초기수위해석을 이용한 2차원 유한요소모형의 개선

김상호,오현욱,최승용,한건연 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.6

Initial condition of water surface elevation with boundary condition is required to simulate two-dimensional finite element model. In general, in order to perform two-dimensional finite element model, unrealistic initial water surface elevation which is above all-terrain bed elevation and unmatched downstream boundary condition is used, which will make it difficult to perform stably. In this study, the water surface elevation caused by the actual river bed rather than a fixed value is applied automatically as the initial condition of a two-dimensional finite element model. The algorithm to automatically extract river cross section for simulation of one-dimensional hydraulic analysis from a two-dimensional element mesh is developed. And the accuracy of twodimensional model tried to upgrade by improving the two-dimensional finite element model, which used the results of one-dimensional non-uniform analysis as the initial condition of two-dimensional model. To examine the applicability of an improved model,the model was applied to the rectangular channel with a rapid slope, mild-steep slopes channel, steep-mild slopes channel and Han River. The results of the model, which the initial water surface elevation of one-dimensional flow analysis is used, were more stably converged than those of existing model and the stability of numerical computation was improved by using physical initial water surface elevation. 2차원 유한요소모형을 수행하기 위해서는 경계조건과 함께 대상구간에 대한 초기수위를 지정하여야 한다. 일반적으로 2차원모형을 수행하기 위해 하상의 모든 지형고보다 높으면서 하류단 경계수위와 일치하지 않는 비현실적인 초기수위를 사용하게 되며, 이는 모형의 안정적인 모의를 어렵게 한다. 본 논문에서는 2차원 모형의 초기수위가 고정값이 아니라 실제 하상경사로 인해 발생하는 하천의 수위를 사용하여 2차원 유한요소모형에 자동 적용되도록 하였다. 이를 위해 2차원 요소망으로부터 1차원동수역학 해석을 수행할 수 있는 하상자료를 자동으로 추출하는 알고리듬을 개발하였고, 2차원 모형 내에서 모의된 1차원 부정부등류 해석 결과가 2차원 모형의 전체구간에 대한 초기수위로 적용될 수 있도록 2차원 유한요소모형을 개선함으로써 모형의정확도를 향상시키고자 하였다. 개선된 모형의 적용성을 검토하기 위해서 급격한 경사를 가지는 직사각형 하도, 완경사-급경사하도 그리고 급경사-완경사 하도와 같은 가상하도 및 한강 본류구간에 대해 흐름해석을 실시하였다. 그 결과 기존의 2차원 유한요소모형의 결과보다 1차원 흐름해석 결과를 초기수위로 이용한 모형의 결과가 보다 안정적으로 해에 수렴하고 있는 것을 확인함으로써 물리적인 초기 수위값의 부여로 인한 수치계산의 안전성이 향상되었음을 확인할 수 있었다.

2차 요소를 이용한 2차원 상향가중 유한요소모형

최승용,김병현,김상호,한건연 한국수자원학회 2009 한국수자원학회논문집 Vol.42 No.12

본 연구의 목적은 하도의 형상이 불규칙한 자연하천에서 2차원 흐름 특성을 해석하고 예측하기 위해 2차 요소를 이용한 정확하고 효과적인 상향가중 유한요소모형의 개발에 있다. 모형의 개발을 위해 선형 삼각형 요소, 선형 사각형 요소와 혼합요소를 적용하였고 2차 삼각형, 사각형 요소와 혼합요소를 적용하여 모형을 개발하였으며, 지배방정식의 수치적분식으로 Gauss Quadrature 방법을 사용하였다. 개발된 모형의 적용성 검증을 위해 하상융기가 있는 수로 The objective of this study is to develop an efficient and accurate quadratic finite element model based on Streamline Upwind/Petrov Galerkin (SU/PG) scheme for analyzing and predicting two dimensional flow features in complex natural rivers. For a develo

