항만 부진동 해석을 위한 무한요소

Infinite Element for the Analysis of Harbor Resonances

본 논문에서는 항만 부진동현상을 예측할 수 있는 무한요소를 이용한 유한요소기법에 대해서 연구하였다. 지배방정식으로는 완경사방정식을 사용하였으며, 고체경계면에서의 에너지 손실효과를 고려하기 위하여 부분반사조건을 도입하였다. 외부영역 무한경계조건을 효율적으로 처리하기 위하여 새로운 무한요소를 개발하였다. 개발된 무한요소의 형상함수는 해석적 도유함수의 급수해의 진행파항을 나타내는 제 1종 Hankel 함수의 점근적 형태를 사용하여 결정하였다. 수치해석상의 효율성을 제고하기 위하여 무한요소의 시스템행렬 구성시 나타나는 무한방향으로의 적분을 해석적으로 수행하였다. 기존의 수리실험 및 타 수치모형 결과와의 비교를 통하여 본 연구에서 개발한 무한요소에 기초한 수치모형의 타당성을 입증하였다. 또한 해석의 효율성과 정도에 직접적으로 영향을 주는 무한요소의 위치결정에 대한 수치실험도 수행하였다.

In this paper, a finite element technique is applied to the prediction of the wave resonance phenomena in harbors. The mild-slope equation is used with a partial reflection boundary condition introduced to model the energy dissipating effects on the solid boundary. For an efficient modeling of the radiation condition at infinity, a new infinite element is developed. The shape function of the infinite element is derived from the asymptotic behavior of the first kind of the Hankel's function in the analytical boundary series solutions. For the computational efficiency, the system matrices of the element are constructed by performing the relevant integrations in the infinite direction analytically. Comparisons with the results from experiments and other solution methods show that the present model gives fairly good results. Numerical experiments are also carried out to determine the proper distance to the infinite elements from the mouth of the halter, which directly affect the accuracy and efficiency of the solution.