선체부착형 원통형 배열 소나의 선체충격에 의한 응답 · 요소의...

한국소음진동공학회논문집 제 19 권 제 2 호, pp. 146~154, 2009.

146/한국소음진동공학회논문집/제 19 권 제 2 호, 2009년

선체부착형 원통형 배열 소나의 선체충격에 의한 응답

Dynamic Response of Hull Mounted Cylindrical Array Sonars to Shocks

신 창 주* ․홍 진 숙†․정 의 봉* ․서 희 선**Changjoo Shin, Chinsuk Hong, Weui Bong Jeong and Hee-Seon Seo

(2008년 10월 13일 접수 ; 2008년 11월 27일 심사완료)

Key Words : Hull Mounted Sonar(선체부착형 소나), Cylindrical Array Sonar(원통형 배열 소나), Shock(충격), Shock Response(충격응답), Structural Reliability(구조건전성)

ABSTRACT

Dynamic response of a hull mounted sonar(HMS) to shocks transmitted through hull structures is analyzed and then the structural reliability of the sonars is evaluated. Finite element model of the hull mounted sonar is established and the transient responses to the shock is calculated using MSC.NASTRAN. According to BV043, the maximum allowable accelerations at the foundation of the sonar are converted from the shock spectra allowable for HMS. They are applied vertically and horizontally, respectively, using the large mass method. The structural reliability is evaluated by comparing the von-Mises stresses with the material yield stress. The drum for sensors shows a high reliability owing to mounts by which the shock waves from the base structure are well protected. However, the mounts between the base structure and the drum to mount sensors show a high stress intensity. The base structure also reveals a high stress intensity at the connection points to the hull.

1) 1. 서 론

함정에 탑재되는 중요 장비는 설계 시 생존성

(survivability)의 보장이 요구된다. 생존성은 “전투

환경에서 임무수행을 계속하기 위한 시스템의 능력” 또는 “적의 위협무기를 회피하거나 견디는 능력”으로 정의된다(1). 생존성은 탐지/피탐지 측면의 민감

성, 내충격 성능을 나타내는 취약성과 시스템의 기

능 복귀 능력을 나타내는 회복성으로 분류된다. 이

연구에서는 함정에 탑재되는 장비가 수중 폭발에 의

한 충격파가 선체에 전달되어 타격을 받을 때 장비

의 충격응답을 해석하고 내충격 성능을 고찰하였다.

† 교신저자 ; 정회원, 부산대학교 기계공학부E-mail : [email protected] : (051)510-2494, Fax : (051)517-3805

* 정회원, 부산대학교 대학원 기계시스템설계** 정회원, 부산대학교 기계공학부***정회원, 국방과학연구소

소나는 음파를 이용하여 수중의 상태를 확인할

수 있는 장비로서 함정에서 소나는 수중 위협세력

(적 잠수함, 어뢰, 기뢰 등)의 정보(함종, 침로, 속도

등)를 획득하기 위한 중요한 장비이다. 소나를 탑재

한 함정은 적의 공격에 노출되어 있고 수중폭발로

인한 충격에 의해 소나의 내충격 성능에 문제가 발

생할 수 있다. 따라서 소나의 탐지성능을 항상 보장

하기 위해 소나 구조물의 취약성이 고려된 설계가

필요하다. 소나 구조는 외부 충격이 과다하여 광역의 손상

을 입어 완전파손의 상태에 도달할 수도 있다. 그러

나 설계 시 면밀히 검토하여 설계에 반영해야하는

조건은 제한된 충격 내에서도 발생하는 국부적인 손

상이다. 이런 손상은 국부적으로 발생하지만 소나의

성능에는 치명적인 영향을 줄 수 있다. 센서부의 경

우, 센서는 취성이 강한 세라믹을 포함하고 있어 세

라믹의 국부적인 파손은 탐지성능 저하에 직접적인

영향을 준다. 감쇠 및 차단 구조 역시 마찬가지다.


