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에너지흐름유한요소법을 이용한 선박구조물의 진동소음 완전연성 해석
에너지흐름유한요소법(EFFEM, energy flow finite element method)은 고주파 대역에서 유한요소법이나 경계요소법과 같은 결정론적 해석기법이 가지는 한계점을 통계적 접근을 통해 극복한 진동소음 해석 기법이다. 또한 통계적에너지해석법(SEA, statistical energy analysis)에 비해 진동 및 음향에너지의 공간적 분포와 전달경로를 제시할 수 있다는 점과 기존 유한요소모델과 높은 호환성을 지닌다는 점이 특징이다. 현재 소음해석을 위한 에너지흐름유한요소법은 육면체요소에 국한되어 개발되었다. 이 때문에 선박구조물과 같이 곡면이 포함된 구조물에 대한 진동소음 연성해석에는 한계가 있다. 따라서 본 논문에서는 에너지흐름 유한요소법에 사면체요소와 구조-음향 연성기법을 도입하여 선박구조물의 진동소음 완전연성해석에 대한 방법론 정립을 목적으로 한다. 임의의 형상을 갖는 선박구조물에 대한 소음해석을 위해 사면체요소가 도입된 에너지흐름유한요소법을 정립하였다. 선박구조물의 신뢰성 있는 진동-소음 에너지분포를 예측하기 위해 구조-음향 완전연성을 고려하였다. 이를 위해 구조평판과 음향공간의 경계에 형성되는 면연성부에 대한 파워전달관계를 규명하였다. 아울러 밀도 높은 유체가 구조물에 인접하였을 때 발생하는 부가질량효과와 방사손실을 반영하였다. 에너지흐름 유한요소해석 결과인 접수외판의 진동응답을 후처리 하는 방식으로 수중 임의의 지점에서 음압을 예측하는 방법론을 정립하였다. 복합평판구조물에 대한 수치해석결과가 상용프로그램 VA One의 결과와 3% 이내의 오차를 갖는 것을 확인하였다. 정립된 이론과 방법론을 바탕으로 에너지흐름유한요소법 기반 진동소음 완전연성해석 프로그램을 개발하였다. 기존 유한요소 모델과 호환성을 높이기 위해NASTRAN입력데이터 형식으로 작성된 유한요소모델을 직접적으로 활용하며 사용자의 개입 없이 결과를 도출할 수 있도록 하였다. 개발된 프로그램을 활용하여 구조평판과 음향공간으로 구성된 해양수송기계에 대한 해석을 수행하였다. 이를 통해 임의의 형상을 갖는 복합구조물에 대한 적용 가능성을 확인하였다. The energy flow finite element method (EFFEM) is a vibro-acoustic analysis method that overcomes the limitations of traditional analysis methods such as finite element method and boundary element method in high frequency ranges through a statistical approach. Compared with statistical energy analysis (SEA), it is possible to derive spatial distribution and transmission path of vibration and acoustic energy, and it has high compatibility with general finite element model. At present, the EFFEM for acoustic analysis has been developed for hexahedral element. For this reason, there is a limitation to the coupled vibro-acoustic analysis for curved structures such as ship structures. Therefore, the purpose of this paper is to establish the methodology for fully coupled vibroacoustic analysis of ship structures by introducing tetrahedral element and sound-structure interaction in the EFFEM. The EFFEM with tetrahedral elements was established for acoustic analysis of general shape ship structures. Sound-structure interaction is considered to predict reliable vibroacoustic energy distribution of ship structures. For this purpose, the power transfer relation for the area junction created at the boundary between structural plate and acoustic space was investigated. In addition, the added mass effect and radiation loss that occur when a dense fluid adjacent the structure are considered. A methodology for predicting sound pressure levels at any point in the water was established by post-processing the vibration response of the plate adjacent to seawater, which is the result of energy flow finite element analysis. Numerical results of the complex plate structure by EFFEM show that the error is less than 3% from that of the commercial program VA One. Based on the established theories and methodologies, a fully coupled vibroacoustic analysis program based on the EFFEM was developed. In order to improve compatibility with general finite element model, the finite element model written in NASTRAN input data format is directly utilized and the result can be derived without user intervention. The developed program was used to analyze the marine transport machine consisting of structural plates and acoustic cavities. Through this, the applicability of the complex structure having a general shape was confirmed.
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