The recent surge in energy consumption has sharply increased the use of fossil fuels, leading to a steep rise in the concentration of greenhouse gases in the atmosphere. Interest in hydrogen is growing to mitigate the issue of global warming. Currently, hydrogen energy is transported in the form of high-pressure gaseous hydrogen, which has the disadvantages of low safety and energy efficiency. To develop commercial hydrogen vehicles, liquid hydrogen should be utilized. Liquid hydrogen storage tanks have supports between the inner and outer cylinders to bear the weight of the cylinders and the liquid hydrogen. However, research on the design to improve the structural safety of these supports is still insufficient. In this study, through a thermal-structural coupled analysis of liquid hydrogen storage tanks, the model with three supports, which had the lowest maximum effective stress in the outer tank, inner tank, and supports as proposed in the author's previous research, was used to create analysis models based on the diameter of the supports. A structurally safe design for the supports was proposed.

The government declared ‘2050 carbon neutrality’ as a national vision in October 2020 and subsequently pursued the establishment of a ‘2050 carbon neutrality scenario’ as a follow-up response. Hydrogen is considered as one of the most promising future energy carriers due to its noteworthy advantages of renewable, environmentally friendly and high calorific value. Liquid hydrogen is thus more advantageous for large-scale storage and transportation. However, due to the large difference between the liquid hydrogen temperature and the environment temperature, an inevitable heat leak into the storage tanks of liquid hydrogen occurs, causing boil-off losses and vent of hydrogen gas. Researches on insulation materials for liquid hydrogen are actively being conducted, but research on support design for minimal heat transfer and enhanced rigidity remains insufficient. In this study, to design support structures for liquid hydrogen storage tanks, a thermal-structural coupled analysis technique was developed using Ansys Workbench. Analytical models were created based on the number and arrangement of supports to propose structurally safe support designs.

Hydrogen is considered as one of the most promising future energy carriers due to its noteworthy advantages of renewable, environmentally friendly and high calorific value. However, the low density of hydrogen makes its storage an urgent technical problem for hydrogen energy development. Compared with the density of gas hydrogen, the density of liquid hydrogen is more than 1.5 times higher. Liquid hydrogen is thus more advantageous for large-scale storage and transportation. However, due to the large difference between the liquid hydrogen temperature and the environment temperature, an inevitable heat leak into the storage tanks of liquid hydrogen occurs, causing boil-off losses and vent of hydrogen gas. Researches on insulation materials for liquid hydrogen are actively being conducted, but research on support design for minimal heat transfer and enhanced rigidity remains insufficient. In this study, to design support for liquid hydrogen storage tank, technique of thermal-structural coupled analysis including geometry, mesh, and boundary condition were developed using Ansys workbench, and equivalent stress and deformation distributions were analyzed.

Decarbonization plays an important role in future energy systems for establishing a zero-carbon society. Hydrogen is believed to be a promising energy source that can be converted, stored, and utilized efficiently, leading to a broad range of possibilities for future applications. Hydrogen can be stored in various forms, including compressed gas, liquid hydrogen, hydrides, adsorbed hydrogen. Among these, liquid hydrogen has high gravimetric and volumetric hydrogen densities. There are a lot of previous studies on thermal behavior of MLI and VCS and optimization insulation system, but research on the insulation performance by varying the head shape of the tank has not been conducted. In this study, thermal-structural coupled analysis was conducted on the insulation system with VCS positioned between two layers of MLI for a liquid hydrogen storage tank. The analysis considered dome shapes (torispherical, circle, ellipses), and heat flux and temperature were derived from thermal analysis to predict insulation performance. Maximum equivalent stress and deformation were calculated from the structural analysis, and the optimal dome shape was proposed.

