https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0029801805001654?via%3Dihub
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추상적인
전투 작전 중 군함은 공중 폭발 및 수중 충격 하중을 받을 수 있으며 , 이러한 충격이 함선 근처에서 발생할 경우 선체 외판의 오목한 변형이나 심각한 선체 관통과 같은 손상을 초래할 수 있습니다. 본 연구에서는 비선형 유한 요소법 과 이중 점근 근사법을 결합한 해석 절차를 개발하여 과도 동역학, 기하학적 비선형성, 탄소성 재료 거동 및 유체-구조 상호작용의 영향을 고려합니다. 본 연구는 2,000톤급 초계함이 수중 폭발 에 노출되었을 때의 과도 응답 문제를 다룹니다 . 충격 강도를 나타내기 위해 KSF=0.8을 적용했습니다. 또한, 용골을 따라 전달되는 충격 하중 이력, 가속도, 속도 및 변위의 시간 이력을 제시합니다. 나아가, 본 연구는 소성 영역 확산 현상과 함선의 변형도를 분석합니다. 수중 충격에 대한 함선의 과도 응답에 대한 정보는 함선의 수중 충격 손상 저항성을 향상시키는 선체 설계에 유용합니다.
키워드
수중 폭발;유체-구조 상호작용;수상함
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소개
수중 폭발은 해군 수상함이나 잠수함에 매우 중요하고 복잡한 문제입니다. 함선 근처에서 발생하는 폭발은 선체 외판에 작은 함몰을 일으키거나 심각한 구멍이 뚫리는 등의 손상을 초래할 수 있기 때문입니다. 이러한 문제를 분석하기 위해서는 수중 폭발 과정, 충격파 전파, 폭발 가스 기포의 거동, 비선형 구조 역학 및 유체-구조 상호작용 현상 등 다양한 분야에 대한 이해가 필요합니다. 기존 연구들은 국가 안보상의 이유로 해양 구조물에 대한 수중 폭발의 영향에 대한 연구가 제한적이었습니다. 본 연구에서는 비접촉 수중 폭발에 노출된 선체의 과도 응답을 분석하는 절차를 개발합니다.
수중 폭발에 의해 충격을 받는 수중 구조물의 동적 응답은 1950년대부터 많은 관심을 받아왔습니다. 많은 연구자들이 음파에 의해 충격을 받는 구조물의 과도 응답과 구조물과 음파 사이의 상호작용을 연구했으며, 이러한 연구들은 다양한 구조물의 형상과 경계 조건을 고려했습니다. Carrier(1951)는 무한 유체 매질에 잠겨 있는 무한 탄성 원형 원통형 쉘이 횡방향 과도 음파에 의해 충격을 받는 경우에 대한 해법을 제시했습니다. Carrier가 개발한 해법은 쉘 변위의 모드 전개를 이용하여 지배 방정식을 변환한 다음 변환된 방정식을 푸는 방식으로 얻어졌습니다. 쉘 변위, 유체 압력 및 쉘 속도는 모드 역전 적분으로 표현되었습니다. Mindlin과 Bleich(1953)는 횡방향 계단형 입사파의 경우에 대한 급수 해법의 첫 세 모드에 대한 초기 시간 점근 해법을 제시했습니다. 그러나 급수 접근 방식은 충격 지점에서의 쉘의 초기 반지름 가속도의 정확한 값을 계산할 수 없다는 한계가 있었습니다. Payton(1960)은 이중 적분 변환 기법을 적용하여 최급강하법을 통해 쉘의 초기 시간 총 응답과 유체 운동에 대한 점근적 해를 구했습니다. 한편, Haywood(1958)는 유체 압력과 원통파 속도 사이의 근사 관계를 도입하고 이를 이용하여 쉘 응답의 처음 세 가지 모드에 대한 근사 모달 해를 구했습니다.
