Abaqus CAE를 사용한 원통형 탱크의 슬로싱 시뮬레이션

액체 출렁임 용기 자체가 움직이거나 흔들릴 때 용기 내부의 액체가 앞뒤로 움직이는 현상입니다. 이 경우 원통형 탱크의 경우 "지진 가속도에 의한 탱크 내부의 액체 자유 표면의 움직임"이며, "높이는 탱크 지붕의 손상 위험에 직접적인 영향을 미치므로 액체 저장 탱크를 설계하는 데 중요한 요소입니다."“

이 프로젝트는 Abaqus CAE를 활용하여 원통형 지반 지지 액체 저장 탱크의 액체 슬로싱 현상을 분석하는 데 중점을 두고 있습니다. 이 슬로싱 시뮬레이션의 주요 목표는 "벽에 인접한 물의 최대 슬로싱 높이를 평가"하고 "지진 발생 시 시스템의 전반적인 변형 형상을 파악"하는 것입니다. 이 시뮬레이션은 특히 엘센트로 지진의 수평 가속도를 받는 물로 채워진 콘크리트 탱크를 모델링합니다.

원통형 물 저장 탱크의 슬로싱 시뮬레이션: Abaqus 모델링 프레임워크

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액체 저장 탱크는 급수 시스템 및 산업 환경에서 다양한 용도로 사용됩니다. 그러나 이러한 탱크의 지진 손상은 심각한 과제를 안고 있습니다. 지진 발생 시 탱크에서 관찰되는 잘 알려진 손상 중 하나는 액체 슬로싱으로 인한 지붕 균열입니다. 슬로싱은 지진 발생 시 액체 표면이 움직이는 현상입니다. 본 프로젝트에서는 지반 지지 원통형 탱크의 슬로싱 시뮬레이션을 위해 ABAQUS를 사용했습니다. 탱크는 엘센트로 지진의 가속도를 경험합니다. ABAQUS 슬로싱 시뮬레이션은 레일리 감쇠 계수와 고유 진동수를 계산하고, ALE 메싱 기법을 사용하며, ABAQUS의 모래시계 제어 기능을 통합하는 과정을 포함합니다. 탱크 슬로싱 시뮬레이션을 위해 두 가지 방법을 제안했습니다. 하나는 물에 낮은 점성을 부여하는 것이고, 다른 하나는 비점성 유체를 가정하여 레일리 감쇠 계수를 적용하는 것입니다. 검증을 위해 물 탱크를 모델링하고 다음 논문에서 얻은 결과와 비교했습니다. “원통형 지상 지지 탱크의 동적 거동에 대한 매개변수 연구” *추가: 슬로싱 시뮬레이션을 위한 매개변수 Python 스크립트* 갤러리에 소개된 상세 PDF 가이드와 함께 제공되는 매개변수 Python 스크립트를 통해 더욱 풍성한 경험을 선사하세요. 스크립트 시작 부분에서 치수, 요소 크기, 지진 기록 위치, 재료 특성 등의 매개변수를 쉽게 정의할 수 있습니다. 구성이 완료되면 파일을 저장하고 Abaqus에서 스크립트를 실행하기만 하면 됩니다. 모델이 자동으로 생성되어 시간과 노력을 절약하고 즉시 해석이 시작됩니다. 따라서 결과 검토에만 집중할 수 있습니다.

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What is Sloshing and Why is it a Critical Factor in Tank Design?

슬로싱은 탱크 내부 액체의 자유 표면이 움직이는 현상을 말하며, 지진 가속도와 같은 외부 힘에 의해 발생하는 경우가 많습니다.

탱크 설계에서 슬로싱은 중요한 요소입니다. 액체 슬로싱 높이는 지붕 손상 위험에 직접적인 영향을 미칩니다.

정확한 슬로싱 시뮬레이션 엔지니어가 동적 액체 거동을 견딜 수 있는 탱크를 설계할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 구조적 파손을 방지하고 유출 위험을 줄일 수 있습니다.