아미노글리코사이드계 항생제(Aminoglycosides, AGs) 는 그람음성균과 양성균에 광범위하게 작용하는 동물용 의약품으로, 최근 배양육에 사용된다고 알려져 있어, 안 전성 관리를 위한 분석법 마련이 반드시 필요하다. AGs 는 고극성 화합물로 성분 간의 분리를 위해 이온쌍 시 약(ion-pairing reagent, IPR)을 사용하고 있으나 IPR을 이동상에 첨가하는 기존 분석방법의 경우 용매가 흐르 는 동안 질량분석기로 주입되는 IPR로 인해 기기적인 문 제가 발생할 가능성이 높아, IPR를 바이알에 직접 첨가 하는 분석방법을 검토하였다. 본 연구에서 10종 AGs 성 분에 대한 분석방법을 확인하고 유효성을 검증하였다. 검출한계와 정량한계는 각각 0.0001-0.0038 mg/kg 와 0.004-0.011 mg/kg의 범위로 나타났으며, 0.01-0.5 mg/ kg 범위 내의 직선성(R2)은 0.99 이상이었다. AGs의 시 료 회수율을 확인하고자 소고기와 세포배양배지(cell culture medium) 매질에서 회수율과 상대표준편차로 나 타낸 정밀도를 확인한 결과 각각 70.7-120.6% 및 0.2 to 24.7%로 나타났다. 기존의 이동상에 IP 첨가 방법과 비 교하였을 때 유사한 수준으로 양호하였다. 검증된 AGs 분석법은 국내 유통되는 닭고기, 소고기, 돼지고기 15품 목과 배양육 배지 첨가제 6품목에 적용해보았다. 그 결 과 국내 유통되는 육류 15품목 모두 AGs 성분이 검출 되지 않았으나, 세포배양배지에서 streptomycin은 695.85- 1152.71 mg/kg, dehydrostreptomyci은 6.35-11.11 mg/kg 로 검출되었다. 따라서 IRR을 바이알에 직접 첨가하는 LC-MS/MS 방식은 육류, 세포배양배지, 배지첨가제 중 AGs 분석 및 안전성 평가를 위한 기초자료로 활용될 것 으로 기대된다.

Low to intermediate radioactive waste disposal concrete structures are subjected to coupled hydromechanical conditions and the identification of structural damage is crucial to ensure safe long-term disposal. Different damage models for concrete and the surrounding rock can affect the damage characteristics of radioactive waste disposal structures. In this study, the effects of different rock damage models are applied to the hydro-mechanical-damage coupled structural analysis of the Wolseong Low and Intermediate Level Radioactive Waste Disposal Center silo. A two-dimensional model of the disposal silo was modeled using the finite element analysis software COMSOL and the Mazars’ damage model was applied to the silo concrete. The Mazars’ model parameters were obtained from uniaxial compression and tensile tests on cylindrical concrete specimens after 28 days of water curing and further 32 days of wet curing at 75°C). The COMSOL embedded Richards equation module was used to simulate hydraulic analysis. Structural loading due to waste disposal was applied at the bottom of the silo structure and the damage evolution characteristics were investigated. The non-linear mechanical rock behavior obtained from laboratory tests (Hoek-Brown criterion, resonant column test, Mazar’s damage model) and field tests (Goodman Jack) were input to assess the effects of different rock damage models. The results highlight the importance of structural damage consideration when assessing the long-term stability and safety of underground radioactive waste disposal structures under coupled hydro-mechanical conditions.

Seismic demand on nonstructural components (NSCs) is highly dependent on the coupled behavior of a combined supporting structure- NSC system. Because of the inherent complexities of the problem, many of the affecting factors are inevitably neglected or simplified based on engineering judgments in current seismic design codes. However, a systematic analysis of the key affecting factors should establish reasonable seismic design provisions for NSCs. In this study, an idealized 2-DOF model simulating the coupled structure-NSC system was constructed to analyze the parameters that affect the response of NSCs comprehensively. The analyses were conducted to evaluate the effects of structure-NSC mass ratio, structure, and NSC nonlinearities on the peak component acceleration. Also, the appropriateness of component ductility factor (R p) given by current codes was discussed based on the required ductility capacity of NSCs. It was observed that the responses of NSCs on the coupled system were significantly affected by the mass ratio, resulting in lower accelerations than the floor spectrum-based response, which neglected the interaction effects. Also, the component amplification factor (a p) in current provisions tended to underestimate the dynamic amplification of NSCs with a mass ratio of less than 15%. The nonlinearity of NSCs decreased the component responses. In some cases, the code-specified R p caused nonlinear deformation far beyond the ductility capacity of NSCs, and a practically unacceptable level of ductility was required for short-period NSCs to achieve the assigned amount of response reduction.

