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단조하중 하에서 다중 적층 벨로우즈 신축이음관의 구조적 불확실성에 의한 대리모델 기반 전역 민감도 분석
손호영 ( Son Hoyoung ),전법규 ( Jeon Bub-gyu ),유진석 ( Yu Jin-seok ),주부석 ( Ju Bu-soeg ) 한국복합신소재구조학회 2023 복합신소재구조학회논문집 Vol.14 No.6
벨로우즈 신축이음관은 기하학적 특성으로 인해 배관 시스템의 변위성능을 향상시킬 수 있지만 벨로우즈의 제작과정에서 야기된 회선의 벽두께 감소와 같은 구조적 불확실성은 구조적 성능의 감소를 유발할 수 있다. 따라서 본 연구는 구조적 불확실성이 벨로우즈 신축이음관의 단조하중 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해 전역 민감도 분석을 수행하였다. 전역 민감도 분석은 주효과 및 n차 교호작용 효과까지 분석하기 때문에 비교적 많은 계산비용이 발생한다. 이러한 단점을 극복하기 위해 대리모델 기반의 전역 민감도 분석을 수행하였다. 인공신경망 기반으로 구축된 대리모델은 결정계수와 같은 성능평가지표를 이용하여 예측성능을 평가하였으며 높은 예측성능을 보였다. 2ply 및 3ply 벨로우즈의 주효과에 대한 민감도 지수는 각각 여섯 번째 회선에서 0.3340, 0.3233으로 가장 크게 발생하였다. 단조 휨 하중을 받는 벨로우즈 신축이음관의 최대 변형은 여섯 번째 회선 부근에서 발생하기 때문에 큰 민감도 지수를 보이는 것으로 판단된다. 교호작용 효과에 대한 민감도 지수는 작게 나타났기 때문에 각 회선의 불확실성 인자 사이의 상호작용은 미미한 것으로 보인다. 단조하중 보다 반복하중을 받는 벨로우즈 신축이음관의 거동은 복잡하며 첫 누수는 회선에서 발생하는 것으로 나타났다. 따라서 추후연구는 반복하중을 받는 벨로우즈 신축이음관의 구조적 불확실성을 고려하여 대리모델 기반의 전역 민감도 분석을 수행하고자 한다. Bellows expansion joints enhance the displacement performance of piping systems owing to their unique geometrical features. However, structural uncertainties such as wall thinning in convolutions, a byproduct of the manufacturing process, can impair their structural integrity. This study addresses such issues by conducting a global sensitivity analysis to assess the impact of these uncertainties on the performance of bellows expansion joints under monotonic loading. Global sensitivity analysis, which examines main and nth order interaction effects, is computationally expensive. To mitigate this, we employed a surrogate model-based approach using an artificial neural network. This model demonstrated robust prediction capabilities, as evidenced by metrics such as the coefficient of determination. The sensitivity indices of the main effect for the 2-ply and 3-ply bellows at the sixth convolution were 0.3340 and 0.3233, respectively. The sensitivity index of the sixth convolution was larger than that of other convolutions because the maximum deformation of the bellows expansion joint under monotonic bending load occurs around it. Interestingly, the sensitivity index for the interaction effect was negligible (0.01%) compared to the main effect, suggesting minimal activity between uncertainty factors across convolutions. Notably, bellows expansion joints under repetitive loading exhibit more complex behaviors, with the initial leakage typically occurring at the convolution. Therefore, future studies should focus on the structural uncertainties of bellows expansion joints under cyclic loading and employ a surrogate model for comprehensive global sensitivity analysis.
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