파랑 변형 해석을 위한 복합 요소 모형

정태화,박우선,서경덕 한국해안해양공학회 2003 한국해안해양공학회 논문집 Vol.15 No.3

본 연구에서는 천해 파랑 계산에 널리 사용되어지고 있는 확장형 완경사 방정식과 계산 효율은 같게 유지하면서 Laplace방정식을 직접 풀 수 있는 유한 요소 모형에 대해서 연구하였다. 기존의 확장형 완경사 방정식을 사용하는 경우와 같은 계산효율을 유지하기 위하여 파동장을 수심방향으로 1층인 유한요소로 나누고, 요소내의 포텐셜을 수면에 위치한 절점에 대한 포텐셜만으로 표시하도록 한 후, Galerkin 기법을 적용하여 수치모형을 구성하였다. 요소 내 수평방향에 대해서는 통상의 보간함수를 채택하였으며, 수심방향에 대해서는 진행파의 수심방향 거동인 함수를 사용하여 보간함수를 구성하였다. 모형의 개발은 우선 연직 2차원 문제를 대상으로 하였다. 개발된 모형의 검증을 위하여 연직 2차원에서의 파랑 반사 및 전달문제에 적용한 결과, 개발된 유한 요소 모형은 계산상의 효율면에서나 해의 정확도 면에서 기존의 확장형 완경사 방정식에 기초한 모형과 같은 수준을 보임을 확인하였다. In this study, we develop a finite element model to directly solve the Laplace equation while keeping the same computational efficiency as the models based on the extended mild-slope equation which has been widely used for calculation of wave transformation in shallow water. For this, the computational domain is discretized into finite elements with a single layer in the vertical direction. The velocity potential in the element is then expressed in terms of the potentials at the nodes located at water surface, and the Galerkin method is used to construct the numerical model. A common shape function is adopted in horizontal direction, and the cosine hyperbolic function in vertical direction, which describes the vertical behavior of progressive waves. The model was developed for vertical two-dimensional problems. In order to verify the developed model, it is applied to vertical two-dimensional problems of wave reflection and transmission. It is shown that the present finite element model is comparable to the models based on extended mild-slope equations in both computational efficiency and accuracy.

수심평균 혼합거리 난류 모형의 개발 및 와점성계수의 평가

최승용,한건연,황재홍 한국습지학회 2011 한국습지학회지 Vol.13 No.3

본 연구의 목적은 개수로에서 난류모의를 위한 2차원 모형을 개발하는데 있다. 연구모델은 Streamline Upwind / Petrov-Galerkin 유한요소법과 Boussinesq의 와점성이론을 기초로 하였는데, 수심적분을 취한 혼합거리 모형과 난류의 이방성과 국부평형의 조건을 적용하였다. 모형의 보정과 검증을 위해서 해석해와 관측자료를 활용하였다. 몇 가지 수치모의를 수행함으로써 난류모형의 민감도와 계산수행 능력을 확인할 수 있었다. 본 연구모형은 자연하천에서의 모형 적용성 확인을 위해서 한강유역에 적용하였고 모의치는 실측자료와 비교하였다. 개발된 모형은 자연하천에서의 관측자료와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 결론적으로 본 연구의 2차원 유한요소모형은 개수로에서의 난류모의에 기초한 흐름분포에 있어 신뢰할만한 결과를 제공하는 것으로 나타났다.

