동적 폭발물 기폭의 유한요소 해석

Abstract

폭발현상의 이해를 위한 수치해석적 접근은 폭발실험의 위험성 및 결과의 불안정성을 감소시키며 미소시간 단위에서의 충격파 전파 과정을 재현할 수 있어 폭발 연구 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 그러나 기존의 폭발 수치해석 연구들은 화약을 구 형상의 정적조건에 한해서 주로 수행되었기 때문에 실제 미사일과 같은 화약의 충격파의 전파 양상 및 압력 분포를 모사하는데 제한점이 존재하였다. 이에 본 연구에서는 현대 공격무기에 주로 쓰이는 원통형 화약에 대하여 중량, 낙하속도, 낙하각도 등 다양한 폭발의 동적조건을 모사할 수 있는 3차원 Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)기반 폭발 수치해석 모델을 개발하였다. 해석 모델의 정확성은 경험식과 최대 초과압력의 관점에서 검증하였다. 또한 넓은 범위의 화약 중량에 대하여 해석 결과의 정확도와 시간 효율을 고려한 최적 격자망 크기 계산식을 제안하였다. 해석 결과에 따르면 화약의 낙하속도는 최대 초과압력을 증가시키지만 폭발원으로부터 멀어질수록 그 영향이 줄어들며 낙하각도의 경우 지면에 닿는 폭발 충격파의 형상에 영향을 미치기 때문에 원거리에서도 최대 초과압력에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 또한 각 동적조건의 영향이 감소하는 지표로 기준환산거리를 제시하였다. 개발된 해석 모델을 활용하여 고중량 화약에 대한 철근 콘크리트 벽체 구조물의 폭발거동 및 손상패턴을 조사하였다. 본 연구는 화약의 중량, 낙하속도, 낙하각도 및 측정 거리 간의 관계에 대한 기본적인 이해를 증진할 수 있을 것으로 사료된다.