본 논문에서는 CAD 시스템에서 사용하는 NURBS 기저함수를 사용하는 아이소-지오메트릭 해석(Isogeometric analysis) 방법과 기 하학적으로 엄밀한 빔 모델링(geometrically exact beam model)을 활용하여 회전과 병진 운동이 결합된 새로운 형태의 메타물질 (metamaterial)에 대한 해석을 진행하였다. 이차원 셀 구조는 자유형상변환(Free-form deformation) 법과 적절한 내삽법(Interpolation) 을 통해 원통 위에 입혀졌다. 원통의 치수와 셀 개수가 비틀림 각도에 미치는 영향이 매개변수 연구(parametric study)를 통해 확인되었 다. 비틀림과 병진 운동이 결합된 구조의 메커니즘에 대해 수치 예제를 통해 알아보았다.

In this analysis, the analytical model was verified through the normal mode analysis of the piston for the 2.9 liter IDI (indirect injection) engine. Heat transfer analysis was carried out by selecting two cases of applied temperature using the validated model. The first case was a condition of 350℃ on the piston upper surface and 100℃ on the piston body and inner wall. In the second case, the conditions were set to give a temperature of 400℃ on the upper surface of the piston and 100℃ on the piston body and the inner wall. In addition, the temperature distribution due to heat transfer was obtained for the pistons with boundary conditions of two cases, and then the thermal stress distribution due to thermal expansion was obtained using the input. Using this analysis result, the thermal stress caused by thermal expansion due to the thermal conduction of the piston is examined and used as the basic data for design.

본 논문에서는 Coupled Eulerian-Lagrangian(CEL) 기법을 이용하여 인공섬 형식의 방호공을 구성하는 수중사면에 선박이 충돌하 는 경우 발생하는 선박의 선수와 지반의 거동에 대한 매개변수 해석을 수행하였다. 고려된 매개변수는 선수의 경우 선수각, 스템각, 충돌위치 그리고 충돌속도이며, 지반의 조건으로 사면의 기울기, 지반과 선박의 마찰계수 그리고 지반의 강도이다. 선수의 거동으로 부터 소산된 충돌력과 운동에너지를 각 매개변수에 대해 산정하고, 이를 지반의 변형과 연계하여 에너지 소산기구의 거동을 파악하였다. 충돌력을 변위의 지수함수로 가정하고 매개변수의 영향을 검토하였다. 그 결과 지수함수의 계수는 사면의 경사와 선박과의 마찰계수에만 영향을 받는 결과를 얻었다. 이 관계로부터 소산되는 충돌에너지를 타당하게 산정할 수 있었다. 충돌 시 선수에 의해 밀려난 원지반의 부피와 소산된 충돌에너지는 비례하는 관계로 나타낼 수 있다는 것을 보였고, 이 관계는 선박의 형상보다는 선박과 사면 의 마찰계수와 지반의 강도에 영향을 받는 것으로 나타났다.

본 논문에서는 인공섬 형식의 방호공을 구성하는 수중사면에 선박이 충돌하는 경우 발생하는 선박과 지반의 거동을 해석하기 위한 모델을 Coupled Eulerian-Lagrangian(CEL) 기법을 이용하여 구성하였다. 충돌에서 발생하는 지반의 전단파괴를 포함하는 대변형을 고려하기 위하여 지반과 해수는 Eulerian 영역으로 구성하고 충돌체를 Lagrangian 영역으로 구성되었다. 해석의 효율성을 향상시키기 위해서 mass scali기법을 충돌체의 모델링에 도입하였으며, 지반은 Eulerian영역에서 Eulerian Volume Fraction(EVF)값을 설정하여 구성하였다. 작성된 모델의 적용성을 검증하기 위하여 동적관입앵커에 대한 해석을 수행하였다. 또한 컨테이너선의 외부형상에 따라 고체요소로 모델링된 선수가 수중사면에 충돌하는 경우의 해석을 수행하고, 그 때 발생하는 변위, 속도, 소산에너지 등의 거동을 평가 하였다. 그 결과로 매개변수해석에 대한 추가적인 연구 필요성이 도출되었다.