부유식 해상풍력발전기용 반잠수식 계류 풀리의 강도 성능평가를 위한 구조해석과 축소 모형시험

송창용 해양환경안전학회 2023 해양환경안전학회지 Vol.29 No.5

Recently, the destructive power of typhoons is continuously increasing owing to global warming. In a situation where the installation of floating wind turbines is increasing worldwide, concerns about the huge loss and collapse of floating offshore wind turbines owing to strong typhoons are deepening. A new type of disconnectable mooring system must be developed for the safe operation of floating offshore wind turbines. A new submersible mooring pulley considered in this study is devised to more easily attach or detach the floating offshore wind turbine with mooring lines compared with other disconnectable mooring apparatuses. To investigate the structural safety of the initial design of submersible mooring pulley that can be applied to an 8MW-class floating type offshore wind turbine, scale-down structural models were developed using a 3-D printer and structural tests were performed on the models. For the structural tests of the scale-down models, tensile specimens of acrylonitrile butadiene styrene material that was used in the 3-D printing were prepared, and the material properties were evaluated by conducting the tensile tests. The finite element analysis (FEA) of submersible mooring pulley was performed by applying the material properties obtained from the tensile tests and the same load and boundary conditions as in the scale-down model structural tests. Through the FEA, the structural weak parts on the submersible mooring pulley were reviewed. The structural model tests were conducted considering the main load conditions of submersible mooring pulley, and the FEA and test results were compared for the locations that exceeded the maximum tensile stress of the material. The results of the FEA and structural model tests indicated that the connection structure of the body and the wheel was weak in operating conditions and that of the body and the chain stopper was weak in mooring conditions. The results of this study enabled to experimentally verify the structural safety of the initial design of submersible mooring pulley. The study results can be usefully used to improve the structural strength of submersible mooring pulley in a detailed design stage. 최근 지구 온난화의 영향으로 태풍의 파괴력이 증가함에 따라 부유식 해상풍력발전기의 막대한 유실과 붕괴에 대한 우려가 깊어지고 있다. 부유식 해상풍력발전기의 안전한 운영을 위해 새로운 형태의 탈착형 계류 시스템 개발이 요구되고 있다. 본 연구에서 고려한 새로운 반잠수식 계류 풀리는 기존의 탈착형 계류 장치에 비해 계류 라인으로 부유식 해상풍력 터빈을 보다 쉽게 탈부착할 수 있도록 고안되었다. 8MW급 부유식 해상풍력발전기에 적용 가능한 반잠수식 계류 풀리의 초기 설계에 대한 구조적 안전성을 검토하기 위해 3D 프린터를 이용하여 축소구조모형을 제작하고, 이 모형에 대한 구조시험을 수행하였다. 축소 모형의 구조시험을 위해 3D 프린팅에 사용된 ABS 소재의 인장 시편을 제작하고 인장시험을 수행하여 소재의 물성을 평가하였다. 인장시험에서 얻은 재료 특성과 축소모형 구조시험과 동일한 하중 및 경계 조건을 적용하여 반잠수식 계류 풀리의 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석을 통해 반잠수식 계류 풀리의 구조적 취약 부분을 검토하였다. 반잠수식 계류 풀리의 주요 하중조건을 고려하여 구조모형시험을 수행하였으며, 재료의 최대인장응력 이상이 발생하는 위치에 대해 유한요소해석과 시험 결과를 비교하였다. 유한요소해석과 모형시험의 결과로부터 작동조건에서는 Body와 Wheel의 연결부 구조가 취약한 것으로 파악되었고, 계류조건에서는 Body와 Chain stopper의 연결부 구조가 취약한 것으로 검토되었다. 축소모형 구조시험에서 나타난 SMP의 구조 취약부는 구조해석의 결과와 일치하는 것으로 나타났다. 연구 결과를 통해 반잠수식 계류 풀리의 초기 설계에 대한 구조적 안전성을 실험적으로 검증할 수 있었다. 또한, 본 연구 결과는 상세설계 단계에서 반잠수식 계류 풀리의 구조 강도를 향상시키는데 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

암석거동의 수치해석적 연구를 위한 균열모형의 적용

박도현,전석원,Park, Do-hyun,Jeon, Seok-won 한국터널지하공간학회 2000 터널기술 Vol.2 No.2

암석은 지질학적 생성과정으로 인해 잠재적으로 많은 구조적 결함을 내포하고 있는 재료이다. 이러한 구조적 결함으로 인해 압축하중을 받고 있는 암석의 변형거동 및 파괴는 비선형적이다. 지금까지의 연구들에서는 암석의 비선형 거동을 모사하기 위해 균열모형, 즉 활주균열모형 (Sliding crack model) 과 전단균열모형 (Shear crack model) 을 사용하였다. 이 연구들에서는 암석의 비선형 응력-변형률 곡선과 균열성장으로 인해 발생되는 유효탄성정수들 ($E_1$, $E_2$, ${\nu}_1$, ${\nu}_2$, $G_2$) 의 변화와 같은 여러 가지 암석 거동을 모사하였다 (Kemeny, 1993; Jeon, 1996, 1998). 대부분의 이러한 연구들은 주로 균열모형의 암석거동의 적용에 대한 타당성을 검증하는데 그쳤으며 지하공간이나 사면설계 등의 실제적인 수치해석을 목적으로 균열모형을 적용한 연구는 그다지 많지 않다. 본 연구에서는 암석의 비선형 응력 변형률 곡선을 모사함으로써 균열모형의 암석에의 적용에 대한 타당성을 검증하며 실제적인 수치해석, 즉 상용되고 있는 유한요소해석 프로그램에 균열모형을 적용하였다. Rock is a very complex and heterogeneous material, containing structural flaws due to geologic generation process. Because of those structural flaws, deformation and failure of rock when subjected to differential compressive stresses is non-linear. To simulate the non-linear behavior of rock, mechanical crack models, that is, sliding and shear crack models have been used in several studies. In those studies, non-linear stress-strain curves and various behaviors of rock including the changes of effective elastic moduli ($E_1$, $E_2$, ${\nu}_1$, ${\nu}_2$, $G_2$) due to crack growth were simulated (Kemeny, 1993; Jeon, 1996, 1998). Most of the studies have mainly focused on the verification of the mechanical crack model with relatively less attempt to apply it to practical purposes such as numerical analysis for underground and/or slope design. In this study, the validity of mechanical crack model was checked out by simulating the non-linear behavior of rock and consequently it was applied to a practical numerical analysis, finite element analysis commonly used.