한국소음진동공학회논문집/제 19 권 제 2 호, 2009년/147

Table 1 Properties of the mountsItems Components Values

Stiffness coefficient(N/m)

Axal (z) 9.0300 E5Radial (r) 8.5500 E5

Rotation (θ) 10.0000 E5

Damping coefficient(Ns/m)

Axial (z) 4.1421 E3Radial (r) 4.0305 E3

Rotation (θ) 4.3589 E3

Table 2 Inertia moments of the sensors (kgm2) I11 = 3.19 E-2 I12 = 0 I13 = -1.28 E-5

I21 = 0 I22 = 7.4 E-3 I23 = 1.47 E-5I31 = -1.28 E-5 I32 = 1.47 E-5 I33 = 3.22 E-2

외부로부터 전달되는 소음의 차단 성능을 극대화하

기위해 임피던스 차를 크게 하여야하고 이는 구조적

으로 취약한 설계를 유발하게될 수 있다. 대표적인

예로 소나 구조에서 선체부착부와 센서부를 음향학

적으로 분리하기 위해 사용하는 마운트를 들 수 있

다. 이들의 국부적인 손상을 피하기 위하여 지지점

및 마운트 연결점에서는 응력집중현상이 현저하게

나타나기 때문에 지지점 및 연결점을 분산하여 배치

한다. 센서부의 경우도 드럼에 지지될 때 센서의

nodal line에 지지되도록 하여 진동 및 충격에 강인

하게 설계한다. 그러나 소음감소설계와 구조 안전성

설계는 절충된 설계인자의 최적치를 구하는 과정을

필요로 하게 된다.소나 시스템의 성능에 치명적인 영향을 미치는 구

조 손상에 대한 예측과 이를 반영한 설계가 요구된다. 수중폭발에 대한 취약성을 고려한 실선시험은 수행이

거의 불가능하거나 많은 비용이 요구되므로 이를 위

해 신뢰할 수 있는 M&S(modeling & simulation)기법

을 위한 해석 모델을 개발하여 설계에 활용할 필요가

있다. 해석 모델은 소나 구조물의 모델링과 충격하중

의 모델링으로 이루어진다. 소나 구조물을 구성하는

선체부착부(basement), 마운트(mount), 드럼(drum) 및

센서(sensor)를 유한 요소법으로 모델링하였다.선저고정형 소나 구조물이 수중폭발에 의해 받는

충격 하중은 두 가지 형태가 있다. 모선 근처에서

수중폭발이 발생하여 수중을 따라 전파된 충격 하중

이 소나에 직접 도달하는 충격파와 소나를 탑재하고

있는 모선의 구조물을 따라 전달되어 소나 구조물에

도달하는 충격에너지가 있다. 이 연구에서는 이들

두 형태의 하중 중 선체를 따라 전달되어진 충격하

중만을 고려한 해석을 수행하였다. 따라서 소나에

가해진 충격하중은 모선이 충격파에 의해 응답을 보

일 때 소나 장착 지점의 최대 충격 스펙트럼을 사용

하였다. 최대 충격스펙트럼을 BV043(2)의 절차에 의

해 시간신호로 생성하여 입력하고 충격응답을 구하

였다. 소나 구조의 최대응력을 폰-미제스 응력(von Mises stress)(3)로 나타내어 재료의 항복응력과 비교

하여 구조 취약성을 평가하였다.이 논문은 선체 충격응답에 의한 선저고정형 원

통형 소나 구조물의 내충격해석을 통해 취약성을 수

행하였다. 2절에서는 대상 선저고정형 원통형 소나

구조물의 구성, 재원 및 기계적 특성 등을 설명하였

다. 3절에서는 구조물의 유한 요소 모델링과 충격하

중의 모델링에 대하여 설명하였으며 4절에서는 해석

결과를 바탕으로 소나구조물의 생존성 분석에 대하

여 다루었다. 5절에서는 이 연구를 통하여 도출한

결론을 정리하였다.