황(Huang)은 1969년부터 구조물과 음파의 과도적 상호작용에 관한 일련의 연구 논문을 발표했습니다. 이 연구들은 이전 연구에서 사용되었던 몇 가지 가정을 제거하고, 점하중, 평면파 또는 구형파와 상호작용하는 다양한 구조물 형상을 다루었습니다. 황은 급수 전개법을 이용하여 평면파(Huang, 1969)와 구형파(Huang et al., 1971)가 탄성 구형 껍질과 상호작용하는 현상을 연구했습니다. 이 연구는 문제에 대한 정확한 해를 제시했을 뿐만 아니라 후속 연구를 위한 예시를 제공했습니다. 황(1974)은 입사하는 구형 충격파에 의한 대형 탄성 평면의 과도 응답을 연구했습니다. 그의 연구는 유체-구조 상호작용을 분석하기 위해 라플라스 변환과 한켈 변환 기법을 사용했습니다. 이 연구는 볼록한 음파에 의해 충격을 받는 판의 굽힘 효과를 보여줍니다. Huang(1979)은 유체 운동을 지배하는 파동 방정식과 쉘 운동 방정식을 풀기 위해 변수 분리 및 라플라스 변환과 같은 고전적인 기법을 사용했습니다. 이 연구에서는 입사 압력 펄스에 대한 두 개의 유체 결합 원통형 탄성 쉘의 과도 응답을 연구했습니다. Huang과 Wang(1985)은 점근적 유체-구조 상호작용 이론이 음향 방사를 정확하게 예측하는 범위를 제시했습니다. 그들의 결과에 따르면, 부가 질량 및 평면파 근사(PWA)는 매우 낮은 주파수 및 높은 주파수 상황에 적합합니다. Huang(1986)은 이후 수중 구형 쉘과 압력 펄스의 선형 상호작용을 다루었습니다. 그의 연구에서 Huang은 선형 파동 방정식에 대한 정확한 키르히호프 지연 포텐셜 적분 해를 기반으로 하는 경계 요소법과 유한 요소법을 함께 적용했습니다. 최근 Huang과 Kiddy(1995)는 오일러-라그랑주 방법과 결합된 유한 요소법(PISCES 2DELK)을 기반으로 수중 폭발 충격파 및 후속 맥동 기포와 구형 껍질의 과도 상호작용을 연구했습니다. 그들의 결과에 따르면, 구조적 응답뿐만 아니라 초기 충격파, 구조물, 주변 매질 및 폭발 기포 사이의 상호작용을 고려해야 합니다. 1970년대에 Geers는 수중 구형 껍질과 음파 사이의 과도 상호작용 기술 분야에서 많은 이론을 체계적으로 개발했습니다. 특히 Geers(1971)는 과도 유체-구조 상호작용의 영향을 요약했습니다. 이 연구는 지연 전위 적분, 공간 영역 매핑 및 표면 근사법이 복잡한 수중 구조물을 분석하는 최적의 수단임을 결론지었습니다. Geers(1978)는 계단파에 노출된 수중 구형 껍질의 과도 운동을 순차적으로 연구했습니다.또한 1차 이중 점근 근사(DAA)의 자유 진동 및 강제 응답 특성을 동시에 조사했습니다.1 ) 및 2차 이중 점근 근사(DAA 2 )가 있습니다. Geers와 Felippa(1983)는 수중 구형 껍질의 정상 상태 진동 해석에 1차 및 2차 DAA 2를 사용했을 뿐만 아니라 DAA 1 형태의 정확도도 검토했습니다. 또한 Tang과 Yen(1970)은 라플라스 변환과 왓슨 변환을 사용하여 막, 굽힘, 회전체 관성 및 전단 변형의 영향을 고려하면서 평면 음향 계단파와 탄성 구형 껍질의 상호 작용을 연구했습니다. Kwon과 Fox(1993)는 측면에서 원거리 수중 폭발을 받는 원통의 비선형 동적 응답을 조사하기 위해 수치 및 실험 기법을 적용했습니다. 여러 위치에서 변형률 게이지 측정값과 수치 결과를 비교한 결과 양호한 일치를 보였습니다. Bathe 등(1995)은 음향 유체와 구조물과의 상호 작용을 분석하기 위한 새로운 효과적인 3장 혼합 유한 요소 공식을 개발했습니다. 