그림 1: 수영장의 출렁임

Software Used for Tank Sloshing Simulation

주요 도구 탱크 슬로싱 시뮬레이션 이 프로젝트에는 Abaqus CAE가 적용되었습니다. 다음과 같은 몇 가지 주요 기능이 적용되었습니다.

• Us-Up 모델: Abaqus 내부 물의 행동을 연구하는 데 사용됩니다.
• 임의의 라그랑지-오일러(ALE) 적응형 메싱: 물이 큰 변형을 겪을 때 메시 왜곡을 방지합니다.
• 모래시계 제어: 비점성 유체 시뮬레이션에서 흔히 나타나는 원치 않는 모래시계 모드를 줄입니다.
• 대량 스케일링: 슬로싱 패턴에 미치는 영향을 최소화하면서 시뮬레이션 속도를 높입니다.

• 상호작용 및 경계 조건 정의: 중력과 지진 가속도와 같은 외부 하중을 적용하면서 탱크 벽과 바닥과 물이 접촉하는 모습을 모델링합니다.

예제 시뮬레이션에서는 수평 가속도를 사용합니다. 엘센트로 지진. 이 지진 기록은 원통형의 지반 지지 저장 탱크의 슬로싱을 분석하기 위한 현실적인 동적 입력을 제공합니다.

그림 2: 탱크 슬로싱 모델

Material Properties in the Tank Sloshing Simulation

탱크 슬로싱 시뮬레이션을 수행할 때는 두 부분을 모델링해야 합니다. 하나는 탱크 자체이고 다른 하나는 물입니다. 각 부분의 재질 속성은 다음과 같습니다.

콘크리트 탱크 속성

콘크리트 탱크는 강체 벽으로 모델링되었습니다. 그 속성은 다음과 같습니다.

• 탄성계수(E): 248.6 GPa
• 푸아송 비(ν): 0.16
• 밀도(ρ): 2400 kg/m³

레이리 감쇠 계수도 다음과 같이 정의됩니다.

• 질량 계수(α): 0.0089
• 강성계수(β): 0.00052

이는 충격 및 대류 모드를 기반으로 하는 ACI 표준을 따릅니다.

물의 특성

물의 경우 Us-Up Hugoniot 상태 방정식을 사용합니다. 이 방정식의 속성은 다음과 같습니다.

• 음속(c0): 1484m/s
• 밀도(ρ): 1000 kg/m³
• 동적 점도: 0.00065 Pa.s(이전 Abaqus 버전)

최신 Abaqus 버전(2020/2022)에서는 레일리 감쇠를 직접 적용할 수 있습니다. 이를 통해 물은 비점성 유체처럼 거동하며, 이는 참조 모델과 일치합니다.

Housner’s Model in Tank Sloshing Simulation

ACI 표준의 일부인 Housner 모델은 두 가지 반응을 사용하여 탱크 역학을 설명합니다.

• 충동적 반응: 탱크와 바닥수역의 결합된 행동.
• 대류 반응: 위쪽 액체 표면의 움직임.

이 모델은 두 응답 모두의 고유 진동수를 계산하는 데 필수적입니다. 권장 감쇠비는 다음과 같습니다.

• 임펄스 모드용 5%
• 대류 모드의 경우 0.5%

이러한 주파수와 감쇠비는 Abaqus 시뮬레이션에서 레이리 감쇠 계수(α 및 β)를 결정하는 데 도움이 됩니다.

이 모델에 대한 자세한 내용은 다음에서 알아볼 수 있습니다. 전체 튜토리얼, 9페이지부터 PDF 가이드가 있습니다.

Key Steps in the Sloshing Simulation Project

실행 절차 슬로싱 시뮬레이션 Abaqus에는 다음이 포함됩니다.

