Abaqus에서의 파이프 토양 상호작용

워크숍 1: Abaqus를 이용한 파이프 파일의 장기 하중 용량 시뮬레이션

이 튜토리얼에서는 Abaqus를 사용하여 파이프 파일의 장기 하중 용량을 시뮬레이션하고 계산하는 방법을 살펴봅니다. 이 예제의 파일은 원통형이며 축방향 하중만 받으므로 파일과 주변 지반 모두에 축대칭 유한 요소 메시를 사용할 수 있습니다. 이러한 축대칭 단순화는 수평 하중을 받는 파일에는 적용할 수 없으며, 이러한 파일은 3차원 구조로 모델링해야 합니다. 또한 지반-파일 시스템의 유한 요소 메시는 파일 표면과 지반 사이의 마찰 상호작용을 시뮬레이션하기 위해 인터페이스 요소를 통합하는 것이 중요합니다. 파일 항타 중 파일-지반 상호작용을 시뮬레이션하는 것은 어렵지만, 본 연구에서는 시도하지 않습니다. 대신, 파일은 하중을 가하기 전에 지반과 완벽하게 접촉하고 있다고 가정하며, 파일 항타로 인한 과도한 간극수압은 하중을 가하기 전에 소멸되었다고 가정합니다.

점토층은 4절점 축대칭 사각형 요소를 사용하여 모델링되었으며, 이중선형 변위와 이중선형 간극수압을 고려합니다. 말뚝 자체는 4절점 이중선형 축대칭 사각형 축소적분 요소를 사용하며, 간극수압은 고려하지 않습니다. 점토층의 바닥면은 수평 및 수직 방향 모두 고정되어 있으며, 왼쪽 수직 경계는 대칭선으로 처리됩니다. 오른쪽 수직 경계는 수평 방향으로는 고정되어 있지만 수직 방향으로는 자유롭습니다. 이 영역의 응력 집중으로 인해 말뚝 주변에서는 격자가 더 조밀하지만, 격자 수렴 연구는 수행되지 않았습니다. 점토층의 치수는 말뚝 거동에 대한 경계 효과를 최소화하도록 선택되었습니다.

이 예시에서는 재하 속도가 매우 느리고, 해석 과정 전체에서 간극수압은 0으로 가정하여 완전히 배수된 상태를 가정합니다. 말뚝 관입 중 응력과 변형률을 측정하여 하중-변위 선도를 얻습니다.

워크숍 2: 토양에 매설된 견고한 강철 파이프 근처 Abaqus에서 CEL 폭발 시뮬레이션

이 튜토리얼은 Abaqus를 사용하여 매설된 고체 강관 근처에서 발생하는 CEL 폭발을 시뮬레이션하는 데 중점을 둡니다. 오일러 영역은 3차원 부분으로 모델링되고, 공기, 토양, TNT는 3차원 고체 부분으로 표현됩니다. 강관 또한 3차원 고체 구조로 모델링됩니다.

물, 가스, 석유 수송에 흔히 사용되는 매설 파이프라인은 생명선과 같은 중요한 구성 요소입니다. 특히 가압 가스 파이프라인은 가공 공장, 폭발물 공장, 노천 광산, 채석장, 심지어 최근 몇 년 동안 증가한 테러와 같은 고의적인 공격과 같은 산업에서 우발적인 폭발에 취약합니다. 이러한 위협은 매설 구조물에 대한 폭발 하중의 영향을 분석하고 파괴적인 동적 하중을 견딜 수 있도록 설계하는 것의 중요성을 강조합니다.

이 시뮬레이션에서는 극한 하중 하에서 강관의 거동을 탄성-소성 재료 특성을 이용하여 모델링합니다. 존슨-쿡 소성 모델과 존슨-쿡 손상 기준을 사용하여 폭발 중 강관의 파손을 시뮬레이션합니다. 공기는 동점성을 갖는 이상 기체 상태 방정식을 사용하여 모델링하고, 토양 거동은 탄성 특성과 모르-쿨롱 소성으로 정의합니다. TNT 폭발의 경우, 존스-윌켄스-리(JWL) 상태 방정식을 사용하여 화학 에너지 방출로 인한 압력을 시뮬레이션합니다. 이 상태 방정식은 재료의 충격이 아닌 폭발파의 속도와 폭발 지점으로부터의 거리에 따라 폭발이 시작되는 프로그램 연소 방식으로 구현됩니다.