이산화 과정에서는 변위, 압력, 와류 모멘트를 적절한 경계 조건을 갖는 변수로 사용했습니다. Shin과 Chisum(1997)은 평면 음향 계단파에 노출된 무한 원통형 및 구형 쉘의 응답을 조사하기 위해 결합된 라그랑지-오일러 유한 요소 해석 기법을 기반으로 사용했습니다. Ergin(1997)은 충격에 노출된 원통형 쉘에 대한 실험 측정 및 이론적 계산을 제시하고, DAA 방법을 기반으로 동적 응답을 예측했습니다. Kwon과 Cunningham(1998)은 수중 폭발에 노출된 수중 구조물을 연구하고 보강재의 번짐 현상을 조사하는 기법을 개발했습니다. 한편, Kwon의 논문에서는 원통형 쉘을 회전면(SOR)을 가진 빔으로 표현하고 원통형 쉘과 SOR 빔의 경계면을 분석했습니다. Liang et al. (1998)은 수중 폭발에 노출된 전체 압력 선체의 탄소성 반응 및 임계 영역을 분석하기 위해 Hibbit 및 Karlsson의 방법론에 기반한 절차를 제시했습니다. Liang et al. (2000)은 DAA 2를 기반으로 강력한 충격파에 대한 수중 구형 껍질의 반응을 조사했습니다 .
수중 폭발에 노출된 해양 구조물의 반응을 조사하기 위해 실규모 실험을 수행하는 것은 비용이 매우 많이 들고 환경 안전 문제로 인해 제한적입니다. 또한, 이러한 폭발에 관련된 물리적 현상을 실제 실험 환경에서 축소할 수 없습니다. 게다가, 단순한 기하학적 구조의 경우 폐쇄형 해법을 찾을 수 있지만, 실제 구조물의 경우 수치 시뮬레이션이 불가피합니다. 위의 간략한 검토를 통해 지난 수십 년 동안 수중 구형 쉘의 유체-구조 상호작용에 관한 많은 연구가 예비 결과를 제공했음을 알 수 있습니다. 그러나 수상함 선체가 수중 충격파와 상호작용하는 과도 현상에 대한 연구는 제한적으로 이루어졌습니다. Greenhorn(1988)은 폭발 무기를 사용한 수중 공격에 대한 수상함의 취약성을 평가할 수 있는 컴퓨터 코드(SSVUL)를 개발했습니다. Shin과 Santiago(1998)는 USA-NASTRAN-CFA 결합 모델을 기반으로 수중 폭발에 노출된 수상함의 반응에 대한 유체-구조 상호작용 및 캐비테이션의 영향을 조사했습니다. 마지막으로 Hung et al. (1999)는 무한 유체 영역에서 수중 폭발을 겪는 선박과 같은 구조물의 수치 시뮬레이션을 제시했습니다.
본 연구는 수중 폭발에 노출된 수상함의 충격 응답을 조사하기 위해 과도 동적 응답, 기하학적 비선형성, 탄소성 재료 거동 및 유체-구조 상호작용 효과와 같은 요소를 고려한 해석 절차를 개발하는 것을 목표로 합니다. 구조물 모델링에는 Hibbit와 Karlsson(1979)의 방법론에 기반한 비선형 유한 요소법을 사용하고, 유체 영역 모델링에는 이중 점근 근사(DAA)에 기반한 경계 요소법을 사용합니다. 폭발물의 입사 압력은 Cole(1948)의 경험식을 이용하여 결정합니다. 또한, 충격 강도 고려를 위해 가장 널리 사용되는 용골 충격 계수(KSF) 값을 채택합니다. 본 연구에서는 충격 강도 KSF=0.8인 2000톤급 순찰선을 대상으로 수치 연구를 수행합니다. 추가적으로, 선박의 표면 압력, 가속도, 속도, 변위 시간 이력 및 소성 영역 진행 양상을 제시합니다. 수중 충격에 대한 선박의 과도 응답에 관한 정보는 수중 충격 손상에 대한 선박 선체의 저항력을 향상시키기 위한 설계에 유용합니다.

