선체구조 부재에는 이중저의 거더 및 늑판등에서 유공을 가진 판이 많이 사용되고 있는데, 이는 중량 경감, 사람 및 화물의 이동, 배관 등의 목적이다. 보통은 강도상 큰 문제가 없는 부위에 위치하지만, 매로는 불가피하게 높은 응력이 작용하는 부위에 설치해야 할 경우가 있다. 이러한 판에 유공의 존재는 면내 하중에 의한 탄성좌굴강도 및 최종강도에 큰 영향을 주게 된다. 따라서, 유공판의 탄성좌굴강도 및 최종강도 평가는 선박의 초기 구조설계단계에서 구조부재 치수를 결정할 매, 검토해야 할 중요한 설계기준 중의 한가지가 된다. 그러므로, 유공판에 대한 합리적이고 신뢰적인 탄성좌굴강도 및 최종강도 설계식이 필요하게 되었다. 본 연구에서는 다양한 종횡비와 유공의 치수비 그리고 세장비의 영향을 고려하여 탄소성대변형 유한요소법을 근간으로 한 해석코드인 ANSYS(7.1)를 사용하여 시리즈해석을 수행하였다.
선체구조 부재에는 이중저의 거더 및 늑판등에서 유공을 가진 판이 많이 사용되고 있는데, 이는 중량 경감, 사람 및 화물의 이동, 배관 등의 목적이다. 보통은 강도상 큰 문제가 없는 부위에 위치하지만, 매로는 불가피하게 높은 응력이 작용하는 부위에 설치해야 할 경우가 있다. 이러한 판에 유공의 존재는 면내 하중에 의한 탄성좌굴강도 및 최종강도에 큰 영향을 주게 된다. 따라서, 유공판의 탄성좌굴강도 및 최종강도 평가는 선박의 초기 구조설계단계에서 구조부재 치수를 결정할 매, 검토해야 할 중요한 설계기준 중의 한가지가 된다. 그러므로, 유공판에 대한 합리적이고 신뢰적인 탄성좌굴강도 및 최종강도 설계식이 필요하게 되었다. 본 연구에서는 다양한 종횡비와 유공의 치수비 그리고 세장비의 영향을 고려하여 탄소성대변형 유한요소법을 근간으로 한 해석코드인 ANSYS(7.1)를 사용하여 시리즈해석을 수행하였다.
Plate has cutout inner bottom and girder and Door etc. in hull construction absence is used much, and this is strength in case must be situated, but establish in region that high stress interacts sometimes fatally in region that there is no big problem usually by purpose of weight reduction, a perso...
Plate has cutout inner bottom and girder and Door etc. in hull construction absence is used much, and this is strength in case must be situated, but establish in region that high stress interacts sometimes fatally in region that there is no big problem usually by purpose of weight reduction, a person and freight movement, piping etc.. Because cutout‘s existence is positioning in this place, and, elastic bucking strength by load causes large effect in ultimate strength. Therefore, perforated plate elastic bucking strength and ultimate strength is one of important design criteria to decide structural elements size at early structure design step of a ship. Therefore, we need reasonable & reliable design formula for elastic bucking strength of the perforated plate. The author computed numerically ultimate strength change about several aspect ratios, cutout dimension, and plate thickness by using ANSYS Finite element analysis code based on finite element method in this paper.
Plate has cutout inner bottom and girder and Door etc. in hull construction absence is used much, and this is strength in case must be situated, but establish in region that high stress interacts sometimes fatally in region that there is no big problem usually by purpose of weight reduction, a person and freight movement, piping etc.. Because cutout‘s existence is positioning in this place, and, elastic bucking strength by load causes large effect in ultimate strength. Therefore, perforated plate elastic bucking strength and ultimate strength is one of important design criteria to decide structural elements size at early structure design step of a ship. Therefore, we need reasonable & reliable design formula for elastic bucking strength of the perforated plate. The author computed numerically ultimate strength change about several aspect ratios, cutout dimension, and plate thickness by using ANSYS Finite element analysis code based on finite element method in this paper.
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문제 정의
또한 개공(Openning)의 형태와 위치등도 제한적인 결과들로서 실제 사용상에는 다소 어려움이 있다. 따라서, 본 연구에서는 종횡비, 세장비 그리고 유공의 크기를 변화시켜가며 최종강도를 계산하고, 이를 바탕으로 유공판의 최종강도에 관한 설계식을 도출하여, 기존의 선급에서 제시하고 있는 좌굴강도와의 비교를 통하여 본 설계식의 유용성을 검증하였다.
가설 설정
전자의 경우는 선저형 웹 혹은 만재시의 선측수압에 의한 압축하중을 받는 플로어 부재에 해당된다. 한편 후자는 이중 저의 웹 혹은 플로어재에서 위로부터는 화물중량, 아래에서는 선저수압을 받고 있는 상태를 가정하였다. 판재에 존재하는 초기변형은 다음식 (1)을 이용하였다.
제안 방법
(4) 최종강도를 기준으로 한 개공영향계수값을 통하여 설계 식을 도출하였다.
3, 항복응력 ("= 352.8MPa, 판폭(b)을 840mm로 일정하게 유지하고, 판 길이 (a)는 840, 1680, 2520, 3360, 4200, 5040mm와 판 두께(t)는 10, 12, 15, 20mm까지 변화시켰다. 하중성분은 판 길이 방향 압축하중과 판 폭방향 일축압축하중을 대상으로 하였다.