2. 원통형 배열 소나 구조물

원통형 배열 소나는 선저의 돔 내부에 장착되어

있으며 크게 베이스먼트, 마운트, 드럼 그리고 센서

로 구성되어 있다. 베이스먼트는 원통형 배열 소나

구성 중 선저에 부착되는 부위로 Fig. 1(a)와 같으며

재질은 Cupro이며 질량은 718.4 kg이며 항복응력은

241.367 MPa이다. 선체 장착부의 반지름은 0.769 m이며 선체 장착을 위해 16개의 hole이 있으며 볼트

로 장착된다. 마운트가 부착될 하부 반지름은 0.55 m이며 마운트 설치를 위한 8개의 hole이 있다. 마운

트는 베이스먼트와 드럼 사이에 8개가 부착되어 두

신 창 주 ․홍 진 숙 ․정 의 봉 ․서 희 선


구조물 사이를 절연시켜주는 역할을 하며 Fig. 1 (b)에서 보인 바와 같다. 이는 고무재질이며 재료 특성

은 강성과 감쇠계수로 Table 1에서 보이고 있다. 드

럼은 Fig. 1(c)와 같이 반지름 0.96 m, 높이 0.842 m로 상부에 마운트가 장착되기 위한 hole이 8개 있으

며 재질은 Cupro이고 질량은 1333.46 kg이다. Fig.1(d)과 같이 7.8 kg의 센서가 드럼 상에 320개가 장

착된다. 센서의 관성모멘트는 Table 2와 같다. 원통

형 배열 구조물의 완성도는 Fig. 2와 같다. 원통형

배열 소나의 총 중량은 4547.86 kg이다.

3. 원통형 배열 소나의 유한 요소 모델링

원통형 배열 소나를 구성하는 베이스먼트, 마운트, 드럼 및 센서를 유한 요소로 모델링하였다. 베이스먼

트는 사면체 요소(tetra)로 모델링하였다. 유한 요소

모델에 사용된 요소의 종류와 수는 Table 3과 같으며

완성된 원통형 배열 소나의 전체 모델링 형상은 Fig.3(d)와 같다. 베이스먼트는 Fig. 3(a)와 같이 모델링

(a) Basement (b) Mount

(c) Drum (d) Sensor

Fig. 1 Components of hull mounted sonars

Fig. 2 Graphical view of hull mounted sonar

된다. 선체와 베이스먼트가 연결되는 지지점을 통해

충격 가속도가 전달되도록 원통형 배열 소나 구조물

을 모델링한다. 먼저 선체에 장착시 이용되는 16개

의 hole에 대해 각 hole의 중심과 각 hole을 구성하

는 요소들을 강체 요소(RBE2)로 연결하여 각 hole에 대한 강체 요소를 16개 생성시켰다.

다음으로 베이스먼트의 최상단 중심(이하 외력 입력

점으로 명함)을 기준으로 16개 구멍의 강체 요소들을

다시 강체 요소 결합시켰다. 외력 입력점에 충격 가속

도는 large mass method를 이용하여 입력하였다(4). 이

를 위하여 외력 입력점에 6자유도 집중질량 요소를

하나 생성하였으며 그 지점에 4.6E9 kg의 질량을 부

가하였다. 마운트는 베이스먼트와 드럼 사이에 8개

가 장착된다. Fig. 3(b)와 같이 마운트가 장착되는 베

이스먼트와 드럼의 각 hole 중심과 각 hole을 구성하

는 요소들을 강체 요소로 연결하여 베이스먼트와 드

럼 각각에 8개의 강체 요소를 생성시킨다. 강체 요

소로 연결된 중점들을 베이스먼트와 드럼의 상응하

는 위치에 6자유도 스프링 요소(CBUSH)로 연결 후

Table 1에서 보인 마운트의 물성치를 입력한다. 드럼

을 모델링하기에 앞서 Fig. 3(b)와 같이 320개의 센

서의 위치를 설정하고 부록 A에서 결정한 바에 의

해 6자유도 집중질량(CONM2)으로 Table 1에서 보인

물성치를 입력하였다. 센서를 제외한 드럼은 Fig.3(c)와 같이 사면체 요소(tetra)로 모델링하였다.

