파랑충격하중에 의한 선수 구조부의 손상은 주로 충격압력역적과 파랑충격하중이 가한 면적에 의하여 크게 영향을 받는다. 본 연구에서는 세 번째 단계로서 LS/DYNA3D를 이용하여 파랑충격하중에 대한 DWT 300,000급 VLCC의 선수 구조부의 동적 구조해석을 수행하여 검증을 하고자 한다. 극치 6.5MPa, 후부높이 1.0MPa, 지속시간 5.0msec인 파랑충격압력 곡선을 강성이 작은 보강재로 보강된 선수 구조부에는 면적 $1.5s{\times}1.5s$, 대체로 강성이 큰 스트링거 등의 부재로 보강된 경우는 면적 $2.5s{\times}2.5s$에 가한다. 이상의 동적 구조해석을 통하여 넓은 간격의 보강재가 부착된 선수 구조부에는 외판과 보강재에 큰 손상변형이 발생한 것 이외는 고려 중인 유조선의 선수 구조부는 본 연구의 파랑충격하중에 대하여 충분한 강도를 지닌다고 사료된다.
파랑충격하중에 의한 선수 구조부의 손상은 주로 충격압력역적과 파랑충격하중이 가한 면적에 의하여 크게 영향을 받는다. 본 연구에서는 세 번째 단계로서 LS/DYNA3D를 이용하여 파랑충격하중에 대한 DWT 300,000급 VLCC의 선수 구조부의 동적 구조해석을 수행하여 검증을 하고자 한다. 극치 6.5MPa, 후부높이 1.0MPa, 지속시간 5.0msec인 파랑충격압력 곡선을 강성이 작은 보강재로 보강된 선수 구조부에는 면적 $1.5s{\times}1.5s$, 대체로 강성이 큰 스트링거 등의 부재로 보강된 경우는 면적 $2.5s{\times}2.5s$에 가한다. 이상의 동적 구조해석을 통하여 넓은 간격의 보강재가 부착된 선수 구조부에는 외판과 보강재에 큰 손상변형이 발생한 것 이외는 고려 중인 유조선의 선수 구조부는 본 연구의 파랑충격하중에 대하여 충분한 강도를 지닌다고 사료된다.
The damages due to wave impact loads are largely affected by impact pressure impulse and impact load area. The objective of this study is, as the third step, to perform dynamic structural analysis of bow flare structure of 300,000 DWT VLCC using LS/DYNA3D code, and to verify its dynamic structural b...
The damages due to wave impact loads are largely affected by impact pressure impulse and impact load area. The objective of this study is, as the third step, to perform dynamic structural analysis of bow flare structure of 300,000 DWT VLCC using LS/DYNA3D code, and to verify its dynamic structural behaviors. The impact load areas of stiffener space $1.5s{\times}1.5s$ and $2.5s{\times}2.5s$ are applied to bow flare structure part with relatively flexible stiffeners, and with stiff members such as stringers, webs etc., respectively, under the wave impact load with peak height 6.5MPa, tail 1.0MPa, and duration time 5.0msec. Through the dynamic structural analysis in this study, it might be thought that the structural strength of bow flare structure is generally sufficient for these wave impact load and areas, except that large damages were found at bow flare structure area with flexible wide span stiffeners.
The damages due to wave impact loads are largely affected by impact pressure impulse and impact load area. The objective of this study is, as the third step, to perform dynamic structural analysis of bow flare structure of 300,000 DWT VLCC using LS/DYNA3D code, and to verify its dynamic structural behaviors. The impact load areas of stiffener space $1.5s{\times}1.5s$ and $2.5s{\times}2.5s$ are applied to bow flare structure part with relatively flexible stiffeners, and with stiff members such as stringers, webs etc., respectively, under the wave impact load with peak height 6.5MPa, tail 1.0MPa, and duration time 5.0msec. Through the dynamic structural analysis in this study, it might be thought that the structural strength of bow flare structure is generally sufficient for these wave impact load and areas, except that large damages were found at bow flare structure area with flexible wide span stiffeners.
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문제 정의
본 연구에서는 DWT 300, 000급 VLCC 선수구조부의 각 부위에 앞에서 언급한 두 연구에서 추정한 파랑충격하중의 크기와 면적을 가하여 동적 거동해석을 수행하여 검증하고자 한다.
본 연구에서는 선급규정에 의해 이미 건조된 DWT 300, 000급 VLCC의 선수 구조부의 동적 구조해석을 통한 검증을 수행하되, 파랑 충격하중의 크기 및 면적은 앞에서 언급한 관점에서 추정하여 동적 구조거동을 검증을 하고자 한다. 현재진행 중인 연구에서는 기존의 손상 결과들을 비교 검토하여 파랑충격하중의 크기및 면적을 추정하고 선수 구조별 및 부위별 상세 구조거동을 검증한 뒤 설계변경을 통한 구조표준을 정립하고자 한다.
