수중폭발에 의한 해중터널의 동적거동

홍관영,이계희,이성로 한국전산구조공학회 2018 한국전산구조공학회논문집 Vol.31 No.5

본 논문에서는 수중폭발(UE: underwater explosion)에 의한 해중터널(SFT: submerged floating tunnel)의 동적거동을 양 해법(explicit)를 이용하는 LS-DYNA에 의한 유한요소해석을 통하여 분석하였다. SFT의 유한요소모델은 원형단면의 강재 라이너에 콘크리트가 채워진 복합재 원형단면으로 고려되었다. 해중터널 시스템의 중앙부 100m 구간은 탄소성재료를 고려 한 솔리드(solid)요소로 상세하게 모델링하였으며, 양측 방향으로 각각 1km 구간에 대해서는 탄성재료를 고려하여 빔(beam) 요소로 이상화하여 모델링하였다. 사선계류시스템은 케이블(cable)요소를 적용하였으며, 수중폭발에 의한 동적거동시 수리동 적질량의 영향을 고려하기 위하여 원형단면에 대한 추가질량을 고려하였다. 또한 부력과 같은 상시하중을 초기조건으로 고려하기 위하여 동적완화해석(dynamic relaxation analysis)를 수행하였다. UE는 부력비(B/W)와 폭발지점으로부터 거리의 변화에 대해서 고려하였으며, 폭발의 규모는 천안함 합동조사보고서(2010)를 참조하여 TNT 360kg로 결정하였다. 수중폭발 해석결과, 폭발지점으로부터 SFT까지 거리는 관입량, 충격압력의 크기와 반비례 관계에 있고, 부력비(B/W)가 커질수록 계류장력도 커짐을 확인하였다. 그러나 사선계류라인의 계류각 변화는 SFT의 수평거동, 관입량, 계류력, 충격압력과의 연관성 을 찾을 수가 없었다. In this paper, to estimate the dynamic behavior of a submerged floating tunnel(SFT) by underwater explosion(UE), the SFT is modeled and analyzed by the explicit structural analysis package LS-DYNA. The section of SFT near to explosion point is modeled to shell and solid elements using elasto-plasticity material model for concrete tubular section and steel lining. And the other parts of the SFT are modeled to elastic beam elements. Also, mooring lines are modeled as tension-only cable elements. Total mass of SFT is including an added mass by hydrodynamic effect. The buoyancy on the SFT is considered in its initial condition using a dynamic relaxation method. The accuracy and the feasibility of the analysis model aree verified by the results of series of free field analysis for UE. And buoyancy ratio(B/W) of SFT, the distance between SFT and an explosion point and the arrangement of mooring line aree considered as main parameters of the explosion analysis. As results of the explosion analysis, the dynamic responses such as the dent deformation by the shock pressure are responded less as more distance between SFT and an explosion point. However, the mooring angle of the diagonal mooring system can not affect the responses such as the horizontal displacement of SFT by the shock pressure.

수중폭발충격에 대한 수중음향 트랜스듀서의 내충격 특성 해석

고병준(Goh, Byeong-Jun),서희선(Seo, Hee-Seon) 한국소음진동공학회 2006 한국소음진동공학회 논문집 Vol.16 No.11

Underwater acoustic transducers can be exposed to a underwater explosive shock caused by various types of underwater weapon. So, a robust anti-shock design is required for transducers to endure the underwater explosive shock. To check the anti-shock characteristics of a transducer, underwater explosive shock test is needed. The conditions of underwater explosive shock test are set up referring to various oversea explosive shock test specifications, and the explosive shock pressure values are calculated according to those conditions. Transient analyses art: carried out for two kinds of underwater acoustic transducer model to verify the anti-shock characteristics. The applied model has robust anti-shock characteristics enough to endure the explosive shock up to 2300 psi. In the future, the transducer design should be certified through the fields test, and modified if needed.