유한요소법(finite element method)은 다양한 분야에서 재료의 역학적 거동을 더욱더 현실적으로 해석하고 예측하는 방법으로 다양한 분야의 제품 개발에 적용되고 있다. 하지만 섬유배향과 변형률 속도가 역학적 특성에 영향을 미치는 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료에 관한 수치해석을 이용한 접근 방법은 현재까지 다소 어려움이 있다. 본 연구의 목적은 고분자, 고무, 금속 등과 같은 다양한 복합재료를 위한 선형, 비선형 다중스케일 재료 모델링 프로그램인 Digimat의 수치해석 재료 모델을 활용하여 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료의 역학적 특성을 정의하고 검증하는 것에 있다. 또한 이를 통해 좀더 현실 적으로 고분자 복합재료의 거동을 예측하고자 한다. 이를 위해 다양한 고분자 중 30wt%의 단섬유 질량 비율을 갖는 폴리부 틸렌 텔레프탈레이트(polybutylene terephthalate, PBT)의 섬유배향과 변형률 속도에 따른 인장 특성을 참고문헌을 통해 조사하였다. 또한 Moldflow 프로그램을 사용한 사출해석을 통해 유리섬유 배향 정보를 계산하였으며 이를 매핑(mapping) 과 정을 통해 유한요소 인장 시편 모델에 전달하였다. 대표적인 유한요소 상용 프로그램 중 하나인 LS-DYNA는 유리섬유 배향과 변형률 속도에 따른 복합재료의 인장 특성을 연구하기 위해 Digimat과의 연성해석(coupled analysis)에 활용되었다. 그리고 유리섬유 강화 플라스틱 복합재료를 해석하기 위한 LS-DYNA의 다양한 비등방성(anisotropic) 재료 모델들의 장단점을 서로 비교하고 평가하였다.

The results of gas chromatography–mass spectrometry (GC–MS) demonstrate that the volatiles captured by diamond grown by chemical vapour deposition (CVD) technology contain hydrocarbons and their derivatives (72.2 rel. %). We have identified aliphatic (paraffins and olefins), cyclic (naphthenes and arenes) and oxygenated (alcohols, aldehydes, ketones and carboxylic acids) hydrocarbons, as well as nitrogenated and sulfonated compounds. Water, negligible amounts of CO2 and Ar were also detected among the volatile components.

고준위방사성폐기물의 처분터널 및 처분공 간격을 결정하고 처분시스템의 성능을 평가하기 위해서는 열-수리-역학적인 복합 거동 변화에 대한 이해가 반드시 필요하고 이를 반영하여 해석해야만 한다. 하지만 한국형 기준 처분시스템에서의 처분 터널 및 처분공 간격을 결정하기 위해 수행된 기존의 연구들은 이러한 복합거동 특성을 반영하지 않고 열 해석 결과만을 근거로 처분시스템을 설계하였다. 따라서 본 연구에서는 열-수리-역학적인 복합거동 특성을 반영하여 한국형 기준 처분시스템의 성능을 TOUGH2-MP/FLAC3D를 이용하여 평가하였다. 고준위방사성폐기물이 처분된 이후 방사성 붕괴열에 의해 처분 시스템의 온도는 급격히 증가하다가 붕괴열의 감소로 온도는 서서히 감소하였으며, 해석 기간 1,000년 동안 벤토나이트 완충재의 최고 온도는 설계 기준인 100℃ 이하로 유지되는 것으로 나타났다. 처분용기와 벤토나이트 완충재의 계면에서의 최고 온도는 약 3.21년이 지난 시점에 용기의 중간 지점에서 약 96.2℃로 나타났으며, 암반에서의 최고 온도는 폐쇄 후 약 17년 이 지난 시점에서 약 68.2℃로 계산되었다. 처분용기 부근 벤토나이트 완충재는 처분 초기에 온도 변화에 따른 건조현상이 발생하여 포화도가 감소하지만, 시간이 지남에 따라 주변 암반으로부터의 지하수 유입에 의해 포화도가 증가하는 것으로 계 산되었다. 이후, 벤토나이트 완충재 및 뒷채움재 모두 약 266년 이후 완전히 포화되는 것으로 계산되었다. 처분시스템에서의 온도 변화에 따른 열응력 그리고 벤토나이트 완충재 및 뒷채움재의 팽윤압으로 인한 응력 변화가 처분장 주변 암반에 미치는 영향을 평가하고자 수치해석에서 계산된 응력을 스폴링 강도(spalling strength)와 Mohr-coulomb 파괴 기준식과 비교 하였다. 계산 결과 일축압축강도와 스폴링 강도에 도달하지 않는 것으로 나타나 처분시스템이 스폴링에 의한 파괴는 나타나지 않을 것으로 판단되며, Mohr-coulomb 파괴 기준 역시 충족하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 사용된 수치해석 코드와 방법론은 다양한 조건에서의 한국형 기준 처분시스템에 대한 성능평가뿐만 아니라, 복층 처분시스템에 대한 설계와 성능평가에 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