Table 4 The number of grids and elements usedGRID CBUSH CONM2 CTETRA RBE2

209,099 8 321 117,349 33

(a) Basement (b) Mounts & sensors

(c) Drum (d) Assembled

Fig. 3 Finite element model of hull mounted sonars



(a) Maximum allowable DVA curve(horizontal) (b) Maximum allowable DVA curve(vertical)

0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5T im e (s e c )

Acce

lera

tion

(m/s

2 )

0 0 .0 0 5 0 .0 1 0 .0 1 5 0 .0 2T im e (s e c )

Acce

lera

tion

(m/s

2 )

(c) Waveform of the applied horizontal acceleration (d) Wave form of the applied vertical accelerationFig. 4 Maximum allowable motion corresponding to BV043

이 해석은 MSC.NASTRAN을 이용하였다. 모델의

신뢰성을 분석하고 향후 해석결과의 분석을 위해 모

드해석을 수행하여 그 결과를 부록 B에 나타내었다.

4. 원통형 배열 소나의 취약성 분석

4.1 선체 충격 하중선체 충격 하중을 BV043에 의해 주어진 소나장비

의 최대허용 충격가속도로 입력하였다. 이는 DVA 선도로 수평 수직 각각의 방향으로 제시되며 Fig.4(a), (b)와 같이 표현된다. DVA 선도는 특정 주파

수 대역에 대하여 변위, 속도 및 가속도로 충격 하

중을 표현한다. DVA선도를 Fig. 4(c), (d)와 같이 두

개의 가속도 하프사인 조합으로 등가의 시간 영역

신호로 나타낼 수 있다. Fig. 5에서 제시한 각각의

방향으로 원통형 배열 소나에 수평, 수직 방향으로

충격 하중을 입력시켰다.

4.2 구조안정성해석 방법원통형 배열 소나에 BV043에 의해 주어진 최대

허용 충격 가속도를 입력 후 소나 구조물 각 요소의

폰-미제스(von Misses) 응력을 확인하였다. 폰-미제

스 응력 식은 다음 식 (1)과 같다.

Fig. 5 Direction of applied shocks

(1)

여기서 는 폰-미제스 응력이고 , 및 는

요소의 주응력(principal stress)을 나타낸다. 폰-미제

스 응력과 재료의 항복응력(yield stress)을 비교하여

폰-미제스 응력이 재료의 항복응력을 초과할 때 구

조가 취약한 것으로 판단하였다.

4.3 수평 충격에 대한 응력 응답수평 충격 가속도 입력 시 특정 요소가 최대 응



(a) Basement

(b) Drum

Fig. 6 Von-Mises stress distribution by the horizontal shock when maximum stress is arisen

0 0 .0 5 0 .1 0 .1 5 0 .20

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0B a se m e n t S tre s s b y Ah

T im e (s e c )

Stre

ss (M

Pa)

(a) Basement

0 0 .0 5 0 .1 0 .1 5 0 .20

5 0

1 0 0

1 5 0

2 0 0

2 5 0D ru m S tre s s b y Ah

T im e (s e c )

Stre

ss (M

Pa)

(b) Drum

Fig. 7 Maximum von-Mises stress of the drum by the horizontal shock

력에 도달한 시간에서 응력 분포를 Fig. 6에 나타냈

다. 최대 응력이 발생하는 곳은 각 베이스먼트와 드

럼 사이의 마운트 장착 부위이다. Fig. 7은 수평 충

격 가속도 입력 시 원통형 배열 소나에서 최대 응력

이 나타난 지점의 시간응답(가는 실선)과 항복응력

(굵은 실선)을 비교하여 보이고 있다. 베이스먼트의

경우 0.074초에 최대 응력 133.2 MPa를 나타내고

있다. 드럼의 경우 0.076초에 최대 응력 50.73 MPa를 나타대고 있다. 이는 BV043에 대응하는 수평 충

격 가속도가 원통형 배열 소나에 입력되더라도 그로

인한 야기된 최대 응력은 구조물의 항복 응력인

241.367 MPa에 못 미치는 것으로 계산되었다. 따라

서 수평 충격 가속도 입력에 대하여 베이스먼트, 드

럼의 내충격 안전성을 보장할 수 있다. Fig. 7의 시

간 이력에서 파형의 반주기를 이용하여 주요 주파수

를 계산하면 약 12.5 Hz와 6.2 Hz를 얻을 수 있다. 이는 부록 B에서 보인 모드해석 결과로부터 충격하

중 이후 자유진동 상태를 예측할 수 있다. 해당 주

파수와 유사한 공진에서의 모드를 보면 수평하중에

의해 드럼과 베이스먼트의 rocking 모드와 연성되어

운동될 것으로 판단할 수 있다.

