• 한국해안·해양공학회논문집
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• 제33권5호
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• pp.203-216
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• 2021

진자형 파력발전장치(Oscillating Wave Surge Converter, OWSC)는 다양한 유형의 파랑 조건에서 효율적으로 작동해야하며 최적의 파랑에너지를 추출하도록 설계되어야 하기 때문에 OWSC의 거동과 관련된 복잡한 파랑-구조물 상호작용이 광범위한 조건에서 검토되어야 한다. OWSC의 개념 설계 및 개발단계에서 수치해석은 OWSC의 설계도구로써 좋은 대안이 될 수 있다. 본 연구에서는 기초적인 OWSC의 거동특성에 대한 검토를 목적으로 오픈소스 CFD를 이용하여 내습하는 파랑에 대한 역삼각형 플랩의 거동특성에 대한 수치해석을 수행하였다. 규칙파 내습시 주기의 변화에 따른 역삼각형 플랩 인근의 자유수면변위 및 회전각도(Flap Rotation angle)를 산정하여 구조물의 거동 특성에 대해 고찰하고, 그 결과를 수리실험과 비교·검토하여 해석성능의 타당성 및 OWSC의 관련 문제를 수치적으로 해석하기 위한 수치모델로서의 적용성능을 검증하였다. 수치해석결과는 파랑과 역삼각형 플랩의 상호작용에 의한 유체역학적 거동 특성을 양호하게 재현함을 확인하였다.

• 한국방재안전학회논문집
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• 제14권4호
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• pp.47-60
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• 2021

최근 기후변동성으로 인하여 집중호우의 발생빈도 및 강우강도 증가로 노후화된 여수로 바닥슬래브 표면에서의 손상이 발생하여 잦은 보수·보강이 필요한 실정이다. 이를 위해 현장조사, 수리모형 실험 및 수치모형 실험을 통하여 여수로 방류에 따른 손상발생 원인 검토에 관한 연구가 많이 진행되어 왔다. 그러나 대부분의 연구는 일반적으로 여수로의 흐름특성 및 압력분포에 대한 검토를 수행하였을 뿐 손상의 근본적인 발생원인 규명에 관한 연구는 미비한 실정이다. 이에 본 연구에서는 여수로 바닥슬래브 손상발생 원인을 도출하기 위해 공동침식 및 수력잭킹(hydraulic jacking)으로 인한 콘크리트 탈락관점에서 3차원 수치모형인 FLOW-3D와 COMSOL Multiphysics를 사용하여 검토하였다. 또한 공동지수를 산정하고 압력분포로 인하여 구조물이 받는 응력과 콘크리트의 인장·굽힘강도를 비교하여 공동침식 및 수력잭킹으로 인한 콘크리트 탈락 발생 가능성을 확인하였다. 수문 완전개도 조건에서 여수로 방류에 따른 공동침식 및 수력잭킹에 대하여 수치모의를 수행한 결과, 여수로 하류부에서 공동지수가 0.3 미만으로 공동침식 발생 가능성을 확인하였고, 공동부 및 균열부에서 압력분포에 따라 콘크리트가 받는 응력은 4.6~5.0 MPa로 콘크리트 인장강도와 굽힘강도와 비교를 통하여 지속적인 압력변동으로 인한 콘크리트의 피로파괴 또는 휨파괴 가능성을 확인하였다. 따라서 여수로 고유속 흐름에 의한 공동 현상 및 수력잭킹이 여수로 바닥슬래브 손상발생의 다양한 원인 중 하나로 판단하였다. 그러나 본 연구는 다양한 형상 조건 및 방류 시나리오를 적용하고 유체-구조물 상호작용(Fluid-Structure Interaction, FSI)모의를 수행하지 못하였다는 한계점이 있다. 이에 향후에는 한계점을 보완하여 검토한다면 보다 효율적이고 효과적인 여수로 유지관리 방안 도출이 가능할 것으로 기대한다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제18권3호
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• pp.724-729
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• 2017

