[논문자료] 간이물리모델을 이용한 원통형 압력용기의 내파해석

출처: 픽사베이

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심해저에서 높은 정수압을 받는 압력용기가 구조적 안정성을 잃고 붕괴될 때, 충격파(shock wave)형태로 에너지를 외부로 방출하게 된다. 이러한 충격파의 영향이 중요한 이유는 잠수체가 구조적으로 안전하게 설계 되었다고 하더라도 잠수체 외부에 부착된 부가 압력용기가 붕괴되면서 충격파가 발생되면 그 충격파로 인하여 고압 환경하에서 강성이 약화된 잠수체 본체의 급속 붕괴를 촉발 시킬 가능성이 있기 때문이다.

 

이러한 현상을 포괄적으로 내파(implosion)라 한다. 특히 최근에는 잠수함의 외부에 센서시스템, UUV 등 특수 장비들의 장착이 늘어나는 추세에 있고 이 외장 장비들 역시 높은 수압 또는 UNDEX로 인한 충격 압력파에 노출되는 내압용기들이므로 급속붕괴 가능성은 상존하고 있다(Fig. 1).

 

대표적인 사례로는 2001년 Super-Kamiokande 실험에서 분광계 검출관 1개의 파열에서 기인하여 5,000개 이상의 검출관이 연쇄적으로 파열된 사고와 함께, 미국 WHOI 연구소 의 Deep-sea Vehicle인 AUV Nereus가 New Zealand 연안 6 마일 수심에서 부력재로 사용된 세라믹 구들의 연쇄적 파괴로 인하여 침몰된 사고를 들 수 있다(Gupta et al., 2016).

논문 출처: https://scienceon.kisti.re.kr/srch/selectPORSrchArticle.do?cn=JAKO202008072029596

 

본 연구는 심해에서 외압을 받는 원통형 실린더 구조물이 급격한 내파 과정에서 방출하는 충격파 크기를 추정하기 위해서 에너지 보존법칙을 이용한 간이 해석법을 개발하였다. 그 과정에서 얻어진 결과는 다음과 같이 정리될 수 있다.

 

1) 내파 현상을 간편하게 정식화하기 위하여 붕괴시 변형 과정을 1 자유도의 SHM 모델을 이용한 간이 물리 모델을 활용하였다. Gish(2013)가 개발한 기존의 간단한 lobe 2 붕괴모드에 대한의 SHM 모델을 발전시켜 lobe>3 이상의 고차 붕괴모드에 적용할 수 있는 새로운 간이 물리 모델을 개발하였다.

 

2) 각종 에너지 성분들을이 간이 물리 모델로서 이상화하여 유도하였으며, 내파 시 충격파 에너지 성분들을 구하여 실험 및 정밀해석 결과와 비교하였다. 아직 상호간에 상당한 차이를 보여주고 있으나 추후 연구 경험 및 결과 축적에 따라 이 간격은 좁혀질 수 있을 것으로 판단된다.

 

3) 현재의 연구는 충격파로 전환될 수 있는 동적에너지를 추정하는 단계까지 수행되었으나, 향후 실제 잠수체 내압선체의 초기 구조설계 단계에 적용하기 위해서는 이 충격파 에너지에 의해 발생되는 실제 충격파의 파형, 피크치와 지속시간 등 시간 이력에 대한 연구가 추가적으로 이루어져야 할 것으로 판단된다.

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CV시리즈

고온·고압 전문 기업 ㈜일신오토클레이브에서 취급하고 있는 반응용&특수 압력용기 시리즈 중 하나인 캡 결합 압력용기 CV 시리즈는 내화학성이 있는 스테인리스로 제작되며 반응에 의한 부식을 방지하기 위해 내부 용기를 삽입해 사용하는 압력용기 중 하나로 강한 내구성을 지니고 있습니다. 내부 용기 재질로는 Teflon liner, PEEK liner 등 화학반응에 강한 소재로 선택하여 사용이 가능하며 분리가 용이해 세척 및 유지 보수가 편리합니다.

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