1. 함정용 탑재 장비의 내충격 해석 

함정에 탑재된 장비의 경우, 선체 구조에 탑재되어 지속적인 파랑 및 기관 기전력으로부터 전달되는 진동과 전투 상황에서 발생할 수 있는 수중 폭발에 의한 충격에 대해서도 함정의 생존성과 안전성이 보장되는 내충격 설계가 요구된다. 특히나 충격 조건 하에서도 탑재 장비가 정상적으로 작동할 수 있도록 설계되어야 하며, 제작 후 MIL-STD-901D에 의한 충격 시험, 동적설계해석법, 실선 충격 시험을 통해 내충격 성능을 확인하여야 한다. 하지만 충격 시험이 불가한 경우에는 해석을 통해 확인하도록 규정하고 있다. 

내충격 해석을 통해 충격파에 대한 장비의 안정성을 평가하는 방법은 세 가지로 분류할 수 있다. 첫 번째 방법은 등가 정적 방법으로 시험이 불가능한 2톤 이상의 대형 장비에 대해 적용할 수 있다. 이 방법은 해석 이론이 간단하고 편리하여 많이 사용되었으나 대상 장비의 동특성을 전혀 고려하지 않는 한계가 있어 현재는 내충격 해석에서 사용하지 않고 있다. 두 번째 방법은 DDAM(Dynamic Design Analysis Method)으로 구조물의 진동 특성 및 충격파, 고정 위치 등에 대한 상호 작용을 고려한 응답 스펙트럼 해석 기법을 사용한다. 마지막 세 번째 방법은 직접 시간 적분법(MIL-STD-901D, BV043 규격 기준)으로 시간에 따라 발생하는 충격파 가속도를 직접 입력하여 시간 이력에 대한 응답을 계산하는 방법이다. 

이처럼 내충격 성능을 해석적으로 검증할 때에는 스펙트럼 해석 방법이나 직접 시간 적분법을 사용하는데, 강체지지 장비의 경우 DDAM 해석을 적용하고 탄성지지 장비의 경우 시간 이력 충격 스펙트럼에 대한 과도 응답 해석을 적용한다. 아래 그림 1은 함정 탑재 장비가 지지부를 통해 충격 하중을 받게 되는 개념을 그림으로 나타낸 것이다. 

1.1. DDAM 

DDAM은 미 해군 연구소인 NRL에서 제안한 스펙트럴 해석 방법으로, 실선 충격 시험 계측을 통하여 얻어진 응답 스펙트럼을 기초로 장비의 설계 기준 충격 응답 스펙트럼을 규정하며, 대상계의 전체 응답을 계산하는 방법으로 NRL sum 방법을 적용한다. NRL sum 방법에 의한 계산 결과에는 높은 안전율이 포함되어 시험 결과보다 과도한 결과가 발생할 수 있다는 단점이 있지만, 해석 절차가 매우 명확하고 간단하며, 해석 결과가 합리적이기 때문에 많이 사용되고 있는 해석법이다. 

DDAM을 사용한 해석 절차는 다음과 같다. 
(1) 문제 형성 단계: Shock Design Value (NRL Report 1396 참조) 
(2) 수학적 모델링 단계 
(3) 계수 계산 단계 
(4) 동적 계산 단계 
(5) 평가 단계 

문제 형상 단계인 Shock Design Value는 직접 계산할 수도 있지만, 함정의 종류, 장비 탑재 위치에 따라 계산된 계수 값이 NRL Report 1396에 나와 있어 해석 시 이를 활용할 수 있다. 아래 표 1과 표 2는 NRL Report 1396를 기반으로 계산된 계수 값들이다. 

[그림 2] DDAM을 사용한 내충격해석 절차 

Ansys Mechanical에서 DDAM을 해석하려면 Response Spectrum 시스템을 사용하며, 해석 시스템에 명령어를 추가하여 해석한다. 명령어 입력 시 계산된 속도와 가속도 관련 상수 값을 직접 입력할 수도 있고, 자동으로 계산되도록 입력하는 것도 가능하다. 그림 3은 ADDAM과 VDDAM 명령어를 사용하여 계산된 가속도 및 속도 스펙트럼 상수를 입력하는 명령어를 보여주며, 그림 4는 DDASPEC 명령어를 사용하여 NRL Report 1396에 따라 DDAM 계수가 자동으로 들어가게 만든 명령어를 보여준다. 

