효율적 함정 수중충격 시뮬레이션을 위한 실험계획법의 적용에 관한 연구

Abstract

일반 상선과는 달리 전투라는 특수임무를 수행하는 함정의 생존성(survivability) 확보 측면에서 예상되는 적의 비접촉 수중폭발(UNDEX

그러나 용골충격계수가 함정의 휘핑응답 즉, 선체거더의 보 거동 응답의 주기진원인 가스구체 압력파의 손상잠재력의 척도로서는 부적절함을 밝히고, 새로운 척도로서 '버불계수(bubble factor)'를 가스구체의 맥동운동에 의한 유체가속도와 폭약중량 및 폭발깊이의 관계식으로부터 도출하였다. 또한, 실험계획법을 이용하여 도출된 버블계수가 용골충격계수에 비해 가스구체 압력파의 손상잠재력의 척도로서 통계학적 관점에서 훨씬 적절함을 확인하였다.

본 연구를 통해 도출된 위의 결과들은 향후 한국해군의 독자적인 함정 내충격 강화 기준 정립에 일조할 수 있으리라 판단된다. 또한, 본 연구에서 제시한 실험계획법을 이용한 Parametric Study 방법론은 함정 수중충격 M&S 분야 뿐 만 아니라 선박, 항공기, 자동차, 철도차량 등의 대형복합기계시스템의 다양한 공학 M&S 분야에 많은 활용이 기대된다.

현재 함정의 내충격 강화기준으로 주어지는 용골충격계수가 수중폭발 충격파의 손상잠재력(damage potential)의 척도로서 적절함을 검증하였다. 즉, 동일한 용골충격계수 값을 갖는 수중폭발 조건 하에서는 용골충격계수를 구성하는 인자들(폭약 종류 및 중량, 폭발 입사각과 함정 길이방향에 따른 폭발위치)의 대상 함정의 충격응답 크기에 미치는 영향이 통계학적 관점에서 유의(significant)하지 않음을 확인하였다.

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Design Of Experiment methodology)을 세계 최초로 함정 수중충격 M&S 분야에 적용하여 다양한 수중폭발 시나리오에 따른 함정 충격응답 특성을 효율적으로 파악할 수 있는 Parametric Study 방법론을 제시하였다. 이를 위해 실험계획법에서 필요로 하는 시뮬레이션 결과자료의 수집과 분석에 효율적인 함정 수중충격 M&S의 절차를 수립하고, 수중폭발 M&S에 가장 널리 사용되고 있는 상용 유한요소 충격응답 해석프로그램인 LS-DYNA/USA와 공학 프로세스의 통합을 위한 상용 프로그램의 하나인 ModelCenter를 연계하여 Parametric Study의 전 과정을 자동적으로 수행할 수 있는 프로세스 통합 방법을 정립하였다.

본 연구에서 제시한 실험계획법을 이용한 Parametric Study 방법론의 유용성을 검증하기 위한 적용연구로서 하나의 용골충격계수(keel shock factor) 값으로 주어지는 함정의 내충격 강화기준의 적절성 여부를 검토하였다. 이를 위해 본 연구를 통해 함정 수중충격 M&S에 적합하도록 정립한 실험계획법의 절차에 따라 한국해군의 실제 함정에 대한 일련의 수중충격 M&S를 수행하고 수집된 시뮬레이션 결과자료를 통계학적으로 분석하였다. 수중충격 M&S에 있어서는 수중폭발에 의한 2가지 충격하중 즉, 충격파와 가스구체 압력파에 대한 함정의 충격응답 특성이 매우 다르기 때문에 개별적으로 취급하였다. 일련의 수치계산 예를 통해 다음과 같은 주요한 결론을 도출하였다:

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modeling & simulation) 도구를 적극 활용하여 실선충격시험과 대등한 유용성을 갖는 함정 수중충격 M&S 기술개발이 국내외적으로 활발하게 진행되고 있다. 그러나 3차원 해석방법을 이용한 실제 함정의 수중충격 M&S에 있어서도 많은 시간과 노력이 요구되기 때문에 다양한 수중폭발 시나리오 또는 대상 함정의 설계변경에 따른 충격응답 특성을 파악하는 데 있어서도 많은 어려움이 있다.

본 논문에서는 통계학적 방법인 실험계획법(D.O.E.

시뮬레이션(M&S

건조 시 고려되어야 할 가장 중요한 사항들 중의 하나이다. 수중폭발 충격하중에 대한 대상 함정의 내충격 안전성을 최종적으로 평가하기 위해서는 원칙적으로 실선충격시험(ship shock test/trials)을 실시하여야 하지만, 막대한 비용, 인력 및 시간이 소요되며, 시험 특성상 재시험이 거의 불가능하고, 환경영향의 최소화를 위한 과도한 과외비용 지출 등의 많은 현실적 어려움이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최신의 IT기술과 고도의 모델링&#8901

UNDerwater EXplosion) 공격에 대한 대상함의 취약성(vulnerability) 평가는 함정 설계&#8901