수중폭발에 의한 해중철도의 전체 응답 해석

서승일(Sung-il Seo),사공명(Myung Sagong),손승완(Seung-wan Son) 한국철도학회 2013 한국철도학회 학술발표대회논문집 Vol.2013 No.5

장거리 부유식 해중철도는 비상 상황에 대해서도 승객의 안전을 확보해야 한다. 특히, 해중철도 부근에서 테러나 사고에 의해 수중폭발이 발생하였을 경우, 함체에 치명적인 손상을 가할 수 있으므로, 충분한 강도를 확보해야 한다. 본 연구에서는 설계 목적으로 해중철도 인근에서 수중폭발이 발생한 경우, 경험에 기초한 공식을 이용하여 충격압을 추정하고, 충격압에 의한 해중철도의 응답을 해석할 수 있는 간이 해석 방법을 제안하였다. 해중철도 함체를 탄성지지된 보로 이상화하고, 초기 최대 충격압이 작용하는 보에 대해 정적 유한요소해석을 실시한 후, 동하중계수와 조합함으로 최대 변위 및 굽힘모멘트를 계산한다. 간이 해석 결과는 상용 유한요소해석 소프트웨어를 이용한, 시간에 따른 과도응답해석 결과와 비교하여 양호한 일치를 보임을 확인하였다. Long distance submerged floating railway must be designed to secure passengers’ safety even in case of accidental events . Underwater explosion caused by terrorists or accident is the most critical event to long submerged structures. To design a safe submerged floating railway against underwater explosion, its behavior must be investigated and clarified. In this paper, first, shock waves and impulse pressures generated by a charge away from the submerged floating railway are expressed by the formulas coming from the experimental results. Second, the submerged floating railway tethered by mooring lines and anchors is modeled as a simply supported uniform beam with continuous elastic springs. Finite element analysis for the beam model subjected to the impulse loading is conducted by using a commercial code so that the response of the submerged floating railway can be investigated. For design purpose, simplified analysis method combined with dynamic load factor is also proposed for the same model. Maximum deformation and internal forces are calculated by this method and compared with the time dependent analysis results. It is shown that the simplified analysis result gives good agreement with the time dependent analysis one.

폭발 반응성 조절이 가능한 나노에너제틱 물질의 광학적 점화 및 수중폭발에의 응용

김지훈(Ji Hoon Kim),김상범(Sang Beom Kim),조명훈(Myung Hoon Jo),정훈(Hoon Jung),안지영(Ji Young Ahn),김경주(Kyung Joo Kim),김수형(Soo Hyung Kim) 한국추진공학회 2015 한국추진공학회 학술대회논문집 Vol.2015 No.11

나노에너제틱 물질(Nanoenergetic Materials)의 수중응용분야는 더욱 간편하고 신뢰성 있는 점화방식의 개발로 확장될 수 있다. 그러나, 실제로 나노에너제틱 물질의 수중점화는 매우 어려운데 이는 수중점화시 주변의 물분자로 인해 점화 자체가 어렵고 점화가 이루어진다고 하더라도 수분에 의한 급격한 냉각 효과로 폭발로 이어지기 어렵기 때문이다. 본 연구에서는 플래시 점화가 가능한 수중폭발용 나노에너제틱 물질을 개발하였다. 나노에너제틱 물질에 성게형 탄소나노튜브(Sea Urchin-like Carbon Nanotubes, SUCNTs)를 첨가하여 플래시에 의한 점화를 유도하였고, 성게형 탄소나노튜브/나노에너제틱 물질 복합체 펠렛에 니트로셀룰로오스(Nitrocellulose, NC) 코팅을 통해 수중폭발(Underwater Explosion)에 성공하였다. The underwater application of nanoenergetic materias (nEMs) could be extended by developing more convenient and reliable ignition methods, However, the undewater ignition of nEMs is a significant challenge because water perturbs the reactants prior to ignition and also quenches the subsequent combustion reaction of nEMs upon ignition. In this study, we developed flash-ignitable nEMs for underwater explosion. This was achieved by adding sea urchin-like carbon nanotubes (SUCNTs) as the optical igniter into an nEM matrix, composed of Al/CuO nanoparticles. Also, underwater flash ignition was achieved by coating water repellan nitrocellulose (NC) film on the surface of SUCNTs/nEM composite pellets.