이러한 유형의 해석에는 동적 명시적 단계가 적합하며, 접촉 특성을 갖는 일반 접촉 기능이 적용됩니다. 오일러 도메인의 외부 표면에는 비반사 경계가 할당되고, 파이프의 양쪽 끝에는 고정 경계 조건이 적용됩니다. 오일러 도메인 내의 재료 위치를 정의하기 위해 부피 분율법이 사용되며, 더 정확한 결과를 얻으려면 더 미세한 메시를 사용하는 것이 좋습니다.

워크숍 3: 토양에 매설된 강관 내부 CEL 폭발 시뮬레이션

이 튜토리얼에서는 Abaqus를 사용하여 토양에 매립된 강관 내부의 CEL 폭발을 시뮬레이션하는 방법을 살펴봅니다. 강관은 3차원 쉘 요소로 모델링되고, TNT, 토양, 공기는 3차원 솔리드 요소로 표현됩니다. 또한, 오일러 영역도 3차원 오일러 요소로 모델링됩니다.

강관은 탄성-소성 재료 특성을 사용하여 정의되며, 폭발 후 잠재적인 파괴 영역을 예측하기 위해 연성 및 전단 손상 기준이 포함됩니다. TNT 거동은 폭발로 인한 화학 에너지를 기계적 압력으로 변환하는 Jones-Wilkens-Lee(JWL) 상태 방정식을 사용하여 모델링됩니다. 공기는 점성을 갖는 이상 기체 방정식으로 표현되며, 토양은 거동을 포착하기 위해 Mohr-Coulomb 소성 방정식을 사용하여 모델링됩니다.

이 해석을 위해 동적 명시적 단계가 선택되었습니다. 적절한 접촉 특성을 갖는 일반적인 접촉 상호작용이 적용됩니다. 파이프 양 끝에는 고정 경계 조건이 부여되고, 오일러 경계는 오일러 영역에 적용됩니다. TNT, 토양, 공기의 부피 분포를 계산하기 위해 부피 분율법이 사용됩니다. 정확하고 신뢰할 수 있는 시뮬레이션 결과를 얻으려면 미세한 메시가 필수적입니다.

시뮬레이션 후 손상, 응력, 변형률, 그리고 잠재적 파손 영역과 같은 결과가 분석됩니다. TNT 폭발은 파이프에 심각한 손상을 일으키는 압력파를 생성하여 파이프를 관통하고 주변 토양과 공기에 영향을 미칩니다.

워크숍 4: 오일러-라그랑지안 방법을 사용하여 매설된 강철 파이프라인의 지하 폭발 시뮬레이션

매설된 파이프라인은 물, 가스, 석유와 같은 필수 자원을 분배하는 데 매우 중요합니다. 그러나 가압된 지하 가스 파이프라인은 폭발물 공장, 채석장, 공공사업, 노천 광산과 같은 산업에서 발생하는 우발적인 폭발뿐 아니라 파이프라인 근처에서 발생하는 고의적인 폭발로 인해 심각한 위험에 직면해 있습니다. 최근 석유 및 가스 수송 파이프라인을 표적으로 삼는 테러 공격과 사보타주가 증가하여 파이프라인 경로를 따라 여러 차례 폭발이 발생했습니다.

이 튜토리얼에서는 Abaqus CEL에서 폭발을 시뮬레이션하기 위해 오일러-라그랑지안 결합 접근법을 사용하는 3차원 유한 요소 모델을 제시합니다. 단순화된 존슨-쿡(Johnson-Cook) 재료 모델을 사용하여 파이프의 재료 거동을 표현하고, 존스-윌켄스-리(JWL) 상태 방정식을 사용하여 폭약의 폭발을 모델링하며, 이상 기체 상태 방정식을 사용하여 공기의 거동을 모델링합니다. 토양 질량은 쿨롱-모어 소성법을 사용하여 폭발 하중 하에서의 기계적 반응을 포착하여 시뮬레이션합니다.