1.2. MIL-STD-901D 

MIL-STD-901D는 미해군에서 제시한 내충격 성능 시험 규격이다. 내충격 시험을 진행할 경우, 충격 시험기를 사용하게 되는데, 충격 시험기는 표준 고정대와 장비 그리고 해머로 구성되고, 탑재 장비 중량에 따라 해머 높이가 결정된다. MIL-STD-901D에서는 시험 보조 장치 중량을 포함한 장비 총 중량에 따라 경중량, 중간중량, 중중량으로 구분할 수 있는데, 경중량은 550lb 이하인 경우, 중간중량은 550~7,400lb 사이인 경우, 중중량은 7,400lb 이상인 경우로 구분된다. 표 3은 중간 중량 시험품에 대한 중량 별 해머 높이를 보여준다. 

[표 3] 중간 중량 충격 시험의 시험품 중량별 해머 높이 

MIL-STD-901D에서 제시된 시험적 평가 방법은 시험 종류, 충격 등급, 장비 등급, 충격 시험 유형에 따라 구분되며, 규격에 나와있는 등급을 기반으로 충격 시험을 수행하여 충격 신호를 계측하고 이를 해석 시 하중 데이터로 사용한다. 만약 시험을 수행하지 않을 경우, 장비의 총 중량에 따라 해머 높이를 확인한 다음 Anvil Table에서의 최대 가속도를 확인하여 충격 하중으로 해석에 적용한다. 

하지만 MIL-STD-901D는 시험 방법에 대한 내용이 기술되어 있고 해석에 적용할 입력 프로파일이 없다. 그리고 충격 하중 시간 이력을 알 수 없기 때문에 시험 조건에 의한 충격 직전의 속도 값을 에너지 보존 법칙으로 구한 하중을 적용하여 직접 적분법으로 해석하거나, 알려진 충격 하중 시간 이력이 있는 규격을 사용하고 있다. 그림 5는 충격 직전 속도를 계산하는 식을 보여준다. 

[그림 5] 충격 직전 속도 계산식 

그림 5에서 계산된 초기 속도는 Transient 시스템에서 Initial Velocity로 적용하고 충격 하중이 전달되는 지지부를 고정하여 해석하고, 충격 하중이 가해지는 시간 동안에 출력된 최대 등가 응력 결과를 출력하여 MOS(Margin Of Safety)를 확인한다. 

1.3. BV043 

직접 시간 적분법을 사용하여 충격 해석을 수행하려면 대상 장비에 작용하는 충격 하중 시간 이력을 알아야 한다. 충격 하중 시간 이력을 알아내기 위해서는 수중 폭발 시험이 먼저 선행되고, 측정된 데이터를 해석에 적용해야 하는데, 실선 충격 시험을 수행하는 것이 힘들 뿐만 아니라 대부분 기밀로 취급되고 있어 정확한 데이터를 확보하는 것이 어렵다. 현재까지 알려진 충격 하중 시간 이력은 1968년 영국 해군에서 제시한 경험식과 독일 충격 규격인 BV043이 있다. 이 중 영국 해군에서 제시한 경험식은 강체 마운트 품목에만 적용 가능하며, 일반적으로 BV043에서 제시된 충격 하중 프로파일을 사용하고 있다. 

BV043은 함정의 종류, 배수량, 장비의 설치 위치와 충격 하중 방향에 따라 서로 다른 내충격 설계 기준 충격 응답 스펙트럼 값을 규정하고 있으며, 그림 6과 같이 장비 받침대에서 허용하는 최대 충격치와 등가인 이중 반사인파 형태(Double Sine Wave) 또는 이중 삼각파 형태(Triangular Wave) 함수로 가속도 값을 제시하고 있다. 

[그림 9] 이중 삼각파 펄스 형태의 가속도 하중 조건 정의 

변환식으로 얻은 충격 하중 프로파일을 적용하여 Transient 해석을 수행한 다음, 결과 값으로 충격 하중이 가해지는 시간 동안에 출력된 최대 등가 응력 결과를 출력하여 MOS(Margin Of Safety)를 확인한다. 