이러한 선수 구조부의 동적 구조해석을 통한 구조검증을 위한 첫 단계로서. 파랑충격압력 (wave impact pressure) 곡선의 특성을 파악하는 것이다. 앞에서 언급하였듯이 이에 대한 이론적인 해나 실측자료가.
현재진행 중인 연구에서는 기존의 손상 결과들을 비교 검토하여 파랑충격하중의 크기및 면적을 추정하고 선수 구조별 및 부위별 상세 구조거동을 검증한 뒤 설계변경을 통한 구조표준을 정립하고자 한다.
가설 설정
5s 정도의 파랑 충격하중 면적을 적용한다. 여기서 보강재 및 스트링 거에서의 손상변형은 1.0mm 내외에서 발생되는 것으로 가정하였다.
제안 방법
6. 보강재 등의 부재치수와 배치가 중요한 요소임으로 고려중인 선수 구조부의 부재 치수의 검증과 내충격에 효율적인 배치를 검토하고, 기존의 손상자료에 의거한 파랑 충격하중의 크기와 면적을 추정하여 상세 구조검증을 수행한 후 설계변경을 통한 구조표준을 정립하고 직접 구조해석 시스템을 구축하여 현장의 실무 설계에 쉽게 적용할 수 있는 시스템을 정립하고자 한다.
부족하므로 충격응답 구조해석에 적합한 수치 시뮬레이션을 이용하여 역으로 여러 가지 형태와 크기의 파랑충격압력 곡선을 선수 구조부에 가하여 동적 거동을 비교 검토하여 추정하는 것도 유용한 방법일 것이다. DWT 300, 000 급 VIQC의 선수 구조부 모델에 LS/DYNA3D 를 이용하여 다음과 같은 파랑충격압력 곡선의 정성적인 특성을 파악하였다[9]: 비교적 짧은 지속시간을 갖는 파랑충격압력 곡선의 일반적인 거동은 충격압력역적 (impact pressure impulse) 에크게 영향을 받으며. 구조물의 최대변형 발생 시간 후에 가한 충격압력역적은 일반적으로 변형 거동에 큰 기여를 못한다.
시의 응력. 변형, 소성 변형률 (plastic strain) 및 흡수에너지 (absorbed energy) 등의 동적 거동을 비교 검토한다. 시뮬레이션 마지막 시간 500.
상갑판과 스트링거 사이의 강성이 큰 L4 ELEV의 중간지점에 충격파랑하중이 면적 2.5s X2.5s에 가해지는 동적 거동해석을 수행한다. 이 경우는 강성이 큰 늑골의 동적 거동에 관심이 있다.
상당한 거리 (4s) 에 떨어져 있는 강성이 큰 두 늑골 L4 ELEV와 L8 ELEV 사이에 대체로 강성이 작은 L59 PLAN 중앙에 충격파랑하중이 면적 1.5sXL5s에 가해지는 동적 거동해석을 수행한다. 이 경우는 유연한 동적 거동을 하는 보강재의 거동에 관심이 있다.
선급규정들과 조선업계에서 선수 구조부의 강성이 작은 보강재를 비롯하여 강성이 큰 스트링 거와 같은 늑골 부재 치수결정 시 파랑충격하중에 의한 손상 허용치를 고려하고 있지 않고 있는 현실을 고려하여. DWT 300.
외판과 늑골에서의 잔류응력이 충분히 탄성 내에 있지만 손상 변형이 발생한 것은 소성변형률의 분포를 파악함으로서 충분히 규명할 수 있었고. 외판과 늑골 및 선수 구조부 전체에 대한 충격 흡수에너지의 시간 이력을 비교함으로서 각 부재에 대한 손상변형의 정도를 규명할 수 있었다. 이러한 정보들은 파랑충격하중에 대한 구조물의 내 충격의 효율적인 설계에 도움이 될 것으로 사료된다.
대상 데이터
FLAT 부분은 고정하였다. 보강재의 플랜지 등도쉘요소를 사용하였으며 약 15,000개의 요소로 구성되어 있다. 파랑충격하중의 특성 및 면적의 추정에 대한 연구[9, 10]에서와 같은 연강의 재료물성치를 사용하고 있으며, 소성변형율 경화 및항복응력의 변형율 속도 의존성을 고려하는 탄소성 재료이다.
성능/효과
늑골 부재에서의 응력 분포는 Fig. 4(a) 및 (b)와 같고 최대 및 잔류응력 역시 L59 PLAN 부위에 377.1 MPa 및 187.9MPa 정도 발생하고 있고, 각각의 경우 외판보다 약 50MPa 정도 크다는 것을 알 수 있다. 외판 및 늑골 부재에서의 최대응력이 발생하고 있는 부위의 유한요소 #3652 및 #1989의 시간에 대한 응력이력은 Fig.
1. 외판과 늑골에 발생한 응력은 최대변형 시정적 항복응력을 초과하지만 잔류변형 시는 충분히 탄성 범위 내에 있다. 늑골 부재에서 발생하는 전단응력도 최대변형 시 충격파랑 하중이 직접 가해지는 부재나 주변 부재 등에 일부 Case의 경우 정적 항복 전단응력을 초과하여 나타나지만 잔류변형 시는 역시 탄성 범위 내에 있다.
