서브 구조화 방법론을 활용한 원자로 내부 구조물의 펌프 맥동 하중에 의한 구조해석 방법론

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확장요약문

원자로 냉각재 펌프에서 발생하는 압력 맥동은 냉각재를 통해 원자로 내부 구조물에 전달되어 음향유발진동(Acoustic-Induced Vibration, AIV)을 유발한다. 냉각재에 잠긴 내부 구조물의 동적 응답은 구조물과 유체의 상호작용에 영향을 받으므로, 펌프 맥동 하중에 의한 진동 및 응력 평가에는 구조–음향 연성을 고려해야 한다. 그러나 국부 영역의 상세 응답을 평가하기 위해 전체 구조물과 냉각재 영역에 조밀한 유한요소 격자를 적용하면 해석 자유도와 계산 비용이 크게 증가한다. 본 연구에서는 전체 시스템의 연성 응답을 반영하면서 관심 영역의 상세 구조 응답을 효율적으로 평가하기 위한 서브 구조화 기반 해석 방법론을 제안한다.

제안하는 방법론은 전체 구조–음향 연성해석과 관심 영역의 상세 국부해석으로 구성된다. 먼저 원자로 내부 구조물과 주변 냉각재를 포함하는 전체 모델에 펌프 맥동 하중을 적용하고, 주파수 영역에서 복소 구조 변위와 음향 압력 응답을 산출한다. 이후 관심 구조물과 인접 냉각재를 포함하는 국부 모델을 구성하고, 전체 해석에서 얻은 구조 변위와 음향 압력을 각각 구조 및 유체 절단 경계에 전달한다. 이때 각 응답의 진폭과 위상 정보를 함께 반영하여 주파수별 연성 응답을 국부해석의 경계조건으로 부여한다.

국부 모델은 냉각재 영역을 포함하여 구조물의 접수면에서 유체–구조 연성을 유지한다. 이를 통해 관심 영역에서 발생하는 유체 반력을 국부해석에서 계산하는 동시에, 절단 경계에 전달된 변위와 압력을 통해 주변 구조물 및 유체 영역의 영향을 반영한다. 또한 관심 영역 외부의 가진 하중은 전달 경계조건에 그 영향이 포함되므로 국부 모델에 중복 적용하지 않으며, 관심 영역 내부에 작용하는 하중은 직접 적용하여 하중의 누락과 중복을 방지한다.

본 방법론은 전체 시스템의 구조–음향 연성 거동과 국부 영역의 상세 모델링을 연계함으로써, 펌프 맥동에 의한 원자로 내부 구조물의 진동 및 응력 평가를 위한 해석 절차를 제시한다. 전체 영역의 격자를 일괄적으로 세분화하는 부담을 줄이면서 관심 부위의 응답을 상세하게 평가할 수 있는 기반을 제공하며, 향후 상세 연성모델과의 비교를 통해 정확도와 계산 효율을 검증하고 적용 범위를 확대하고자 한다.