Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea ISSN:1229-3059(Print) 2287-2302(Online) 한국전산구조공학회 논문집

본 논문에서는 전자기파에 대한 수치적 파동흡수 경계모델인 Perfectly-Matched-Layer(PML)를 개발하고 PML을 연동시킨 유한요소법에 의해 콘크리트 구조물을 통과하는 마이크로파의 전파거동을 해석하는 수치적 기법을 제시한다. 콘크리트 부재와 공기로 구성된 무한매질을 PML을 경계로 하는 유한영역으로 치환하고, 이 유한영역에서 평면 전자기파에 대한 시간영역 맥스웰방정식의 수치 해를 혼합유한요소법에 의해 계산하였다. 공기로만 이루어진 균일매질의 경우와 콘크리트 구조물이 존재하는 비균일 매질의 경우에 대하여 단일주파수 및 복합주파수를 갖는 마이크로파의 전기장을 계산하였고, 오차분석을 위해 -놈 형태로 표현되는 정해와 수치 해의 상대오차를 정의하여 수치 해의 정확도를 평가하였다. 이 연구는 마이크로파를 이용한 철근콘크리트 구조물의 건전도평가 및 손상평가에 적용될 수 있다.

This paper presents a new formulation for transient simulations of microwave propagation in heterogeneous unbounded domains. In particular, perfectly-matched-layers(PMLs) are introduced to allow for wave absorption at artificial boundaries used to truncate the infinite extent of the physical domains. The development of the electromagnetic PML targets the application to engineering mechanics problems such as structural health monitoring and inverse medium problems. To formulate the PML for plane electromagnetic waves, a complex coordinate transformation is introduced to Maxwell’s equations in the frequency-domain. Then the PML-endowed partial differential equations(PDEs) for transient electromagnetic waves are recovered by the application of the inverse Fourier transform to the frequency-domain equations. A mixed finite element method is employed to solve the time-domain PDEs for electric and magnetic fields in the PML-truncated domain. Numerical results are presented for plane microwaves propagating through concrete structures, and the accuracy of solutions is investigated by a series of error analyses.