유한요소 해석과 모형실험을 통한 교량받침의 거동특성 연구

이재욱,정희영,오주,박진영,김씨동 한국구조물진단유지관리공학회 2014 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.18 No.5

철도차량에 의한 진동은 지반을 통해 주변 지역에 영향을 주고 피로균열등 구조적 손상을 주고 있다. 본 논문은 새롭게 개발된 탄성 스페리컬 받침을 기존 강재스페리컬 받침과의 비교를 통한 진동저감성능에 대해 평가하였다. 탄성스페리컬 받침은 반구형 곡률과 크기를 변경함으로써 현장 여건에 맞는 강성을 구현할 수 있는 장점이 있다. 탄성 스페리컬 받침은 반구형 고무 및 보강판의 적층 받침으로써 성능특성을 확인하기 위해 설계와 해석결과를 비교하고 특성시험을 실시하였다. 또한 진동저감성능 확인을 위해 열차의 실대차 축소모형 시험을실시하였다. 해석적 검증비교를 통한 특성시험에서는 설계하중 500kN 시험체의 압축 및 회전 시험결과 압축보다 회전에 의한 강성 증가가적은 것으로 확인되었다. 또한 압축 및 회전 시험 후 시험체에 외관변형 및 영구적인 손상, 찢어짐 등은 발견되지 않았다. 축소 스케일 진동측정 시험에서는 실대차 모형을 1/50축소하여 교량의 진동을 측정하였다. 그 결과 강재 스페리컬 받침에 비해 탄성 스페리컬 받침의 진동저감능력이 탁월한 것으로 판단되며, 거리별 진동감쇠 성능도 높은 것으로 확인되어 탄성스페리컬 받침의 철도교 적용 시 진동저감효과가우수할 것으로 판단된다. 향 후 실제 철도교량에서의 현장실험을 통해 성능을 검증할 계획이다. The increased vibration level of the railway bridge could make significant noise and, also, cause structural damages such as fatigue cracks. Related to these subjects, a spherical elastomeric bridge bearing, which is layered by hemispherical rubber and steel plates, was investigated in terms of its vibration performance. Several different shape factors could be considered by changing thecurvature of hemispherical surface and size in rubber and steel plate thicknesses in the manufacturing stage. The performance ofthe spherical elastomeric bearing for the reduction in vibration was compared with that of the conventional bearing by performingvibration experiments on a scale-downed model. The rubber material characteristics and spherical shape are found to be important parameters in reducing the bridge vibration.

물의 순환에 관한 3차원 유한요소 모형

정태성 한국해안해양공학회 1998 한국해안해양공학회 논문집 Vol.10 No.1

물의 유동을 해석하기 위한 3차원 수치모형이 개발되었다 모형은 균질류에 대한 σ -좌표에서 방정식들 을 유한요소법을 사용하여 해석한다. 모형의 정확성을 정토하기 위하여 1차원 수로에서 취송류 분포, 정사각형 호수에서 취송류 분포를 해석하고 해석해와 비교 검증하였으며, 마산-진해만에서 조류분포를 계산하고 현장 관측자료와 비교 검증하였다. 계산결과가 비교된 해석해 및 관측치와 대체로 일치하는 양호한 결과를 보였다. 따라서, 개발된 모형은 복잡한 육지경계를 갖는 자연 수괴의 3차원적 순환현상을 해석하는 데 널리 활용될 수 있을 것이다 A three-dimensional numerical model of water circulation has been developed. The model employs the equations on σ -coordinate and the finite element method for numerical integration. To verify accuracy of the model, a series of numerical experiments have been conducted. The experiments include wind-driven currents in an one-dimensional channel, wind-driven currents in a square lake, and tidal current distributions in Masan-Jinhae Bay. The simulation results showed good agreements with the analytic solutions for wind-driven current and the field data sets in Masan-Jinhae Bay. The model can be used widely for modeling of water circulation in the waters with a complex geometry.

