화재 열 유동을 고려한 구조물의 열응력해석

박홍락,강준원,이진우 한국전산구조공학회 2016 한국전산구조공학회논문집 Vol.29 No.4

이 연구는 화재에 노출된 구조물의 역학적 거동을 평가하기 위한 기반연구로서 화재 유동해석과 열응력해석의 통합 프레 임워크를 확립하고 이를 강재와 콘크리트로 이루어진 대표체적에 적용한 결과를 제시하였다. 먼저 Fire Dynamics Simulator(FDS)를 이용해 임의의 화재곡선으로 모델링되는 화원으로부터 구조물 표면까지 유동해석을 실시하였다. 이를 통 해 구조물 표면에서 시간에 따른 온도 분포를 계산하였고, 이 결과를 비선형 열응력해석에 경계조건으로 적용하였다. 이후의 과정은 화재의 성장 또는 감소에 따라 구조물 표면온도의 변화를 반영하는 열전달해석과 구조해석으로 이루어진다. 제시한 통합 프레임워크에 의해 화재 구조해석을 수행한 결과, 강재와 콘크리트의 대표체적 모두 동일한 하중이 작용할 때 상온 조 건에서는 탄성 거동을 보였지만 화재로 인한 온도 조건을 고려할 경우 소성 거동을 보였다. 이는 구조물이 화재에 노출되는 경우 설계하중보다 작은 하중에서도 한계상태에 이를 수 있다는 것을 의미하며, 따라서 원전구조물이나 교량과 같은 중요 사회기반구조물의 설계 시 구조물의 화재거동 평가가 고려되어야 한다고 할 수 있다. In this study, a numerical analysis framework for investigating the nonlinear behavior of structures under fire conditions is presented. In particular, analysis procedure combining fire-driven flow simulation and thermo-mechanical analysis is discussed to investigate the mechanical behavior of fire-exposed representative volume structures made of steel and concrete, respectively. First of all, fire-driven flow analysis is conducted using Fire Dynamics Simulator(FDS) in a rectangular parallelepiped domain containing the structure. The FDS simulation yields the time history of temperature on the surface of the structure under fire conditions. Second, mechanical responses of the fire-exposed structure with respect to prescribed uniformly distributed loads are calculated by a coupled thermo-mechanical analysis using the time-varying surface temperature as boundary conditions. Material nonlinearities of steel and concrete have been considered in the thermo-mechanical analysis. A series of numerical results are presented to demonstrate the feasibility of the multiphysics structural fire analysis for investigating the structural behavior under fire conditions.

연소식 히터 해석 설계

심창열(ChangYeul Shim),남궁혁준(HyuckJoon Namkoung),한풍규(PoongGyoo Han),김영수(YoungSoo Kim) 한국추진공학회 2012 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2012 No.11

본 연구에서는 일반적으로 연소기 엔진 지상연소시험 설비용으로 사용되는 연소식 히터가 설계되었다. 본 연소식 히터는 출구성능과 열구조적인 안정성을 고려하여 설계가 되었으며, 설계 단계에서 열전달을 고려한 복합(conjugated) 열유동해석과 열구조해석이 수행되었다. 연소실의 복합 열유동해석 결과를 본 연소식 히터의 전 시스템 열유동해석에 적용하여 히터 출구에서의 성능조건을 충족시켰으며 복합 열유동해석에서 구한 열전달계수 값을 열구조해석에 적용하여, 히터 구조체의 열구조적 안정성을 검토하였다. In this paper, we designed the vitiated heater for ground combustion test of engine. This heater is designed with considering outlet performance and thermal-structure stability. We also performed conjugated thermal flow analysis in considering with heat transfer at the design-stage and thermal structure analysis. Finally, we evaluated the thermal structure stability of this heater by approving the result from conjugated thermal analysis and satisfied the performance condition of heater outlet.