회전익항공기용 연료탱크의 중요한 성능 중의 하나인 내충격성능은 충돌충격시험을 통해 검증된다. 충돌충격시험은 작용하는 하중이 매우 높기 때문에 실패 위험이 큰 시험인데, 만약, 연료탱크가 내충격 요구조건을 불만족하게 되면 항공기 전체 개발 일정에 심각한 차질을 줄 수 있다. 따라서, 초기 설계단계부터 연료탱크 충돌충격시험에 대한 수치해석을 수행하여 실물시험에서의 실패 가능성을 최소화 하려는 노력이 수행되어 왔다. 최근, 국내개발 회전익항공기의 항속거리를 증가시키기 위한 목적으로 외부 보조연료탱크 개발이 진행되고 있다. 본 연구에서는 해당 외부 보조연료탱크의 내충격 성능의 검토를 위해 현재까지 진행되어 온 충돌충격시험에 대한 수치해석 결과를 제시하였다. 수치해석 방법으로는 유체-구조 연성해석 방법인 입자법을 적용하였고, 미군사규격에서 규정하고 있는 시험조건을 해석조건으로 반영하였다. 또한, 실물 연료탱크 소재의 시편시험을 통해 기 확보된 바 있는 물성데이타를 수치해석에 적용하였다. 그 결과로 연료탱크 외피 및 피팅 부위의 등가응력을 계산하고 내부 장착품의 거동과 작용 하중을 분석함으로써 외부 보조연료탱크의 내충격성 설계를 위한 데이터 확보 가능성을 확인하였다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제27권2호
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• pp.71-78
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• 2014

회전익 항공기 중 군에서 운용하는 기동헬기는 전장상황에서 운용되기 때문에 연료셀 피탄 상황에 직면할 가능성이 높다. 연료셀 피탄에 따른 내부압력 증가로 내부폭발이나 화재가 발생할 수 있으며, 이는 승무원의 생존 가능성에 치명적인 영향을 주게 된다. 따라서, 승무원의 생존성을 극대화하기 위해서는 연료셀이 직면 가능한 극한 상황을 예측하여 설계에 반영해야 한다. 항공기 연료셀 설계시 고려해야 하는 데이타는 피탄에 의한 연료셀 내부압력, 수압램 영향에 의한 연료셀 자체 및 금속피팅부 응력, 탄환의 운동에너지 등이 포함될 수 있다. 이러한 설계 데이터 확보를 위해서는 실물 시험을 수행하는 것이 가장 바람직하지만, 시간과 비용의 부담과 더불어 시험실패와 같은 시행착오 위험성으로 많은 제약이 따른다. 따라서, 사전에 다양한 설계 데이터 예측과 시행착오의 최소화를 위해서는 피탄 상황에 대한 수치해석이 필요하다. 본 연구에서는 입자법을 사용하여 연료셀 피탄 조건에 대한 유체-구조 연성 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 전용 충돌해석 프로그램인 LS-DYNA를 사용하였고, 결과로 얻어진 탄의 거동과 에너지, 연료셀 내부압력과 등가응력의 평가를 통해 연료셀 설계와 관련한 데이터 확보 가능성을 타진하였다.

• 터널과지하공간
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• 제30권6호
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• pp.573-590
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• 2020

본 논문에서는 국제공동연구인 DECOVALEX-2023 프로젝트 Task G의 연구 현황과 현재까지 수행된 benchmark 해석 결과를 소개하였다. Task G의 명칭은 'Safety ImplicAtions of Fluid Flow, Shear, Thermal and Reaction Processes within Crystalline Rock Fracture NETworks(SAFENET)'로, 결정질 암반 내 균열의 생성과 성장 메커니즘 및 균열에서 발생하는 열-수리-역학적 복합거동을 해석하기 위한 수치해석기법을 개발하는 데에 목표가 있다. Task G의 첫 번째 연구 테마는 결정질 암석 내 단일 균열의 역학적 거동에 대한 해석해(analytical solution)를 바탕으로 각 연구팀의 수치모델링기법을 개발 및 검증하는 Benchmark 해석이다. 본 연구에서는 3차원 입자기반 개별요소모델을 이용하여 단일 균열을 포함한 암석의 역학적 거동 특성을 모델링하고자 하였다. 이 모델에서는 상호독립적으로 거동하는 개별입자의 집합체를 통해 암석의 구조적 특징을 모사하고, 입자와 입자간 접촉에서 발생하는 역학적 거동을 개별요소해석모델인 3DEC을 통해 계산하게 된다. 해석 결과, 도메인의 경계응력으로 인해 균열에 유도되는 수직응력과 전단응력 수준은 변위 구속과 응력 재배치로 인해 이론적인 수치보다 낮게 나타났다. 그러나 수치모델에서 계산된 수직변위와 전단변위는 실제 균열의 유도 응력을 통해 추정된 해석해와 비교할 때 상당히 유사한 결과를 보였으며 균열의 응력-변위 관계를 합리적으로 재현할 수 있음을 확인하였다. 본 연구의 해석모델은 Task G에 참여하는 국외 연구팀들과의 의견 교류와 워크숍을 통해 지속적으로 개선하는 한편, 향후 다양한 조건의 실내시험에 적용하여 타당성을 검증할 예정이다.