4.4 수직 충격에 대한 응력 응답수직 충격 가속도 입력시 특정요소가 최대 응력

에 도달한 시간에서 응력 분포를 Fig. 8에 나타냈다. 최대 응력이 발생하는 곳은 베이스먼트의 선체 장착

부위와 드럼은 마운트 장착 부위이다. Fig. 9는 수

직 충격 가속도 입력 시 원통형 배열 소나에서 최대

응력이 나타난 지점의 시간응답(가는 실선)과 항복

응력(굵은 실선)을 비교하여 보이고 있다. 베이스먼

트의 경우 0.004초에 최대 응력 93.93 MPa를 나타

내고 있다. 수직 충격 가속도는 2.6 ms에 최대치

1400 m/s2이 입력된다. 그로 인한 급격한 응력변화

가 반영된 것으로 판단된다. 드럼의 경우 0.126초에

최대 응력 213.3 MPa를 나타내고 있다. BV043에

대응하는 수직 충격 가속도가 원통형 배열 소나에

입력되더라도 그로인해 발생하는 최대 응력은 구조

물의 항복 응력인 241.367 MPa보다 작은 것으로 계

산되었다. 따라서 수직 충격 가속도 입력에 대해서

도 수평 충격 가속도 입력 시와 마찬가지로 베이스

먼트, 드럼의 내충격 안전성을 보장할 수 있다. 수

평하중의 경우와 마찬가지로 충격하중 이후 자유



(a) Basement

(b) Drum

Fig. 8 Von-Mises stress distribution by the vertical shock when maximum stress is arisen

0 0 .05 0 .1 0.15 0 .20

50

100

150

200

250B asement S tress by Ah

T ime (sec)

Stre

ss (M

Pa)

(a) Basement

0 0 .05 0 .1 0 .15 0.20

50

100

150

200

250D rum S tress by Av

T ime (sec)

Stre

ss (M

Pa)

(b) Drum

Fig. 9 Maximum von-Mises stress of the drum by the vertical shock

진동 형태를 살펴보면 드럼의 상하진동모드와 연성

됨을 알 수 있다.

5. 결 론

충격 가속도 입력 시 응력이 집중되는 위치는 베

이스먼트의 선체 장착 부위 및 마운트 주변으로 확

인되었다. 수평 충격 입력 시 베이스먼트의 마운트

장착부위에 최대 응력이 발생하였다. 베이스먼트의

경우 최대 응력은 항복응력 대비 55 %, 드럼의 경

우 최대 응력은 항복응력 대비 21 %를 보이고 있다. 수직 충격 입력 시 드럼의 마운트 장착부위에 최대

응력이 발생한다. 베이스먼트의 경우 최대 응력은

항복 응력 대비 39 %, 드럼의 경우 최대 응력은 항

복 응력 대비 88 %를 보이고 있다. 그러므로 이 구

조물은 BV043에 대응하는 충격 가속도 입력에 대

하여 충분히 안전하다고 할 수 있다.이 연구에서 원통형 배열 소나 구조물은 장비 장

착부에 최대 충격 가속도를 가했을 경우 우수한 내

충격 성능을 보였다. 그러나 원통형 배열 소나는 선

체에 탑재되는 타탑재 장비와 달리 접수되어 있다. 따라서 추후 수중폭발에 의한 직접 전달파에 의한

취약성 평가를 수행할 계획이다.

후 기

이 연구는 국방과학연구소 지원으로 수행되었습

니다. (계약번호: UD060012DD)

참 고 문 헌

(1) Said, M. O., 1995, “Theory and Practice of Total Ship Survivability for Ship Design,” Naval Engineers Journal, pp. 1991~203.

