Blast simulations have been widely utilized, not only serving as a cost-effective alternative to blast experiments but also providing observability of blast wave propagation over time. However, past studies typically assumed a spherical explosive in static, neglecting the real shape and dynamic conditions of explosives. In this study, numerical simulations of free-air blasts are conducted using cylindrical explosives of various dynamic loads and angles, with a focus on measuring the blast pressure under dynamic conditions. The three-dimensional Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE) method is employed to calculate blast wave propagation in the air domain. To verify the accuracy of the numerical model, the blast pressure from the numerical results is compared with experimental results, and a formula is proposed to calculate the optimal mesh size considering the accuracy and time efficiency of the results based on the weight of the explosive. The simulation results indicate that the effects of the dynamic condition of the charge decrease as the distance between the explosive and the pressure measurement point increases. The effects of the angle conditions varied depending on the measurement point. At the rotated sides, the effect diminished with increasing distance, while the angle conditions had a more dominant effect at the opposite points. Additionally, this study investigates the damage patterns of simple structures in response to high-weight explosives through blast numerical analysis. The findings of this study can enhance the fundamental understanding of the relationship between velocity and angle of charge under dynamic loads.
폭발현상의 이해를 위한 수치해석적 접근은 폭발실험의 위험성 및 결과의 불안정성을 감소시키며 미소시간 단위에서의 충격파 전파 과정을 재현할 수 있어 폭발 연구 분야에서 많은 관심을 받고 있다. 그러나 기존의 폭발 수치해석 연구들은 화약을 구 형상의 정적조건에 한해서 주로 수행되었기 때문에 실제 미사일과 같은 화약의 충격파의 전파 양상 및 압력 분포를 모사하는데 제한점이 존재하였다. 이에 본 연구에서는 현대 공격무기에 주로 쓰이는 원통형 화약에 대하여 중량, 낙하속도, 낙하각도 등 다양한 폭발의 동적조건을 모사할 수 있는 3차원 Arbitrary Lagrangian-Eulerian (ALE)기반 폭발 수치해석 모델을 개발하였다. 해석 모델의 정확성은 경험식과 최대 초과압력의 관점에서 검증하였다. 또한 넓은 범위의 화약 중량에 대하여 해석 결과의 정확도와 시간 효율을 고려한 최적 격자망 크기 계산식을 제안하였다. 해석 결과에 따르면 화약의 낙하속도는 최대 초과압력을 증가시키지만 폭발원으로부터 멀어질수록 그 영향이 줄어들며 낙하각도의 경우 지면에 닿는 폭발 충격파의 형상에 영향을 미치기 때문에 원거리에서도 최대 초과압력에 영향을 주는 것으로 확인되었다. 또한 각 동적조건의 영향이 감소하는 지표로 기준환산거리를 제시하였다. 개발된 해석 모델을 활용하여 고중량 화약에 대한 철근 콘크리트 벽체 구조물의 폭발거동 및 손상패턴을 조사하였다. 본 연구는 화약의 중량, 낙하속도, 낙하각도 및 측정 거리 간의 관계에 대한 기본적인 이해를 증진할 수 있을 것으로 사료된다.