연소시간 중 노즐조립체의 열-구조적 거동분석에 관한 연구

노영희(Younghee Ro),서상규(Sanggyu Seo),정승민(Seongmin Jeong) 한국추진공학회 2017 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.5

연소 중 고온, 고압, 고속의 연소가스가 작용하는 노즐조립체(Nozzle Assembly)는 다양한 부품(노즐목/내열재/구조체)이 접촉(Contact)/접착(Bonding)의 형태로 조립되며, 유동(경계층 유동장)-열(기계/화학적 삭마, 숯 등 열반응, 열전달)-구조(마찰, 접촉, 접착, 동적거동 및 열응력)적 복합하중이 내부에 작용하며 복잡한 거동을 보이기 때문에 정확한 구조적 안전성을 계산하는데 한계가 있다. 본 연구는 연소시험 후 노즐목 깨짐 현상이 발생한 노즐조립체에 대해 연소시간 중 열-구조적 거동 분석을 해석적으로 수행하였다. 연소시간 중 시간별/위치별로 유동해석(Fluid Analysis)에서 계산된 내부압력과, 열반응/열해석(Thermal Surface Reaction&Ablation Analysis)에서 계산된 노즐 표면의 삭마량 및 대류열전달계수가 구조해석의 경계/하중조건으로 부여된 후 열변형 해석이 수행되는 연동해석(Co-simulation)기법을 사용하였다. 특히 구조해석 시 각 부품별 경계면의 접착/접촉/마찰조건을 달리하며 연소시험 시 계측된 변형률값과 비교하여 가장 유사한 연소 중 거동분석 조건을 도출하였다. A great deal of difficulty is encountered in the thermo-mechanical analyses of nozzle assembly for solid propellant rocket motors. The main issue in this paper is the modeling of the boundary conditions and the connections between the various components-gaps, relative movements of the components, contacts, friction, etc. This paper evaluated the complex phenomena of nozzle assembly during burning time with co-simulation which include fluid, thermal surface reaction/ablation and structural analysis. The validity of this approach was verified by comparison of analysis results with measured strains.

공정열교환기 소형 시제품에 대한 고온구조해석(Ⅳ)

송기남(Kee Nam Song),홍성덕(Sung Deok Hong),박홍윤(Hong Yoon Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.10

공정열교환기는 초고온가스로로부터 생성된 950℃ 정도의 초고온 열을 대량의 수소를 생산하기 위한 화학반응공정으로 전달하는데 필요한 핵심기기이다. Hastelloy-X 로 제작된 소형 공정열교환기 시제품이 한국원자력연구원에 있는 소형가스루프에서 성능시험이 계획되어 있다. 본 연구에서는 소형가스루프 시험조건하에서 소형 공정열교환기 시제품의 고온 구조건전성을 사전에 평가하기 위한 작업의 일환으로 소형 공정열교환기 시제품에 대한 고온 구조해석 모델링, 거시적 열 해석 및 탄·소성 구조 해석을 수행하고 그 결과들을 정리한 것이다. 해석 결과는 공정열교환기 수정 시제품 성능시험장치 설계에 반영할 것이다. A PHE (Process Heat Exchanger) is a key component required to transfer heat energy of 950℃ generated in a VHTR (Very High Temperature Reactor) to a chemical reaction that yields a large quantity of hydrogen. A small-scale PHE prototype made of Hastelloy-X was scheduled for testing in a small-scale gas loop at the Korea Atomic Energy Research Institute. In this study, as a part of the evaluation of the high-temperature structural integrity of the PHE prototype, high-temperature structural analysis modeling, and macroscopic thermal and elastic-plastic structural analysis of the PHE prototype were carried out under the gas-loop test conditions as a preliminary qwer123$study before carrying out the performance test in the gas loop. The results obtained in this study will be used to design the performance test setup for the modified PHE prototype.

