to vehicle specifications and design load. In this study, readily constructed U Shape PSC Girder(Below Type) bridge was chosen and various commercial light weight vehicles were considered with increasing vehicle speeds. Modal properties were extracted and moving load analyses were performed using mode superposition method. The results were then compared against dynamic guidelines. It is anticipated that comparisons done by this study will be a reference to the design guidelines and design load.

지진 시 공동구용 수직구-터널 접속부 거동에 대한 경계면 강성 계수의 영향

김정태,홍은수,강석준,조계춘 사단법인 한국터널지하공간학회 2019 한국터널지하공간학회논문집 Vol.21 No.6

A great interest in the seismic performance evaluation of small size tunnel structures such as utility tunnel has been taken since recent earthquakes at Pohang and Gyeongju in Korea. In this study, the three-dimensional dynamic analyses of vertical shaft and horizontal tunnel under seismic load were carried out using FLAC3D. Especially, parametric analyses was performed to investigate the effects of interfacial stiffness on interfacial behavior between soil and structure. The parametric analysis showed that the interfacial stiffness scarcely gave an effect on the global dynamic behavior of the structure, while had a significant effect on the local displacement behavior of the connections. The magnitude of the interfacial stiffness was inversely proportional to the displacement, while the magnitude of interface stiffness was proportional to the normal and shear stresses. The results of this study suggest the limitations of the existing empirical equations for interfacial stiffness and emphasize the need to develop new interfacial stiffness models. 최근 발생한 포항과 경주 지진 이후 공동구와 같은 소단면 터널 구조물에 대한 내진 성능 평가에 대한 관심이 증가하고 있다. 이 연구에서는 유한 차분법 기반의 FLAC3D를 사용하여 지진 하중에 대한 수직구와 수평 터널 구조물에 대한 3차원 동적 해석을 수행하였다. 특히 지반과 구조물 사이 경계면 특성을 고려한 지반-구조물 상호 해석 시 중요 인자인 경계면 강성 계수의 영향 을 분석하기 위한 매개변수 해석을 수행하였다. 매개변수 해석을 통해 경계면 강성 계수는 지하 구조물의 전체 동적 거동에는 큰 영향을 미치지 않지만 접속부의 국부적인 변위 거동에는 큰 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있었다. 경계면 강성 계수의 크기는 접속부에서의 변위와 반비례하는 경향을 보였으며, 수직 응력 및 전단 응력에 대해서는 비례하는 경향을 확인하였다. 연구 결과 수치 해석에서 주로 사용되고 있는 경계면 강성 계수에 대한 경험적 식의 한계를 제시할 수 있었으며, 새로운 경계면 강성 계수 모델 개발의 필요성을 확인하였다.

분리 거동 해석을 통한 Ridge-Cut형 폭발볼트 형상 최적화

이주호,한재흥,이응조,이형진 한국항공우주학회 2013 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2013 No.4

본 연구에서는 ANSYS AUTODYN을 이용하여 Ridge-Cut형 폭발볼트의 2-D 분리 거동 해석을 수행하였다. 설계/제작된 Ridge-Cut형 폭발볼트 분리 거동 해석을 통해 Ridge-Cut 메커니즘에 의한 분리 현상을 확인하였다. Ridge-Cut형 폭발볼트의 Ridge 각도와 위치를 각각 ±10°, ±0.5 mm 변경하여 분리거동 해석을 수행하여 각각이 분리 신뢰성에 미치는 영향을 확인하였다. Ridge 각도의 변화는 인장파가 집중되는 Ridge를 양분하는 선을 회전시켜 선의 길이 변화에 의해 분리 신뢰성이 영향을 받으며, Ridge 위치의 변화는 전파되는 충격파와 반사된 인장파의 상쇄 여부가 분리 신뢰성에 영향을 주었다. 거동 해석 결과 기준 모델에 비하여 Ridge 각도가 증가할수록, Ridge 위치가 우측으로 이동할수록 분리 신뢰성이 증가하는 것으로 해석되었다. In this study, 2-D separation behavior analysis of ridge-cut explosive bolts is performed using ANSYS AUTODYN. From separation behavior analysis of designed/manufactured ridge-cut explosive bolts, separation phenomena due to ridge-cut mechanism are observed. Effectiveness of ridge angle and position on separation reliability are studied by behavior analysis of ridge-cut explosive bolts with changed ridge angle and position ±10°, ±0.5 mm, respectively. Modifications of ridge angle affect separation reliability by rotation and length change of ridge bisection line where concentration of release waves occurs. Modifications of ridge position affect separation reliability by cancellation of propagating shock waves and reflected release waves. From separation behavior analysis, as ridge angle increases and ridge position moves right, separation reliability is improved.