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0029801805001654?via%3Dihub


도면1
http://surprise.or.kr/board/view.php?table=surprise_13&uid=128133 13/13댓글
위 도면1은 버블젯 피격시 초계함 함저가 함수~함미까지 전체가 크게, 활처럼 위로 휜(변형) 상태인데, 버블젯 어뢰에 폭침 당했다는 천안함함저 변형이 위 도면과 같은 변형을 보였는지 확인해 보면 천안함 침몰원인이 버블젯 어뢰 때문이었는지 아닌지 확인할 수 있을 것이다.

아래 도면 2 는 군당국이 공식 발표한 자료에 실린 천안함 함저 변형 도면이다.

위 도면 2 출처 / 천안함 침몰사건 조사결과 / 국방부 2010-05-20
http://www.mnd.go.kr/mndMedia/temp/20100520/1_-12365.jsp?topMenuNo=1&leftNum=4 현재는 안 열림

아래 도면 3은 군당국이 발표한 도면처럼 천안함 함저에 변형이 발생한 부위는 가스터빈실 부위 뿐이고, 그외 천안함 전체 선저는 평탄하며 어떤 굴곡이나 변형도 존재하지 않는다.

위 도면 3 출처 / 천안함 침몰사건 조사결과 / 국방부 2010-05-20
http://www.mnd.go.kr/mndMedia/temp/20100520/1_-12365.jsp?topMenuNo=1&leftNum=4 현재는 안 열림

아래 도면 4는 가스터빈실 변형 도면을 천안함 전체 측면도에 끼워 넣은 것


아래 도면 5는 가스터빈실 변형 도면을 천안함 전체 측면도에 끼워 넣은 후 선저 전체 변형 형태를 붉은 선으로 표시한 것


아래 사진 1은 가스터빈실 부위를 제외한 천안함 전체 선저는 평탄하며 어떤 굴곡이나 변형도 존재하지 않는 것을 보여준다

좌측 사진 : https://www.bbc.com/korean/news-46616216 2018년 12월 19일
우측 사진 : http://blog.daum.net/_blog/ArticleCateList.do?blogid=0rqJP&CATEGORYID=4&dispkind=B2201
원본게시일 2015.06.22 14:45

아래 사진 2에서도 가스터빈실 부위를 제외한 천안함 전체 선저는 평탄하며 어떤 굴곡이나 변형도 존재하지 않는 것을 보여준다
(함저는 잘 안보이지만 흐트러짐 없이 수평으로 반듯한 흘수선에 주목)

http://www.cyworld.com/cks5648/4226157 원본게시일 2013. 10. 26.

아래 합조단 보고서 사진에서도 터빈실을 제외한 선저는 평탄하며 어떤 굴곡이나 변형도 존재하지 않음을 확인시켜 준다.

천안함 피격사건 합동조사결과」 보고서 1권 59쪽


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위 도면 2 가운데 부분에 삽입된 작은 도면 출처

함정의 수중폭발에 의한 침몰사례 / 이웅섭(해군 전력분석시험평가단) /
대한조선학회지 | 제47권 제4호 / BSNAK, Vol. 47, No. 4, December 2010

아래 사진2는 천안함 시뮬레이션에서도 천안함은 가스터빈실 부위만 휘어지고 다른 부위는 변형이 없음을 보여준다. 버블젯 폭침을 입증하기 위해 만든 시뮬이 오히려 버블젯에 의한 선체(전체)의 변형은 발생하지 않았다는 사실을 입증해 준다.


출처 / https://www.youtube.com/watch?v=iCpPUqVt3ls 35초 갈무리. 원본게시일 2010. 9. 13.
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위 천안함 선체 하부 굴곡이 기뢰나 좌초로 생긴 것인지는 시간 관계상 다루지 않는다.
궁금하신 분은 천안함 하부 사진이나 도면을 AI에 올리고 질문하면 이 굴곡의 원인메 대해 자세히 설명해 줄 것이다. 기뢰나 좌초와 연관되었는지 아닌지는 AI로도 알 수 있는데 굳이 사람이 시간을 쓸 일이 있겠는가?
그러나 천안함 침몰 원인이 수중 물체에 의한 충돌 때문인지 아닌지는 AI를 통해 검증할 예정이다.