공정열교환기 소형 시제품에 대한 고온구조해석(Ⅲ)

송기남(Kee Nam Song),이형연(Heong Yeon Lee),김찬수(Chan Soo Kim),홍성덕(Seong Duk Hong),박홍윤(Hong Yoon Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.2

초고온가스로로부터 생성된 950℃ 정도의 초고온 열을 이용하여 수소를 경제적이며 또한 대량으로 생산하는 원자력수소생산시스템에서 공정열교환기는 초고온 열과 화학반응 공정을 통해 수소를 생산하기 위한 핵심 기기이다. 한국원자력연구원에서는 초고온가스로에 사용될 기기에 대한 성능시험을 위해 소형가스루프를 구축하고 공정열교환기 시제품을 수정 제작하였다. 본 연구는 공정열교환기 수정 시제품을 소형가스루프에서 시험하기 전에 루프 시험조건하에서 공정열교환기 수정 시제품의 고온 구조건전성을 미리 평가하기 위한 작업의 일환으로 공정열교환기 수정 시제품에 대한 고온 구조해석 모델링, 거시적 열 해석 및 구조 해석을 수행하고 그 결과들을 정리한 것이다. 해석 결과는 공정열교환기 수정 시제품 성능시험 장치 설계에 반영할 것이다. A PHE (Process Heat Exchanger) is a key component of nuclear hydrogen system for massive production of hydrogen; the PHE transfers the very high temperature heat (950℃) generated from the VHTR (Very High Temperature Reactor) to a chemical reaction. The Korea Atomic Energy Research Institute developed a small-scale gas loop for testing the performance of VHTR components and manufactured a modified PHE prototype for carrying out the testing in the gas loop. In this study, as a part of the evaluation of the high-temperature structural integrity of the modified PHE prototype which is scheduled to test in the gas loop, we carried out high-temperature structural analysis modeling, macroscopic thermal and structural analysis of the PHE prototype under the gas loop test conditions as a precedent study before carrying out the performance test in the gas loop. The results obtained in this study will be used to design the performance test setup for the modified PHE prototype.

화재에 노출된 교량하부 강합성 구조물에 대한 열-구조 연성 병렬화재해석

윤성환,길흥배,이일근,김우석,박대효,Yun, Sung-Hwan,Gil, Heungbae,Lee, Ilkeun,Kim, Wooseok,Park, Taehyo 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.4

본 논문은 교량 하부에서 발생된 화재에 대한 강-콘크리트 합성구조의 전반적 국부적 손상평가를 위한 수치해석적 연구이다. 수치해석의 정확성 및 효율성을 높이기 위해 구성재료의 과도 비선형 열적 열역학적 특성이 고려된 열-구조 연성병렬 화재해석 기법이 제안되고, ANSYS solver와 연결되어 해석이 수행되며, 표준화재시험과 비교 검증된다. 검증된 해석기법을 통해 국내에서 발생된 부천고가교 합성구조에 대한 화재손상해석이 수행된다. 해석결과 강박스 거더의 하부 플랜지 및 복부의 경우 임계온도를 초과하였고 구조적 처짐과 변형 형상이 화재사고 결과와 비교적 잘 일치하였다. The objective of this research is to evaluate of global and local damage for steel-concrete composite structures under highway bridge exposed to fire loading. To enhance the accuracy and efficiency of the numerical analysis, the proposed transient nonlinear thermal structure interaction(TSI) parallel fire analysis method is implemented in ANSYS. To validate the TSI parallel fire analysis method, a comparison is made with the standard fire test results. The proposed TSI parallel fire analysis method is applied to fire damage analysis and performance evaluation for Buchen highway bridge. The result of analysis, temperature of low flange and web are exceed the critical temperature. The deflection and deformation state show good agreement with the fire accident of buchen highway bridge.