2. 차량용 탑재 장비의 내충격 해석 

대부분의 무기나 군용 장비들은 사막이나 습지대 등 운용 환경이 혹독한 곳에서 사용되기 때문에 가혹한 조건에서도 정상적으로 장비가 작동하기 위해 다양한 환경 및 신뢰성 시험을 수행하고 있다. 다양한 환경에서의 시험을 수행하기 위해 실측한 데이터를 사용하거나 군사 규격에서 제시된 시험 규격서를 적용할 수 있다. 군사 규격을 사용할 경우 실제 운용 조건보다 가혹하게 제시되어 있기에 과설계가 될 수 있지만 적용이 편리하다는 장점이 있다. 일반적으로 활용되는 환경 시험 관련 군사 규격으로는 MIL-STD-810이 있으며, 최신 버전은 MIL-STD-810H이다. 

 2.1. MIL-STD-810H 

MIL-STD-810H 규격에는 고온 시험, 온도 충격, 습도, 진동 소음, 충격 시험 등 28가지의 많은 시험 방법이 포함되어 있다. 이들 중 차량에 탑재되는 장비에 대한 충격 시험은 Method 516.8에서 제시하고 있으며, 시험 품목에 가해지는 충격 형태에 따라 총 8가지 절차를 제공하고 있다. 표 4는 8가지 충격 시험 절차를 보여주고 있다. 

[표 4] 충격 시험 절차 

절차Ⅰ은 작동 중 충격으로 작동 서비스 중에 발생할 수 있는 충격을 나타낸다. 절차Ⅱ는 운송 충격으로 반복적인 충격 하중을 받는 품목이나 구속 시스템의 응답을 평가한다. 절차Ⅲ은 파손성으로 구조적 또는 기능적 시스템 저하가 발생할 가능성이 있는 심각한 충격 조건을 결정하는데 사용된다. 절차Ⅳ는 수송 시 낙차에 대한 것으로 군수품이 적재 및 하역 과정에서 일반적으로 일어나는 충격을 견딜 수 있는지 확인하는데 사용된다. 절차Ⅴ는 충돌 위험 충격 시험으로 지상 차량에 장착된 군수품을 시험하는데 사용되며, 군수품 마운트나 고정 또는 격납 구성의 구조적 무결성을 검증하기 위해 사용된다. 절차Ⅵ은 작업대 처리로 작업대에서 충격을 받을 수 있는 제품을 시험하는데 사용된다. 절차Ⅶ은 진자 충격으로 수평 충격에 저항하는 대형 선적 컨테이너의 기능을 시험하기 위한 절차이다. 마지막 절차Ⅷ은 사출기 발진 및 착륙 정지에 대한 것으로 고정익 항공기에 장착된 자제를 위한 것이다. 

8개의 절차 중 어떤 절차를 따르는 것인지 확인하고 해당 프로세스가 제안하는 규격을 따라 하중 조건을 적용하여 해석을 수행하게 된다. 절차Ⅰ- 작동 중 충격 조건에 대해 하중을 적용한다고 가정하면 톱니파형의 충격 하중을 적용하게 되며, 항공 장비의 경우 최소 충격량 20G를, 지상 장비의 경우 최소 충격량 40G를 적용한다. 이 때 충격 지속 시간은 11ms로 항공 장비와 지상 장비 모두 동일하게 적용한다. 그림 10은 작동 중 충격 조건에 대한 톱니파형의 충격 하중 그래프를 보여준다. 

[그림 11] 작동 중 충격 조건에 대한 충격 하중 적용 

군용 장비의 충격에 대한 건전성을 해석으로 평가하기 위해 시간 이력 해석을 수행하여 충격 하중에서 발생하는 최대 응력을 도출한 다음 MOS를 계산하여 구조적 안정성을 확인한다. 

결론 

본 호에서는 Ansys Mechanical에서 탑재 장비의 충격 해석을 수행할 수 있는 방법들에 대해 소개해 보았다. 사용되는 환경이 어디인가, 대상체가 어떠한 것인가에 따라 적용할 수 있는 해석 방법과 사용 규격이 나뉜다. 본 호에서 소개한 내용을 기반으로 규격에서 제시한 조건을 찾아 해석에 적용하여 탑재 장비 구조물의 충격 해석 시 도움이 되길 바래본다.