저심도 철도 시스템에서의 열차하중 및 차량하중에 따른 동적거동에 관한 연구

이동호(Dong-Ho Lee),김자연(Ja-Yeon Kim),우현준(Hyeun-Joon Woo),조국환(Kook-Hwan Cho) 한국철도학회 2012 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2012 No.10

최근 저심도 경량전철 시스템 사업이 대두됨에 따라, 열차 및 차량 이동하중에 따른 동적거동에 관한 연구의 필요성이 대두되고 있다. 본 연구에서는 저심도 경량전철 시스템의 열차 및 차량 주행에 따른 진동가속도를 유한요소 해석프로그램인 LUSAS IMD PLUS를 이용하여 심도 별로 수치해석을 수행 하였다. 약 60km/h로 주행하는 경량전철로 인해 발생하는 진동가속도는 1m 심도일 때 0.0051g, 5m 심도일 때 0.00048g로써 건물의 최소 기준치인 0.10 2 g, 주거지 최소 기준치인 0.5g의 기준치에 비해 매우 안전한 것으로 나타났으며, 이는 심도에 따른 열차주행 진동영향은 매우 적은 것으로 사료된다. As low depth light rail system was issued recently, It is important that study on dynamic modal analysis under train and car moving load. In this study, Numerical analysis was performed to evaluate rail vibration acceleration according to train and car operation of low depth track system LUSAS IMD PLUS that is finite-element analysis program. The evaluated vibratory acceleration under the 60km/h moving light weight train at the depth of 1.0m is 0.0051g, and the value of 0.00048g at the depth of 5.0m. The evaluated values are compared with the criteria of 0.102g for structures and 0.5g for living area, which shows that the evaluated values are within control values. The research results show that low depth train system can be used with safety.

전기자동차용 지로터 펌프의 가상 설계 환경 구축 사례

노대경,이동원,윤영환,전정배 한국시뮬레이션학회 2023 한국시뮬레이션학회 논문지 Vol.32 No.2

The purpose of this study is to create virtual design environment that can predict performance in various situations by reflecting the static design data of a gerotor pump to a dynamic behavior analysis model. The virtual design environment is created through systematic connection between tooth profile creation program that can present drawing specification and analysis model which can review dynamic performance. The study is carried out in the following manner. First, tooth is designed by using tooth profile creation program developed in the previous study and volume change is derived depending on the rotation angle of rotor. Second, analysis model, which can review the behavior of gerotor pump by chamber, is developed through SimulationX, a software specialized in multi domain analysis. Third, design data from tooth design program is mapped on the analysis model in order to link the two programs. Lastly, behaviors such as the pressure and flow pulsation of gerotor pump are realized in order to review the feasibility of connected virtual design environment. In conclusion, a virtual design environment for the gerotor pump was created, which is expected to reduce the time and cost required for design and verification. 본 연구의 목적은 지로터 펌프의 정적인 설계 데이터를 동적 해석모델에 반영하여 다양한 상황에서 성능을 예측할 수 있는 가상 설계 환경을 구축하는데 있다. 가상 설계 환경은 도면 사양을 도출할 수 있는 치형 프로파일 생성 프로그램과 동역학적인 성능을 검토할 수 있는 해석모델의 유기적인 연결을 통해 구축된다. 이를 위한 연구 방법은 다음과 같다. 우선 선행연구를 통해 개발된 치형 프로파일 생성 프로그램을 이용하여 치형을 설계하고 로터 회전 각도에 따른 용적변화를 도출한다. 그리고 멀티도메인 해석소프트웨어인 SimulationX를 통해 지로터 펌프의 챔버별 거동을 분석할 수 있는 해석모델을 개발한다. 이후 해석모델에 치형 설계 프로그램에서 도출된 설계 데이터를 매핑하여 두 프로그램을 연계한다. 마지막으로 연계된 가상 설계 환경의 타당성을 검토하기 위하여 지로터 펌프의 압력과 유량맥동 등의 거동을 구현한다. 결론적으로 지로터 펌프의 가상 설계 환경을 구축하였으며, 이를 통해 설계와 검증에 소요되는 시간과 비용을 절감할 수 있을 것으로 기대된다.

에어백 인플레이터용 파열판의 파열해석에 관한 연구

최성규(Seong-Kyu Choi),박정수(Jung-Su Park),이응소(Eung-So Lee) 한국자동차공학회 2011 한국자동차공학회 학술대회 및 전시회 Vol.2011 No.11

Rupture Disc is a typical safety device for industrial pressure vessels under high pressure and its size varies by each purpose. The rupture disc which is used for the airbag inflator has very small diameter such as 10mm. Therefore, it is very difficult to predict the burst pressure of rupture disc by structural analysis. It is necessary to do the dynamic analysis rather than static analysis because the time from impact of the automobile to full airbag deployment is approximately 30msec. But, the dynamic explicit analysis has disadvantage such as timestep limit caused by the small element size. Therefore, the dynamic implicit analyses were performed to predict the burst pressure of rupture disc more efficiently. In this research, the burst pressure was predicted not only by dynamic explicit analysis but also by dynamic implicit analysis on the rupture disc using LS-DYNA. Consequently, dynamic implicit analysis is more efficient and faster than explicit in case of relatively small-sized objects such as rupture disc used in the airbag inflator. Also, we have compared the experimental results with the numerical to identify their accuracy and correlation.