• 대한기계학회논문집A
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• 제34권1호
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• pp.117-124
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• 2010

현재까지 소형항공기의 조류충돌 문제는 상대적으로 낮은 비행속력과 개인용 목적의 운용 탓에 항공기 개발 및 운용 시의 중요 문제로 다루어지지 않았다. 따라서 일반적으로 FAR 23의 커뮤터급이나 FAR 25급 중, 대형 항공기와 달리 조류충돌에 대한 안전성 입증 규정이 적용되지 않았던 게 사실이다. 그러나 지점 간 운송수단인 에어택시(Air-taxi)로의 활용과 충격에 상대적으로 취약한 복합재료의 구조재료로의 적용이 확대된 VLJ(Very Light Jet)의 급격한 수요 증가에 대한 예측은 FAR 23 일반 및 실용기급 항공기의 조류충돌에 대한 안전성 향상에 대한 필요성을 증대시키는 원인으로 작용할 것이다. 본 연구는 복합재로 제작된 주익의 조류충돌 안전성 및 구조효율성을 평가하기 위해 복합재와 금속재가 적용된 소형항공기의 주익 앞전의 조류 충돌시의 안전성에 대한 외연적 유한요소 해석 결과를 비교하는 과정을 담고 있다.

• 대한토목학회논문집
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• 제37권1호
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• pp.1-7
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• 2017

일반적으로 구조물에 폭발, 충돌, 지진과 바람 등과 같이 짧은 시간에 큰 하중이 작용하게 되면 구조물은 국부적으로 재료의 대변형(large deformation), 대회전(large rotation), 대변형률(large strain)등이 발생하게 된다. 이와 같은 현상을 해석하려면 전산연속체 역학에 기초하여 유체-구조물 상호작용 등을 고려할 수 있는 하이드로코드(Hydrocode)의 도움이 필요하다. 또한, 폭발로 인해 발생되는 순간 동역학적인 폭발 메커니즘은 매우 복잡하기 때문에 폭발실험을 병행하여 거동을 예측하는 것이 합리적인 방법이지만 막대한 비용과 시설이 요구되므로 한계가 있는 것도 사실이다. 따라서 본 논문에서는 하이드로코드인 AUTODYN을 사용하여 폭발해석한 결과를 기수행된 철근콘크리트 슬래브의 폭발실험 결과와 비교하여 폭발해석 방법의 타당성을 검토하였고, 동일한 폭발해석 모형에 대하여 철근 배근간격, 피복두께의 변화 및 수직철근 유무에 따른 폭발 손상도를 비교검토하였다. 검토한 결과, 철근의 배근간격에 대한 철근콘크리트 슬래브 두께의 비가 커질수록, 지름이 큰 철근보다 지름이 작은 철근을 많이 사용할수록, 마지막으로 수직철근을 배근할수록 콘크리트 구조물의 내폭성능이 향상됨을 알 수 있었다.

• 한국산학기술학회논문지
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• 제17권3호
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• pp.622-628
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• 2016