MM-ALE 유한요소 시뮬레이션을 이용한 수중 어뢰폭발에서의 최악파편의 종단속도 추정

최병희,류창하 대한화약발파공학회 2019 화약발파 Vol.37 No.3

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. 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 어뢰로부터가까운 곳(4.5 m)에 위치한 선체에 파공을 일으킬 수 있는지 여부를 파악하는 데 있다. 시뮬레이션은 별도의 두단계로 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 종단속도를찾고자 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 물에의한 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 것으로나타났다.

수중폭발 이론을 사용한 노심폭주사고 시 노심 팽창 및 에너지 거동 수치해석

강석훈(S.H. Kang) 한국전산유체공학회 2016 한국전산유체공학회지 Vol.21 No.3

A numerical analysis is conducted to estimate the core expansion and the energy behaviors induced by a core disruptive accident in a sodium-cooled fast reactor. The numerical formulation based on underwater explosion theory is carried out to simulate the core explosion inside the reactor vessel. The transient pressure, temperature and expansion of the core are examined by solving the equation of state and nonlinear governing equation of momentum conservation in one-dimensional spherical coordinates. The energy balance inside the computation domain is examined during the core expansion process. Heat transfer between the core and the sodium coolant, and the bubble rise during the expansion process are briefly investigated.

무폭약 시험 장치 개발을 위한 수중폭발 특성에 대한 연구

이한솔(Hansol Lee),박규동(Kyudong Park),나양섭(Yangsub Na),이승규(Seunggyu Lee),박경훈(Kyunghoon Pack),정현(Hyun Chung) 대한조선학회 2020 大韓造船學會 論文集 Vol.57 No.6

수중 폭발에 의한 함체의 비탄성 휘핑 응답에 관한 연구

김현우(Hyunwoo Kim),서재훈(Jae Hoon Seo),정준모(Joonmo Choung) 대한조선학회 2021 大韓造船學會 論文集 Vol.58 No.6

수중폭발에 의한 센서의 구조건전성 해석

정재덕(Jung, Jae-Deok),홍석윤(Hong, Suk-Yoon),길현권(Kil, Hyun-Gwon),송지훈(Song, Jee-Hun),권현웅(Kwon, Hyun-Wung),전재진(Jeon, Jae-Jin),서영수(Seo, Youngsoo) 한국소음진동공학회 2013 한국소음진동공학회 논문집 Vol.23 No.7

Underwater acoustic sensors are significantly damaged from underwater explosion. The damage that affects sensor should be evaluated for its smooth operations and safety. For satisfying these objectives, it is necessary to obtain more accurate values of the pressure and the energy flux density by distance. This paper is divided into two part. First, to obtain more accurate value of the pressure and the energy flux density at each point, the simulation results and the reference values were compared. For fitting to the reference pressure and the reference energy flux density, the sizes of fluid and TNT model are corrected, and the comparison results show good agreements. Second, based on these results, the structural integrity of underwater sensor structure was analyzed when TNT located in 10 meters from underwater sensors structure. This simulation used the commercial software MSC/DYTRAN.

폭약의 폭발에 의해 발생되는 수중충격파를 이용한 금속 분말의 충격 고화에 관한 연구

김영국(Young Kook),Shigeru Itoh 대한기계학회 2006 대한기계학회 춘추학술대회 Vol.2006 No.11

A shock consolidation method is to consolidate metal powder using detonation wave, including high pressure and high velocity, generated by explosion of explosive. In order to make further high pressure and high velocity for the detonation wave, we developed an underwater shock wave generation device. The underwater shock wave generation device can produce an ultra high pressure of over 10㎬. The pressure of underwater shock wave is controlled by inner shape of water container which is one of the parts of underwater shock wave generation device. In this study, we carried out several experiments for the shock consolidation of metal powder and performed a numerical analysis for the behavior of underwater shock wave generated in the water container. As results, we confirmed that the grain growth of compacted bulk material is minimized, underwater shock wave is affected by the reflected wave occurred by inner angle of water container.