2. 외판과 늑골에 발생되는 손상 잔류변형은 L4~L8 ELEV 사이의 외판과 수평 보강재에서 대체적으로 크게 나타나고 있다. 강성이 큰 늑골 부재에 파랑충격하중이 가해졌을 때에도 이 부근의 수평 보강재와 외판에 큰 손상 변형이 발생하는 것을 미루어보아 곡면의 경사가 급한 부위에는 수평보다는 수직 보강재로 보강하는 것이 내 충격에 효율적이라고 생각된다.
3. Case 4를 제외하고는 파랑충격하중이 가해지는 늑골의 중심에서의 손상 변형은 본 연구에서 가정하였던 미소한 손상 허용치와 비슷하게 대체적으로 작았다.
4. 외판과 늑골에서의 잔류응력이 충분히 탄성 내에 있지만 손상 변형이 발생한 것은 소성변형률의 분포를 파악함으로서 충분히 규명할 수 있었고. 외판과 늑골 및 선수 구조부 전체에 대한 충격 흡수에너지의 시간 이력을 비교함으로서 각 부재에 대한 손상변형의 정도를 규명할 수 있었다.
5. 2항에서 언급한 부위의 손상 변형을 제외하고는 고려 중인 유조선의 선수 구조부는 선급 규정 등의 손상 허용치를 고려하지 않는다는 가정 하에서 충격파랑하중에 대체적으로 충분한 구조강도를 지닌다고 사료된다.
10(a)과 (b)는 수평 및 수직 늑골부재에 발생하는 최대 및 잔류변형 시의 전단응력(rxy) 및 전단응력(rzx)의 분포를 보여주고 있다. 수평 최대 전단응력은 L59 PLAN의 중앙부 및 L8 ELEV에 가까운 부위에 176.7MPa, 잔류 전단응력은 L59 PLAN의 양쪽 가장자리에 54.5MPa 정도, 수직 최대 및 잔류 전단응력은 L3 ELEV와 L4 ELEV 부분에 각각 154.8MPa 및 51.3MPa 정도 발생하고 있다. 수평 및 수직 늑골의 최대 전단응력은 정적 항복 전단응력을 약간 초과하지만 잔류 전단응력은 탄성 범위내에 있다.
034MN-m로서 약 27% 정도가 소성변형 등에 의하여 선수 구조부에 흡수되었다. 최대 및 잔류변형 시의 전체 선수 구조부에 대한 외판과 늑골 부재의 흡수에너지 비율은 각각 (44%/56%) 및 (41%/59%)으로서늑골 부재가 외판에 비하여 조금 더 크게 흡수하고 있음을 알 수 있다. Case 4와는 달리 외판과 늑골의 소성변형에 차이가 그리 크지 않다는 것을 알 수 있다.
059MN-m로서 약 65% 정도가 소성변형 등에 의하여 선수 구조부가 흡수한다. 최대 및 잔류변형시의 전체 선수 구조부에 대한 외판과 늑골 부재의 흡수에너지 비율은 각각 (30%/70%) 및 (16%/84%)로서 늑골 부재가 충격 에너지의 대부분을 흡수하고 있음을 알 수 있다.
잔류응력이 모두 탄성 범위 내에 있지만 손상 잔류변형이 발생하는 것은 이러한 소성 변형률이 발생하기 때문이다. 항복응력의 변형율 속도 의존성을 고려하지 않은 경우의 동적 구조해석에 의한 외판과 늑골에서의 최대응력은 각각 237.2MPa과 247.9MPa이고 동적 항복 응력은 각각 328.1 MPa 및 377.1 MPa이므로 최대변형 시의 시간에 대한 변형률( e)은 각각 약 164.2sec-l 및 288.6sec-l가 된다는 것을 알 수 있다.
후속연구
앞에서 언급하였듯이 이에 대한 이론적인 해나 실측자료가. 부족하므로 충격응답 구조해석에 적합한 수치 시뮬레이션을 이용하여 역으로 여러 가지 형태와 크기의 파랑충격압력 곡선을 선수 구조부에 가하여 동적 거동을 비교 검토하여 추정하는 것도 유용한 방법일 것이다. DWT 300, 000 급 VIQC의 선수 구조부 모델에 LS/DYNA3D 를 이용하여 다음과 같은 파랑충격압력 곡선의 정성적인 특성을 파악하였다[9]: 비교적 짧은 지속시간을 갖는 파랑충격압력 곡선의 일반적인 거동은 충격압력역적 (impact pressure impulse) 에크게 영향을 받으며.
외판과 늑골 및 선수 구조부 전체에 대한 충격 흡수에너지의 시간 이력을 비교함으로서 각 부재에 대한 손상변형의 정도를 규명할 수 있었다. 이러한 정보들은 파랑충격하중에 대한 구조물의 내 충격의 효율적인 설계에 도움이 될 것으로 사료된다.
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