Abaqus에서의 물 시뮬레이션

Abaqus에서의 물 시뮬레이션

지구 수권과 모든 생명체의 유체를 구성하는 주요 구성 요소는 물(H₂O)입니다. 물은 투명하고 무미, 무취이며 거의 무색(용매로 작용)인 무기 화학물질입니다. 모든 생명체는 이 물에 의존합니다. 이 프로젝트 패키지에서는 물 Abaqus 시뮬레이션에 대해 자세히 설명합니다.

산업계에서는 다른 용도로도 사용됩니다. 에너지 생산, 수압 성형 및 절단과 같은 제조업, 건설 산업, 광업 및 채석장 등에 사용됩니다.

이 패키지에는 Abaqus 수중 시뮬레이션 방법을 배우기 위한 9가지 실제 사례 워크숍이 포함되어 있습니다. 워크숍 내용은 다음과 같습니다. 물로 채워진 X65 강관의 충격 해석, 수심에 있는 금속관의 폭발 시뮬레이션, 수중 폭발에 노출된 콘크리트 중력댐 시뮬레이션의 파괴 모드, 오일러법을 이용한 폭발파에 대한 물 완화 시뮬레이션 효과, CEL법을 이용한 3차원 물체의 물 충격 시뮬레이션, 물에 대한 볼 충돌, 콘크리트 탱크 내 물 슬로싱 시뮬레이션, SPH법을 이용한 하이드로포밍 시뮬레이션, 워터젯 절단 시뮬레이션.

워크숍에 대한 자세한 내용은 아래에서 확인하세요.

워크숍-1: ABAQUS에서 물이 채워진 X65 강관에 대한 충격 시뮬레이션

해상 파이프라인은 트롤 어구나 앵커와 같은 의도치 않은 충격 하중을 자주 받습니다. 파이프의 형상, 파이프라인의 구성, 재질, 충격 속도 등 다양한 요인이 작용합니다. 이 영상에서는 SPH를 사용하여 ABAQUS(Smooth Particle Hydrodynamic)를 이용하여 물이 채워진 X65 강관에 대한 충격을 시뮬레이션합니다. 이러한 해석에는 명확한 절차가 필요합니다. 충격 중 파이프가 휘어지면서 물이 외부로 유출됩니다.

워크숍-2: Abaqus 수심 내 금속관 상공 CEL 폭발에 대한 수치 시뮬레이션

이 수업에서는 Abaqus를 사용하여 심해의 금속관 위에서 발생하는 CEL 폭발의 수치 시뮬레이션을 살펴봅니다. 충격파와 기포 펄스는 수중 폭발의 두 단계입니다. 두 단계 모두 주변 구조물에 상당한 피해를 입히지만, 손상 메커니즘은 서로 다릅니다. 대부분의 경우 충격파의 압력은 매우 높지만 지속 시간은 매우 짧습니다. 반면 기포 펄스에 의해 발생하는 압력은 충격파보다 약 10%~20%로 낮지만, 지속 시간은 훨씬 길어 유사한 운동량을 가진 힘을 생성합니다. 따라서 근거리 수중 폭발을 평가할 때는 충격파와 기포 펄스를 모두 고려해야 합니다.

충격파는 선박에는 경미한 손상만 입히지만, 고유 주기가 밀리초 단위인 구조물에는 상당한 손상을 입힙니다. 그러나 진동수가 우주선의 고유 진동수에 근접하면, 폭발 후 기포 펄스가 선박을 강타하여 전반적인 손상을 입힐 수 있습니다. 최근 몇 년 동안 유체-구조 상호작용(FSI)이 구조물의 폭발 반응에 어떤 영향을 미치는지 규명하는 데 많은 관심이 집중되었습니다. 테일러는 지수 함수 형태의 압력파가 독립형 판에 가할 수 있는 운동량을 연구한 선구자 중 한 명이었습니다. 이러한 종류의 분석은 동적 명시적 방법에 이상적입니다. 기본 속성은 일반 접촉으로 선택되었습니다.

폭발 후 충격파가 물 속으로 퍼져 파이프가 심하게 변형되고 압축되었습니다.