자동차에 부착하여 사용하는 자전거 캐리어 지지용 흡착 패드는 운행 중 임의의 진동과 원심력과 같은 과도한 동적 하중을 받을 수 있어, 구조 안전성의 검토가 중요하다. 이를 위해서는 유체-구조 연계 유한요소해석을 이용하여 패드의 하부 압력이 패드에 가해지는 하중이나 모멘트의 변화에 따라 실시간으로 변화하는 것을 고려하여야 하나, 실제 상황의 모델링이 어렵고 계산을 위한 소프트웨어 비용이 높은 단점이 있기도 하지만, 정확한 결과를 얻기도 어렵다. 따라서 이 논문에서는 실험과 전산적인 방법을 조합하여 활용하는 새로운 방법을 제시한다. 이는 변화하는 하중에 따라 패드 하부의 압력과 접촉 면적을 실시간으로 측정하고 여기서 얻어진 데이터를 비선형 탄성 유한요소해석에 입력하여 활용하는 방법이다. 개발 단계의 제품 형상으로 실험 및 계산을 수행한 결과, 마운트 패드는 축 방향 하중에 대해서는 비교적 안전하나, 회전 하중이 과도하게 작용할 경우 패드가 바닥으로부터 분리되거나 패드 표면에 국부적인 손상이 일어날 수 있어 안전 여유가 많지 않음을 보여주었다. 작용하는 하중의 크기 및 형태에 따라 변화하는 접촉 거동을 예측하는 결과는 실험 결과와 잘 일치하였다. 본 연구에서 제안하는 해석 방법은 유사한 흡착 패드 시스템을 설계할 때 유용하게 활용될 수 있을 것으로 보인다.

• 대한기계학회논문집B
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• 제40권9호
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• pp.597-604
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• 2016

본 연구에서는 GPU를 이용한 비압축성 유동장의 병렬연산을 위하여, P2P1 유한요소를 이용한 분리 알고리즘 내의 행렬 해법인 이중공액구배법(Bi-Conjugate Gradient)의 CUDA 기반 알고리즘을 개발하였다. 개발된 알고리즘을 이용해 비대칭 협착관 유동을 해석하고, 단일 CPU와의 계산시간을 비교하여 GPU 병렬 연산의 성능 향상을 측정하였다. 또한, 비대칭 협착관 유동 문제와 다른 행렬 패턴을 가지는 유체구조 상호작용 문제에 대하여 이중공액구배법 내의 희소 행렬과 벡터의 곱에 대한 GPU의 병렬성능을 확인하였다. 개발된 코드는 희소 행렬의 1개의 행과 벡터의 내적을 병렬 연산하는 커널(Kernel)로 구성되며, 최적화는 병렬 감소 연산(Parallel Reduction), 메모리 코얼레싱(Coalescing) 효과를 이용하여 구현하였다. 또한, 커널 생성 시 워프(Warp)의 크기에 따른 성능 차이를 확인하였다. 표준예제들에 대한 GPU 병렬연산속도는 CPU 대비 약 7배 이상 향상됨을 확인하였다.

• Wind and Structures
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• 제34권1호
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• pp.127-136
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• 2022

In this work a multi-fidelity non-intrusive polynomial chaos (MF-NIPC) has been applied to a structural wind engineering problem in architectural design for the first time. In architectural design it is important to design structures that are safe in a range of wind directions and speeds. For this reason, the computational models used to design buildings and bridges must account for the uncertainties associated with the interaction between the structure and wind. In order to use the numerical simulations for the design, the numerical models must be validated by experi-mental data, and uncertainties contained in the experiments should also be taken into account. Uncertainty Quantifi-cation has been increasingly used for CFD simulations to consider such uncertainties. Typically, CFD simulations are computationally expensive, motivating the increased interest in multi-fidelity methods due to their ability to lev-erage limited data sets of high-fidelity data with evaluations of more computationally inexpensive models. Previous-ly, the multi-fidelity framework has been applied to CFD simulations for the purposes of optimization, rather than for the statistical assessment of candidate design. In this paper MF-NIPC method is applied to flow around a rectan-gular 5:1 cylinder, which has been thoroughly investigated for architectural design. The purpose of UQ is validation of numerical simulation results with experimental data, therefore the radius of curvature of the rectangular cylinder corners and the angle of attack are considered to be random variables, which are known to contain uncertainties when wind tunnel tests are carried out. Computational Fluid Dynamics (CFD) simulations are solved by a solver that employs the Finite Element Method (FEM) for two turbulence modeling approaches of the incompressible Navier-Stokes equations: Unsteady Reynolds Averaged Navier Stokes (URANS) and the Large Eddy simulation (LES). The results of the uncertainty analysis with CFD are compared to experimental data in terms of time-averaged pressure coefficients and bulk parameters. In addition, the accuracy and efficiency of the multi-fidelity framework is demonstrated through a comparison with the results of the high-fidelity model.