가스터빈 케이싱의 구조안전성 및 누설 평가

서희원,함동우,김경국,한정삼 한국전산구조공학회 2016 한국전산구조공학회논문집 Vol.29 No.4

가스 터빈은 기동 및 정지 횟수가 많기 때문에 열피로나 취화 현상으로 인한 가스터빈 케이싱의 균열 또는 케이싱의 플랜 지면에서 고온고압 가스의 누설이 발생할 가능성이 높다. 따라서 가스터빈 케이싱의 구조안전성 및 플랜지면에서의 누설평 가는 반드시 수행되어야 하는 부분이다. 본 논문에서는 유한요소해석을 바탕으로 터빈 케이싱의 ASME B&PVC VIII-2 구 조안전성 평가 및 접촉압력을 통한 누설 평가 그리고 볼트의 구조안전성 평가를 진행하였다. 또한 가스터빈 케이싱의 유한 요소모델링 및 해석/평가 방법을 제안하여 가스터빈 개발에 활용할 수 있게 하였다. Because typical gas turbine systems have frequent startup and shutdown operations, it is likely to cause cracks at the gas turbine casing and gas leakages at casing flanges due to thermal fatigue and embrittlement. Therefore, the evaluation of structural integrity and gas leakage at the gas turbine casings must be performed. In this paper, we have evaluated the structural integrity of the turbine casing and bolts under a normal operation in accordance with ASME B&PVC and evaluated the leakage at casing flanges by examination of contact pressure calculated using the finite element analysis. Finally, we propose a design flow including finite element modeling, the interpretation and evaluation methods for gas turbine casings. This may be utilized in the design and development of gas turbine casings.

SUS316L 로 제작된 실험실 수준 인쇄기판형 열교환기 시제품의 고온구조건전성 평가

송기남(Kee Nam Song),홍성덕(Sung Deok Hong) 대한기계학회 2013 大韓機械學會論文集A Vol.37 No.9

초고온가스로의 중간열교환기는 원자로에서 생산된 950℃ 정도의 초고온 열을 수소생산 공장으로 전달하는 핵심 기기이다. 한국원자력연구원에서는 중간열교환기의 후보 형태로 고려되고 있는 인쇄기판형 열교환기의 실험실 수준 시제품을 제작하였다. 본 연구는 초고온헬륨루프 시험조건하에서 SUS316L 로 제작된 실험실 수준 인쇄기판형 열교환기 시제품의 고온구조건전성을 미리 평가하기 위한 작업의 일환으로 인쇄기판형 열교환기 실험실 수준 시제품에 대한 고온 구조해석 모델링, 거시적 열 해석 및 구조 해석을 수행하고 그 결과들을 정리한 것이다. The Intermediate Heat Exchanger (IHX) of a Very High Temperature Reactor (VHTR) is a core component that transfers the high heat of 950℃ generated in the VHTR to a hydrogen production plant. The Korea Atomic Energy Research Institute manufactured a lab-scale prototype of a Printed Circuit Heat Exchanger (PCHE) as a candidate for an IHX. In this study, as a part of a high-temperature structural integrity evaluation of the lab-scale PCHE prototype made of SUS316L, we carried out high temperature structural analysis modeling and macroscopic thermal and elastic structural analysis for the lab-scale PCHE prototype under helium experimental loop (HELP) test conditions as a precedent study prior to the performance test in HELP.

소형 PCHE 시제품에 대한 거시적 고온 구조 해석 모델링 (Ⅱ)

송기남(Kee Nam Song),이형연(Heong Yeon Lee),홍성덕(Sung Deok Hong),박홍윤(Hong Yoon Park) 대한기계학회 2011 大韓機械學會論文集A Vol.35 No.9