워크숍-3: Abaqus에서 수중 폭발을 겪은 콘크리트 중력댐의 파괴 모드에 대한 수치 시뮬레이션

테러리스트의 폭탄 공격이나 의도치 않은 폭발은 주요 상업, 군사 및 민간 기반 시설을 포함한 기반 시설에 심각한 위협을 가하고 있습니다. 이는 전 세계적으로 긴장이 고조되고 있기 때문입니다. 구조물의 앤티노크 안전성 연구에 대한 사람들의 관심이 높아지고 있습니다. 꾸준히 증가하는 전력, 관개 및 식수 수요를 충족하기 위해 많은 고가댐이 건설되고 있거나 건설될 예정입니다. 고가댐은 주요 정치적, 경제적 이점을 고려할 때 테러리스트의 표적이 될 가능성이 높습니다. 고가댐의 붕괴 가능성은 재정적 재앙, 많은 희생자, 그리고 언론의 상당한 관심을 초래할 수 있기 때문입니다. 9·11 테러 이후 댐에 대한 폭탄 공격 가능성에 대한 대중의 불안감이 고조되었습니다. 따라서 폭발 하중으로부터 댐 구조물을 보호하는 것은 국토 안보의 중요한 부분입니다. 수중 폭발에 노출된 콘크리트 중력댐의 앤티노크 안전성을 평가하기 위해서는 파괴 모드와 앤티노크 성능에 대한 연구가 필수적입니다. 폭발물이 물 속에서 폭발하고 충격파가 전파될 때 일어나는 물리적 과정은 엄청나게 복잡하지만, 댐이 폭발 충격 하중을 받았을 때의 후속 반응은 정적 또는 지진 하중을 받았을 때보다 훨씬 더 어렵습니다.

이 시뮬레이션에서는 댐과 하천을 모델링하기 위해 3차원 구성요소를 사용했습니다. 높은 변형률 속도와 높은 응력 하에서 콘크리트의 최적 거동을 결정하기 위해서는 손상을 고려한 적절한 재료 모델을 적용하는 것이 필수적입니다. 이 모델은 동적 명시적 단계와 UNDEX 방법을 사용하여 구현되었습니다.

피해의 분포는 과정 전반에 걸쳐 명확하며, 사용된 TNT의 양이나 TNT의 근원이 되는 근원 지점의 위치를 변경하면 변경될 수 있습니다.

워크숍-4: 오일러법을 이용한 아바쿠스에서의 폭풍파에 대한 물 완화 효과의 수치 시뮬레이션

폭발물 주변에 물벽을 쌓는 것이 우발적인 폭발로 인한 충격파와 폭발 압력을 줄이는 효율적인 방법이라는 것이 밝혀졌습니다. 본질적으로, 폭발의 고압 충격파는 폭발물 근처의 물을 위상 변화시키고 내부 및 운동 에너지를 폭발 가스, 폭발파, 그리고 방벽 물질로 재분배합니다. 물 완화 개념은 폭발을 감쇠하는 효율성으로 인해 고에너지 물질의 저장을 위한 방위 및 상업적 응용 분야에서 많은 관심을 받고 있습니다. 폭발은 에너지가 갑자기 방출될 때 발생하는 현상입니다. 고체 폭발물은 일반적으로 폭발한 후 기체 생성물로 변하는데, 이 기체 생성물은 처음에는 10만 기압을 초과할 수 있는 매우 높은 압력을 가집니다. 주변 매질로 전파되는 압력파는 운동량 전달을 통해 이 압력을 기계적 일로 변환합니다. 여기서는 고전적인 존스-윌킨스-리(JWL) 상태 방정식과 6,930m/s의 폭발 속도가 TNT 폭발 생성물 가스의 압력-부피-에너지 거동을 나타내는 데 사용되었습니다.

이 시뮬레이션의 모든 구성 요소는 3차원 오일러 구성 요소로 간주됩니다. 물을 시뮬레이션하기 위해 Us-Up 방정식과 같은 EOS 재료 모델을 사용했고, TNT를 모델링하기 위해 JWL 재료 모델을 활용했습니다. 이러한 유형의 분석은 동적 명시적 방법에 이상적입니다.

워크숍 5: Abaqus에서 CEL 방법을 이용한 3D 물체의 물 충격에 대한 수치 시뮬레이션

무한하고 깨끗한 에너지의 중요한 원천은 바다의 파도입니다. 바다 표면을 가로지르는 바람은 파도를 생성합니다. 바람은 세계 여러 지역에서 파도를 생성할 만큼 일정하고 강하게 불고 있습니다. 파도 에너지를 수집하기 위해 다양한 기술이 개발되었으며, 각 기술은 파도와 상호 작용하는 방식과 파도 에너지를 다른 에너지원으로 변환하는 방식이 다릅니다. 파동 에너지를 유용한 전기 에너지로 변환하는 한 가지 방법은 파동 에너지 변환기를 통해 제공됩니다. 입사 파장에 비해 크기가 작은 파동 에너지 변환기는 점 흡수체입니다. 이 변환기는 흡수체의 크기를 초과하는 파면의 파동 에너지를 흡수할 수 있습니다. 명시적 유한 요소 접근법과 CEL 솔버를 결합하여 3차원 부표의 물 충돌에 대한 유체 역학 문제를 검토합니다. 구조는 라그랑주법을 사용하여 이산화하는 반면, 유체는 오일러 방정식을 사용하여 해석합니다. 이 글에서는 반구 형태를 포함한 다양한 3차원 구조를 사용합니다. 물의 경우 Us-Up 방정식을, 공기의 경우 이상 기체 방정식을 사용하여 재료 거동을 정의했습니다. 분석 중에 발사체가 물속으로 들어갔고, 물이 튀는 것이 관찰되었습니다.

