수중함 배전반 구조 평가 해석모델 단순화 방안 = Simplified Method for Finite Element Model to Analysis Structure of Switchboard on a Submarine

국문 초록 (Abstract)

수중함에 탑재되는 배전반은 발전기로부터 전력을 공급받아 운용에 필요한 다양한 탑재체계에 전력을 분배하는 주요 구성요소이다. 이러한 배전반은 외부 충격 환경에서 충분한 구조적 강도와 전기설비 작동에 대한 안정성을 확보해야 한다. 배전반 구조의 평가는 함정 탑재 장비에 대한 평가 기준인 MIL-STD-901D와 BV043에 의거하여 시험 및 시뮬레이션을 통해 수행된다. 구조나 기능 등의 변경이 거듭되는 설계 단계에서는 장비의 성능 평가를 위해 시뮬레이션을 주로 활용한다. 배전반 프레임을 구성하는 구성요소로는 복잡한 단면 형상을 가진 알루미늄 프로파일 및 박판 부재가 있다. 이를 3차원 유한요소로 구현할 경우 계산 자원이 과도하게 투입되므로 이러한 문제를 해결하기 위해 해석모델에 대한 단순화 모델링 기법들이 연구되고 있다. 보 형상의 경우 대표적으로 1차원 등가 Beam 및 2차원 Shell 요소가 활용되며, 박판은 2차원 Shell 요소를 통해 단순화된다. 그러나, 해당 방안들은 내부 구조 간 볼트 체결과 같은 연결성과 요소 간의 접촉 두께가 고려되지 않아 응답 측면에서 실제와의 차이점을 유발하게 된다. 본 연구에서는 이러한 사항을 개선하고자 2차원 Shell 요소를 활용하여 구조 응답과 구조 간 연결성을 모사할 수 있는 모델링 방안을 제시하였다. 제안한 모델링 방안에 대해 3차원 요소 모델과 응답을 비교하였으며, 그 결과 신규 모델링 방안이 구조 형상을 효과적으로 반영하면서도 3차원 모델의 응답을 대변할 수 있는 수준임을 확인하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The switchboard mounted on a submarine is a key component that receives power from the generator and distributes it to various onboard systems required for operation. Such switchboards must ensure sufficient structural strength and operational stability of electrical equipment under external shock environments. Structural evaluations are conducted through testing and simulations based on MIL-STD- 901D and BV043, the evaluation standards for shipboard equipment. During the design stage, where structural or functional changes are repeatedly introduced, simulations are primarily used to assess equipment performance. The switchboard frame is composed of aluminum extruded profiles with complex cross-sectional geometries and thin plate members. Implementing this with 3D solid elements requires excessive computational resources, simplified modeling techniques for the analysis model are being studied to solve this problem. For beam type members, 1D equivalent beam and 2D shell elements are commonly utilized, while thin sheet is simplified using 2D shell elements. However, these approaches can lead to discrepancies from actual behavior in terms of structural response because connectivity between internal structures, such as bolted joints, and the contact thickness between elements are not considered. To overcome these limitations, this study proposes a modeling method utilizing 2D shell elements to represent structural response and inter-structural connectivity. The proposed modeling method was validated by comparing its responses with those of a 3D solid element model. The results confirm that the proposed method effectively captures the structural geometry while providing a level of response that is representative of a 3D solid model.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 1. 연구 배경 1
• 2. 관련 연구 동향 2
• 3. 연구 목표 5
• 4. 논문 개요 6
• 제 2 장 본론 8
• 1. 배전반 구조물 8
• 2. 알루미늄 프로파일 단순화 방안 9
• 2.1 구성품목 개요 9
• 2.2 부재 두께 계산 13
• 2.3 해석모델 작성 21
• 2.4 처짐량 비교 23
• 2.5 고유진동수 비교 28
• 2.6 응답 비교결과 32
• 3. 박판 부재 단순화 방안 33
• 3.1 구성품목 개요 33
• 3.2 적분점 위치 결정 기준 35
• 3.3 처짐량 및 굽힘응력 비교 38
• 3.4 두께 고려 접촉 검토 41
• 4. 배전반 모델 응답비교 43
• 4.1 고유진동수 비교 43
• 4.2 내충격응답 비교 48
• 제 3 장 결론 54
• 참고문헌 55
• Abstract 57