고준위방사성폐기물 처분시스템에서는 방사성 핵종의 붕괴열과 암반으로부터의 지하수 유입으로 열응력 및 팽윤압의 발생으로 열-수리-역학적 복합거동(coupled thermo-hydro-mechanical behavior)이 예상되기 때문에 한국원자력연구원은 처분시스템 및 근계암반에서의 열-수리-역학적인 복합거동 특성을 평가하기 위해서 지하처분연구시설(KAERI Underground Research Tunnel, KURT)에서 2016년부터 현장시험(In-situ Demonstration of Engineered Barrier System, In-DEBS)을 수행 중에 있다. 본 연구에서는 In-DEBS 현장시험 데이터 분석하고 벤토나이트 완충재와 화강암반에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 평가하기 위해 TOUGH2-MP/FLAC3D을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 또한 벤토나이트 블록과 KURT 화강암의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 평가하기 위해 사용된 각각의 열, 수리, 그리고 역학적 모델의 적합성을 평가하고 자 현장시험에서 계측된 온도, 상대습도, 그리고 변위의 결과와 수치해석으로 계산된 결과를 비교하였다. 온도와 상대습도의 계산 결과를 현장 데이터와 비교·분석한 결과, 전체적으로 유사한 경향을 보일 뿐만 아니라 시간에 따라 변화하는 정량적인 값 역시 유사하게 나타났다. 역학적 해석 결과를 살펴보면, 계산된 변위의 전반적인 경향은 유사하지만 해석 결과가 계측 값에 비해 상대적으로 작게 나타났다. 축대칭 모델을 이용하여 In-DEBS 현장시험에서 관측된 열-수리-역학적 복합거동 특성을 전반적으로 평가할 수 있었지만, 벤토나이트 블록 및 KURT 암반에서의 열-수리-역학적 복합거동을 면밀히 살펴보기 위해서는 추후 터널의 형상과 주변 KURT 터널의 영향을 반영한 3차원 해석이 필요할 것으로 판단된다. 본 연구에서 사용된 입력 물성과 열-수리-역학적 모델은 추후 In-DEBS 장기 거동 및 처분시스템에서의 열-수리-역학적 복합거동 특성을 평가하고 예측하는데 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

본 논문에서는 브리징 스케일 분해를 기반으로 멀티스케일 문제에 대한 설계민감도 해석법을 개발하였다. 나노 기술의 급속한 발전으로 인해 나노 수준의 해석의 필요성이 지속적으로 증가하고 있다. 최근 분자동역학과 연속체역학의 연성문제에서 많은 해석 방법들이 개발되었다. 본 논문에서는 연성시스템 해석을 위해 브리징 스케일 기법을 사용한다. 전체 영역의 분자동역학 시스템의 해석은 많은 양의 계산 비용이 들기때문에 분자동역학과 연속체 시뮬레이션의 연성시스템을 선호한다. 분자동역학과 연속체 수준 사이의 정보 교환은 분자동역학과 연속체의 경계에서 일어난다. 브리징 스케일 법에서 일반화된 랑지벵 방정식은 축소된 영역의 분자동역학 시스템 해석을 위하여 요구되고, 시간이력 커널을 사용하여 구한 GLE 힘은 분자동역학 시스템에서 경계에 있는 원자들에 작용한다. 그러므로 분자동역학과 연속체 수준의 시뮬레이션을 분리해서 해석할 수 있으며 계산 과정을 가속시킬 수 있다. 연성문제의 시뮬레이션 이후에는 설계의 최적화를 위해 설계민감도 해석의 필요성이 자연스럽게 나타나며 전체 시스템의 성능은 나노 스케일의 효과를 고려해서 최적화된다. 설계구배 기반 최적화에서 설계민감도가 요구되지만 유한차분법으로 구한 민감도는 문제가 대형화될 때 계산비용의 제한때문에 비실용적이나 해석적 설계민감도는 효율적인 강점을 갖는다. 본 연구에서는 연성된 분자동역학-연속체 멀티스케일 문제에서 해석적 설계민감도를 유도하여 정확성과 향후 최적설계로의 활용 가능성을 확인하였다.