초고온가스로의 중간열교환기는 원자로에서 생산된 950℃ 정도의 초고온 열을 수소생산 공장으로 전달하는 핵심 기기이다. 한국원자력연구원에서는 중간열교환기의 후보 형태로 고려되고 있는 인쇄기판형 열교환기의 소형 시제품을 제작하였다. 본 연구는 소형가스루프 시험조건하에서 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품의 고온 구조건전성을 시험수행 전에 미리 평가하기 위한 작업의 일환으로 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품에 대한 고온 구조해석 모델링, 거시적 열 해석 및 구조 해석을 수행하고 그 결과들을 정리한 것이다. 해석 결과는 곧 수행될 인쇄기판형 열교환기 소형 시제품 성능시험결과와 비교하고 또한 향후 제작될 중형 시제품 설계/제작에 반영할 것이다. The IHX (intermediate heat exchanger) of a VHTR (very high-temperature reactor) is a core component that transfers the high heat generated by the VHTR at 950℃ to a hydrogen production plant. Korea Atomic Energy Research Institute manufactured a small-scale prototype of a PCHE (printed circuit heat exchanger) that was being considered as a candidate for the IHX. In this study, as a part of high-temperature structural integrity evaluation of the small-scale PCHE prototype, we carried out high-temperature structural analysis modeling and macroscopic thermal and elastic structural analysis for the small-scale PCHE prototype under small-scale gas-loop test conditions. The modeling and analysis were performed as a precedent study prior to the performance test in the small-scale gas loop. The results obtained in this study will be compared with the test results for the small-scale PCHE. Moreover, these results will be used in the design of a medium-scale PCHE prototype.

해양플랜트에 사용되는 배관의 열 하중과 구조물의 운동에 따른 구조안전성 평가

류보림(Ryu, Bo Rim),강호근(Kang, Ho Keun),Duong Phan Anh,이진욱(Lee, J in Uk) 한국항해항만학회 2021 한국항해항만학회지 Vol.45 No.4

본 논문에서는 해양구조물의 배관에 작용하는 환경조건과 구조물의 움직임에 따른 구조안전성 평가를 수행하였다. 배관에 작용하는 조건은 N2 generator의 설계 조건을 분석하여 최고온도와 최저온도 조건을 적용하였다. 구조물의 움직임은 DNV 규칙에 따라 계산하여 적용하였다. 각각의 조건을 조합하고 열 하중, 운동 하중 그리고 배관지지대의 유무에 따라 총 26가지 하중 조합을 구성하였고 상용프로그램인 MSC Patran/Nastran을 이용하여 해석을 진행하였다. 열해석은 Steady-state 방법인 Sol 153, 열-구조 연성 해석은 Linear-static 방법인 Sol 101을 각각 적용하여 수행하였다. 해석 결과, Set 1과 Set 2에서는 배관 내의 온도가 낮을수록, Set 3에서는 온도가 높을수록, Set 4에서는 배관 내외부의 온도 차가 클수록 응력이 증가하는 경향이 있었다. 하지만, 온도 하중만 있는 조건과 운동 하중만 있는 조건에서의 응력의 합이 두 하중의 복합 하중 조건에서의 응력과 같은 값을 나타내지는 않았다. 즉, 운동 하중에 의한 영향은 운동의 방향, 배관의 배치나 지지대의 위치 등에 따라 달라진다는 것을 알 수 있다. 따라서, 설계 시점에서 배관에 작용하는 운동 하중의 크기와 방향, 배관의 배치 그리고 배관 지지대의 위치 등을 종합적으로 고려할 필요가 있다. The objective of this study was to evaluate structural safety according to environmental conditions acting on the piping of offshore structure and the motion of the structure. As for conditions acting on the piping, the maximum and minimum temperature conditions were used to analyze the design conditions of N2 generator. The motion of the structure was calculated and applied according to the DNV(Det Norske Veritas) rule. Each condition was combined and a total of 26 load combinations were constructed according to thermal load, motion load, and presence or absence of pipe support. Analysis was performed using a commercial program MSC Patran/Nastran. Thermal analysis was performed by applying the steady-state method, Sol 153. Thermal-structural coupled analysis was performed using Sol 101, a linear-static method. As a result of the analysis, the stress tended to increase when temperature inside the pipe was lower in Set 1 and Set 2, when temperature was higher in Set 3, and when the temperature difference between the inside and outside of the pipe in Set 4 was increased. However, the sum of stresses in the condition with only temperature load and the condition with only the kinetic load did not show the same value as the stress in the composite load condition of two loads. That is, the influence of the motion load varied depending on the direction of motion, the arrangement of pipes, and the position of the support. Therefore, it is necessary to comprehensively consider the size and direction of the motion load acting on the piping, the arrangement of the piping, and the location of the pipe supports during the design of piping.