2차원 이송분산모형을 이용한 한강 본류 구간에서의 BOD 거동 모의

서일원(Seo Il Won),송창근(Song Chang Geun) 대한토목학회 2007 대한토목학회논문집 B Vol.27 No.6B

국내 하천의 경우 오염원과 취수장이 동일 영역 내에 공존하기 때문에 오염물질의 2차원 거동을 예측할 수 있는 모형의 개발이 필수적이다. 본 연구에서는 비보존성 오염물질 가운데 가장 널리 사용되는 수질지표인 BOD의 혼합거동을 해석하기 위하여 2차원 이송-분산 수치모형을 개발하였다. 모형의 구성을 위해 2차원 수심평균된 반응성 오염물질의 이송-분산방정식에 Galerkin법에 의한 유한요소모형을 적용하였다. 개발된 모형의 검증을 위해 직사각형 수로에서 순간주입 및 연속주입 조건에서 해석해와 비교해 본 결과 오염운의 확산거동이 잘 일치함이 밝혀졌다. 모형의 현장적용구간을 팔당댐 하류부터 잠실 수중보까지 15.8 ㎞로 하여 암사취수장(좌안) 및 구의취수장(우안)로 유입되는 수질을 해석하였다. 구리하수처리장의 처리수가 왕숙천을 통해 한강본류로 들어오는 경우에 대한 수치모의 결과, 암사 및 구의취수장에서의 BOD 농도의 계산치는 같은 기간 동안 환경부 수질측정망에 의한 관측치 평균과 0.1 ppm 이내의 범위로 근사하였다. 수질사고 시 오염물질의 주입 지점에 따른 취수장에서의 오염물 농도를 알아보기 위해 강동대교의 좌안, 중앙 및 우안에서 오염물질이 낙하되어 순간주입된 경우의 모의결과 좌안주입의 경우에는 암사 및 구의취수장 모두에 영향을 미치고 있으나 우안 및 중앙주입의 경우에는 오염물질이 좌안에 위치한 암사취수장에는 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. In Korean rivers, pollution sources coexist with water intake facilities at the same reach. Therefore it is essential to develop a model that can predict the two-dimensional behavior of pollutant mixing. In this study, finite element model with Galerkin method was adopted to the 2-D depth-averaged advection-dispersion equation of reactive pollutants to analyze the transport of BOD. Comparison between analytic and numerical solution which was performed in rectangular channel to verify the developed model showed that the shapes of pollutant cloud are well matched. The model was applied to the field region ranging from downstream of Pal-dang dam to Cham-sil submerged weir, which is 15.8 ㎞ in length and water quality was examined at Am-sa and Gu-ui water intake facilities. When treated water in Gu-ri sewage treatment plant flows from Wang-suk stream into Han River, the numerical results of BOD concentration in Am-sa and Gu-ui water intake facility was very close to the measured values conducted by Ministry of Environment during that period. To investigate the influence of location of pollutant injection on the water quality at water intake facilities, instantaneous injections were made at left, center and right side of Kang-dong bridge. The result showed that in case of left injection, Am-sa and Gu-ui water intake facilities were influenced significantly by the injection. However, center and right injection did not affect much Am-sa water intake facility located in left side of the river.

지진해일 전파 수치모의를 위한 2차원 유한요소모형의 능동적 분산보정기법

윤성범(Yoon, Sung Bum),임채호(Lim, Chae Ho) 한국해안해양공학회 2005 한국해안해양공학회 논문집 Vol.17 No.1

지진해일을 수치모의할 때 임의로 구성된 유한요소망과 양해법을 사용하면서도 Boussinesq 방정식과 같은 정도의 물리적 분산효과를 고려할 수 있는 능동적인 분산보정 2차원 유한요소모형을 개발하였다. 새로운 기법을 이용하여 계산한 수치해와 파의 분산효과를 고려한 해석해의 비교를 통해 본 연구에서 개발한 분산보정기법의 타당성을 입증하였다. 그 결과 개발된 수치모형이 상당히 정확함을 보였다. For the simulation of tsunami propagation an active dispersion-correction two-dimensional finite element model has been developed based on a shallow-water wave equation. This model employs an arbitrary triangular mesh and an explicit time integration scheme. However, the physical dispersion effects as included in the Boussinesq equations can be taken into account in the computation. The validity of the dispersion-correction scheme developed in this study is verified through the comparison of numerical solutions calculated using the new scheme with analytical ones considering dispersion effect of waves. As a result, the present model is shown to be considerably accurate.