1. 환경 설정: SI와 같은 일관된 단위 체계를 선택하세요.
2. 부품 만들기: 탱크 바닥(단단한 껍질), 벽(변형 가능한 3D 솔리드), 물(변형 가능한 3D 솔리드)을 모델링합니다.
3. 재료 및 섹션 정의: 감쇠 계수를 포함하여 콘크리트와 물에 대한 속성을 지정합니다.
4. 모델을 조립하다: 생성된 모든 부품을 올바른 위치에 놓습니다.
5. 단계와 출력을 정의합니다: 동적인 명시적 단계를 사용하고, 시뮬레이션 시간을 설정하고, ALE 적응형 메싱을 구성합니다.
6. 상호작용 정의: 물, 벽, 바닥 사이의 접촉을 설정합니다.
7. 하중 및 경계 조건 적용: 변위 제약 조건, 중력, 정수압, 지진 가속도를 설정합니다.
8. 요소 및 메시 생성: 각 부분에 적합한 요소 크기와 유형을 적용합니다.

9. 작업 제출: 효율성을 위해 병렬 처리를 통해 시뮬레이션을 실행합니다.

Validation of the Sloshing Simulation

정확도 탱크 슬로싱 시뮬레이션 결과를 참조 솔루션과 비교하여 검증합니다. 이 솔루션은 ANSYS APDL에서 제공하며, 논문을 기반으로 합니다. “원통형 지상 지지 탱크의 동적 거동에 대한 매개변수 연구.”

Abaqus 결과는 솔버 변형, 메시 설정, 감쇠 또는 점도 처리로 인한 사소한 차이를 제외하고 ANSYS APDL 데이터와 거의 일치하는 것을 목표로 합니다.

그림 3: 슬로싱 시뮬레이션 결과

그림 4: 슬로싱 시뮬레이션 검증

검증에 대한 모든 세부 사항은 당사에서 확인할 수 있습니다. 전체 튜토리얼, 54페이지부터 PDF 가이드가 있습니다.

Future Improvements and Optimization in Sloshing Simulation

다음과 같은 여러 측면에서 프로젝트를 더욱 개선할 수 있습니다.

• 다양한 탱크 구성: 새로운 치수와 수위의 탱크에 이 공정을 적용합니다.
• 최신 Abaqus 버전 사용: 직접 레이리 감쇠 적용과 향상된 모래시계 스케일링을 위해 2020 또는 2022 버전을 활용하세요.

• 메시 민감도 연구: 메시 크기가 정확도와 효율성에 어떤 영향을 미치는지 분석합니다.

원통형 물 저장 탱크의 슬로싱 시뮬레이션: Abaqus 모델링 프레임워크

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액체 저장 탱크는 급수 시스템 및 산업 환경에서 다양한 용도로 사용됩니다. 그러나 이러한 탱크의 지진 손상은 심각한 과제를 안고 있습니다. 지진 발생 시 탱크에서 관찰되는 잘 알려진 손상 중 하나는 액체 슬로싱으로 인한 지붕 균열입니다. 슬로싱은 지진 발생 시 액체 표면이 움직이는 현상입니다. 본 프로젝트에서는 지반 지지 원통형 탱크의 슬로싱 시뮬레이션을 위해 ABAQUS를 사용했습니다. 탱크는 엘센트로 지진의 가속도를 경험합니다. ABAQUS 슬로싱 시뮬레이션은 레일리 감쇠 계수와 고유 진동수를 계산하고, ALE 메싱 기법을 사용하며, ABAQUS의 모래시계 제어 기능을 통합하는 과정을 포함합니다. 탱크 슬로싱 시뮬레이션을 위해 두 가지 방법을 제안했습니다. 하나는 물에 낮은 점성을 부여하는 것이고, 다른 하나는 비점성 유체를 가정하여 레일리 감쇠 계수를 적용하는 것입니다. 검증을 위해 물 탱크를 모델링하고 다음 논문에서 얻은 결과와 비교했습니다. “원통형 지상 지지 탱크의 동적 거동에 대한 매개변수 연구” *추가: 슬로싱 시뮬레이션을 위한 매개변수 Python 스크립트* 갤러리에 소개된 상세 PDF 가이드와 함께 제공되는 매개변수 Python 스크립트를 통해 더욱 풍성한 경험을 선사하세요. 스크립트 시작 부분에서 치수, 요소 크기, 지진 기록 위치, 재료 특성 등의 매개변수를 쉽게 정의할 수 있습니다. 구성이 완료되면 파일을 저장하고 Abaqus에서 스크립트를 실행하기만 하면 됩니다. 모델이 자동으로 생성되어 시간과 노력을 절약하고 즉시 해석이 시작됩니다. 따라서 결과 검토에만 집중할 수 있습니다.