(2) BV043, 1985, “Shock Resistance Experimental and Mathematical Proof.”

(3) Ugural, A. C. and Fenster, S. K., “Advanced Strength and Applied Elasticity 3rd,” Prentice-Hall PTR, pp. 473~475.

(4) MSC. Nastran Version 69 Basic Dynamic Analysis User's Guide.

(5) NASTRAN User's Guide.



(a) Solid model (b) Lumped mass

(c) Equivalent disk (d) Beam modelFig. A1 Modeling scheme of the sensors

1 2 3 4 5 6 7

0

100

200

300

400

500

600

700

Nat

ural

Fre

quen

cy (H

z)

Order

Plate_Solid Plate_Lumped Plate_Lumped_disc Plate_Beam

(a) Natural frequencies

-50 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 6001E-9

1E-8

1E-7

1E-6

1E-5

1E-4

1E-3

0.01

0.1

1

Dis

plac

emen

t (m

)

Frequency (Hz)

Plate_Solid Plate_Lumped Plate_Lumped_disc Plate_Beam

(b) Frequency response functionFig. A2 Variation of dynamics with the shemes of sensor modeling

부록 A 센서 모델링 방안 검토

드럼에 부착된 센서의 자유도를 효율적으로 줄이

기 위하여 Fig. A1과 같이 셸 요소의 평판 중앙 위

에 육면체 요소(Hexa) 모델, 6자유도 집중질량, 디

스크 모델, 보 요소 모델로 센서를 표현한 후 각 고

유모드 별 주파수와 각각의 FRF를 구하여 비교하였

다. 경계조건으로 평판의 한 쪽 모서리 부위를 6자

유도 구속하였으며 나머지 모서리는 자유단으로 두

었다. FRF를 구하기 위하여 6자유도 구속한 반대편

모서리을 가진하였으며 평판과 센서의 접합부위 아

래쪽 중심에서 응답을 계산하였다. 4가지 형태의 센서모델을 대상으로 하여 Fig. A2

의 (a), (b)와 같이 각각의 고유진동수와 FRF를 비

교하였다. 센서를 육면체 요소(Hexa) 모델링하여 해

석한 결과를 기준으로 비교했을 때 6자유도 집중질

량, 보 요소, 디스크 모델 순으로 잘 맞음을 확인할

수 있었다. 6자유도 집중질량과 보요소의 경우 결과

값이 거의 비슷하였으나 Fig. A2(b)에서 확인할 수

있듯이 변위의 레벨이 육면체 요소(Hexa) 모델을

기준으로 6자유도 집중 질량 모델이 더 잘 맞다는



(a) 3.57 Hz (e) 38.69 Hz

(b) 6.83 Hz (f) 87.29 Hz

(c) 7.52 Hz (g) 140.83 Hz

(d) 13.64 Hz (h) 145.12 HzFig. A3 Mode shapes of the hull mounted sonar

것으로 판단된다. 또한 6자유도 집중 질량의 경우

보요소에 비하여 자유도가 낮기 때문에 해석시 더

유리하다. 따라서 이 연구에서 센서는 6자유도 질량

으로 모델링하였다. 6자유도 집중질량으로 표현된

센서의 질량중심에 대한 관성 행렬의 형태는 식

(A.1)과 같다(5).



(A.1)

부록 B 소나구조 모드해석 결과

소나구조 유한 요소 모델의 신뢰성을 분석하기 위해

모드해석을 수행하였다. Fig. A3에 주요모드 8개를

보이고 있다. 모드해석 결과는 충격하중 후 자유진

동의 거동을 파악하는데 이용된다. 3.57 Hz의 공진

주파수를 갖는 1차 모드는 드럼이 좌우로 rocking하

는 모드이다. 2차 모드는 드럼이 수직 축에 대하여

회전하는 모드이고 3차 모드는 드럼이 상하로 움직

이는 모드이다. 4차 모드는 베이스먼트가 rocking하

는 모드이다. Fig. A3(e)~(h)에 보인 4개의 모드는

고차 모드에서 보이는 드럼의 탄성모드를 대표적으

로 보이고 있다.

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