워크숍-6: Abaqus에서 공기로 채워진 공이 물에 충돌하는 시뮬레이션

이 튜토리얼에서는 Abaqus를 사용하여 공기로 채워진 공이 물에 미치는 충격을 면밀히 모델링했습니다. 초탄성 재료로 만들어진 구형 쉘 요소를 표현하는 데 사용되었습니다. 유체 공동 기법을 사용하여 내부 압력, 외부 압력, 그리고 공기의 특성을 모델링했습니다. 물을 시뮬레이션하기 위해 Us-Up 방정식을 적용한 오일러 요소를 삽입했습니다. 이러한 해석에는 명시적 접근법을 사용해야 합니다. 충격 공이 물에 들어갔을 때 유체 공동의 압력과 부피가 급격히 변했습니다.

워크숍-7: Abaqus에서 지진 하중을 받는 콘크리트 탱크의 물 흔들림 시뮬레이션

이 튜토리얼은 내진 콘크리트 탱크의 물 슬로싱 시뮬레이션을 보여줍니다. 물은 Us-Up 방정식을 사용하여 오일러 성분으로 처리되고, 콘크리트 탱크는 탄성 재질을 가진 3차원 쉘로 모델링됩니다. 명시적 프로세스를 사용하는 것이 적합하며, 55초의 시간 제한이 사용되었습니다. 물의 원래 부피를 결정하기 위해 부피 분율 도구를 구현했습니다. 해석 과정 내내 물이 탱크로 유입되었고, 지진 하중으로 인해 슬로싱이 발생했습니다. 탱크 바닥은 하중 계수로 인해 수평 가속도를 경험했습니다.

워크숍-8: SPH 방법을 사용하여 유체를 정의하여 Abaqus에서 수압성형 공정 시뮬레이션

강철, 스테인리스강, 구리, 알루미늄, 황동 등의 금속은 하이드로포밍(hydroforming)이라고 하는 금속 제작 및 성형 공정을 사용하여 성형할 수 있습니다. 고압 유체를 사용하여 효율적이고 특수한 금형을 사용하여 금속을 성형합니다. 하이드로포밍은 시트 하이드로포밍과 튜브 하이드로포밍의 두 가지 범주로 나뉩니다. 시트 하이드로포밍에는 하나의 다이와 금속판이 사용되며, 고압의 물을 사용하여 빈 시트를 시트 한쪽 면의 다이에 밀어 넣어 원하는 모양을 만듭니다. 튜브 하이드로포밍은 원재료인 튜브를 고정하는 두 개의 다이 반쪽을 사용하여 금속 튜브를 원하는 모양으로 확장하는 공정입니다. 두 개의 부품을 스탬핑하여 용접하는 이전 방식은 하이드로포밍으로 대체되었습니다. 또한, 용접을 사용하지 않아 부품을 더 빠르게 생산하고 복잡한 모양과 윤곽을 설계하는 데에도 활용됩니다. 마감 및 완벽한 접합을 위해 고품질 표면을 유지할 수 있다는 점은 이 방식이 다른 부품 생산 방식에 비해 가진 몇 가지 장점에 불과합니다. 하이드로포밍 부품은 기존의 금속 스탬핑 및 용접 부품보다 단위당 가격이 저렴하고 가벼우며, 무게 대비 강성이 더 높습니다. 또한, 이 공정을 사용하면 단일 단계로 부품을 생산할 수 있어 시간, 자원, 재료를 절약할 수 있습니다. 이 튜토리얼에서는 하이드로포밍에 대해 살펴봅니다.

시트는 알루미늄으로 제작되었으며, 물의 상태는 Us-Up 상태 방정식으로 표현됩니다. 표면 간 접촉을 고려하여 동적 명시적 단계(dynamic explicit step)를 사용했습니다. 이 시뮬레이션에서는 물의 거동을 표현하기 위해 매끄러운 입자 유체 역학(SPH)을 적용했습니다. 펀치가 물속으로 이동하는 것을 시뮬레이션했을 때, 물이 이동하여 펀치 위에 시트를 형성하고 엄청난 압력을 가하여 시트가 즉시 형성되도록 했습니다.

워크숍-9: Abaqus에서의 워터젯 절단 시뮬레이션

이 튜토리얼에서는 ABAQUS를 사용하여 얇은 판을 가로지르는 워터젯 효과를 시뮬레이션하는 방법을 보여줍니다. 재료 모델링에는 Us-Up 방정식을, 물 모델링에는 SPH 방식을 적용했습니다. 판은 탄성-소성 특성을 가지며 쉘 요소로 모델링되었습니다. 편집 키보드를 사용하여 손상 모델을 생성하고 충격 시 판의 파손을 모델링했습니다.

Abaqus 물 시뮬레이션에 대한 충분한 정보를 얻으셨기를 바랍니다. 이 튜토리얼에 대한 질문이 있으시면 페이지 왼쪽에 있는 온라인 채팅을 통해 문의해 주세요.

보는 것이 도움이 될 것입니다 Abaqus 문서 Abaqus 시뮬레이션을 시작하기가 얼마나 어려운지 이해하려면 Abaqus 튜토리얼.