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결론

이 기사는 다음에 초점을 맞췄습니다. 슬로싱 시뮬레이션 원통형 액체 저장 탱크에서 Abaqus CAE를 활용한 모델링, 해석 및 검증에 중점을 둡니다. 슬로싱은 특히 지진과 같은 동적 하중 하에서 구조적 안전에 영향을 미치기 때문에 중요하며, 적절하게 처리하지 않으면 지붕 손상이나 유출로 이어질 수 있습니다.

연구는 슬로싱을 정의하고 그 역할을 설명하면서 시작되었습니다. 탱크 슬로싱 시뮬레이션. 그런 다음 사용된 소프트웨어 도구를 설명하고 ALE 적응형 메싱, Us-Up 모델, 모래시계 제어와 같은 Abaqus 기능을 강조했습니다. El-Centro 레코드를 통해 지진 가진을 도입하여 현실적인 동적 입력을 제공했습니다. 콘크리트 탱크와 물의 재료 특성은 ACI 표준과 Housner 모델을 기반으로 한 감쇠 계수를 사용하여 정의되었습니다.

방법론은 설정, 메시 생성, 경계 조건 및 작업 제출을 포함하여 단계별로 설명되었습니다. ANSYS APDL 참조 결과와 비교하여 신뢰성을 확보하는 검증을 수행했습니다. 마지막으로 메시 민감도 연구, 새로운 Abaqus 버전, 그리고 대체 탱크 구성 등 개선이 필요한 부분을 제시했습니다.

이 개요에서 기사는 정확한 것을 보여줍니다. 슬로싱 시뮬레이션 이러한 기술은 지진 영향 하에서 액체의 움직임을 예측하는 정확도를 향상시킵니다. 구조화된 접근 방식은 탱크가 동적 액체 거동을 견딜 수 있도록 설계되어 더욱 안전하고 신뢰할 수 있는 저장 시스템을 지원합니다.

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ALE 적응형 메싱은 메시 왜곡을 방지하기 위해 수역에 적용됩니다. 물은 슬로싱 중에 큰 변형을 겪으며, 적응형 메싱이 없으면 메시 종횡비가 저하되어 시뮬레이션 오류 또는 종료로 이어질 수 있습니다.

레일리 감쇠 계수(α 및 β)는 충격(ζi) 및 대류(ζj) 감쇠비, 그리고 충격(ωi) 및 대류(ωc) 각주파수를 포함하는 행렬 방정식을 사용하여 계산됩니다. ACI 표준에 따라 권장되는 감쇠비는 충격부의 경우 5%, 대류부의 경우 0.5%입니다.

Abaqus에서는 물의 거동을 분석하기 위해 Us-Up Hugoniot 상태 방정식을 사용합니다. 이전 버전의 Abaqus에서는 Rayleigh 감쇠를 Us-Up 모델에 직접 적용할 수 없었기 때문에 동적 점성 계수가 도입되었습니다. 점성 계수는 메시 왜곡을 방지하고 실제 해를 구하는 데 도움이 되었습니다.