선박에 많이 사용되고 있다. 본 논문에서는 선박에 실제 사용되는 모델을 기준으로 종횡비, 세장비, 유공비의 크기를 고려하여 고유치해석과 탄소성대변형 유한요소 해석을 통해 종, 횡방향 압축하중에 대한 설계식을 도출하고, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 중앙에 원공을 가진 유공판을 대상으로 유공 판의 유공 크기, 종횡비 및 두께를 변화시켜가며 탄소성 대변형 유한요소 시리즈해석을 수행하였으며, Fig.2에 사용된 유한 요소 모델을 나타내고 있다. 사용된 재료의 물성치는 다음과 같다.
본 연구에서는 단일압축하중이 작용할 경우에 대해서 설계 식을 도출하였다. 판에 대한 유공의 영향을 나타내기 위하여 유공판에 대해서 고유치탄성좌굴 시리즈 해석을 수행하여 무공 판에 대한 좌굴감쇄계수를 도입하였으며, 이 결과를 바탕으로 하여 Curve fitting 을 이용하여 유공에 의한 판의 탄성 좌굴 감쇄계수에 대한 설계식을 도출하였다.
유공의 크기비는 0.0, 0.2, 0.4, 0.6, 0.8에 대해서 해석을 수행하였으며, 종횡비와 세장비의 영향을 고려하기 위해 종, 횡방향 압축하중이 작용할 경우 각각 두께 10mm에 대해서 종횡비 1.0~6.0까지, 15mm 에 대해서는 종횡비 3.0, 20mm는 종횡비 1.0, 3.0, 5.0에 대해서 각각 계산을 수행하였다.
종횡비, 유공의 크기, 세장비를 변화시켜가며 범용 유한요소프로그램인 ANSYS를 사용하여 종방향 압축하중이 작용하는 유공 판에 대한 최종강도 시리즈해석을 통하여 설계식을 도출하였다. 유공의 크기비는 0.
12와 Fi&13은 횡방향 압축하증이 작용하는 유공 판에 대하여 종횡비 l<a/b<3 구간과 3<a/b<6 구간으로 나누어서 종횡비와 유공비를 고려한 설계식을 도출하고 있다. 종횡비가 3.0이상에서는 유공감쇄비 분포의 차이가 미비하여 Figl3에서 보는것과 같이 1차식으로 간단히 curve fitting하여 설계 식을 도출하였다.
종횡비와 세장비의 영향을 고려하기 위해서 두께 15mm에 대해서는 종횡비 3.0, 두께 20mm에서는 종횡비 1.0, 3.0, 5.0에 대해서 각각 계산을 수행하였다. Fig.
본 연구에서는 단일압축하중이 작용할 경우에 대해서 설계 식을 도출하였다. 판에 대한 유공의 영향을 나타내기 위하여 유공판에 대해서 고유치탄성좌굴 시리즈 해석을 수행하여 무공 판에 대한 좌굴감쇄계수를 도입하였으며, 이 결과를 바탕으로 하여 Curve fitting 을 이용하여 유공에 의한 판의 탄성 좌굴 감쇄계수에 대한 설계식을 도출하였다. Fig.
대상 데이터
Fig.l은 본 연구에 사용된 컨테이너선박(4500TEU)의 이중저구조의 배치도를 나타내고 있다. 현장에서 설계되고 있는 유공의 형상은 사각형, 타원형, 정원형이 주를 이루고 있으며 이미 유공의 형상에 대한 최종강도 해석을 통하여 유공 형상에 의한 최종깅도 거동의 차이는 미비하며, 유공비가 가장 큰 설계 변수라는 결과를 확인한 바가 있다(박, 2004).
8MPa, 판폭(b)을 840mm로 일정하게 유지하고, 판 길이 (a)는 840, 1680, 2520, 3360, 4200, 5040mm와 판 두께(t)는 10, 12, 15, 20mm까지 변화시켰다. 하중성분은 판 길이 방향 압축하중과 판 폭방향 일축압축하중을 대상으로 하였다. 전자의 경우는 선저형 웹 혹은 만재시의 선측수압에 의한 압축하중을 받는 플로어 부재에 해당된다.
이론/모형
이러한 이상화는 실제로 많이 사용되어지고 있으며, 다소 보수적이지만 충분히 합리적인 결과를 준다고 알려져 있다. 비선형 좌굴해석기법으로서는 Arc-length method를 사용하여 최종강도 이후의 거동을 파악하는 데 있어서 정확성을 기하였다.
실제 각 선급에서 사용하고 있는 존슨-오스텐필드 소성 수정 식을 사용하여 임계좌굴강도를 구한 값과 본 연구에서 구한 최종강도 값의. 비교를 나타내었다.
성능/효과
(1) 종방향 압축하중만을 고려할 경우, 종횡비 함수가 최종강도에 미치는 영향은 작다. 그러나, 횡방향 압축 하중 조건에서는 종횡비가 증가함에 따라 최종강도가 크게 감소한다.
(2) 종방향, 횡방향 압축하중만을 고려할 경우, 세장비의 영향은 무시할 정도로 적게 나왔다.
(5) 존슨-오스텐필드 소성 수정식을 사용하여 좌굴 강도를 평가할 경우 상당한 문제점이 발생할 수 있으며, 실용적이고, 신뢰적인 구조강도 평가를 위해서는 최종강도를 기반으로 한강도 평가가 이루어져야 한다.
15에서는 후판 판두께인 20mm가 되면서 선급에서 제시하는 임계좌굴강도 값이 최종강도 값을 상회하고 있으며, 이는 구조설계시 상당한 오류를 범할 수 있음을 암시하고 있다. 또한 존슨-오스텐필드의 소성 수정식의 정도성에도 상당한 문제점을 안고 있음을 알 수가 있다.
본 연구에서 사용한 종횡비는 1.0-6.0까지이며, 각 종횡비마다 5가지의 유공비에 따라서 종합적인 시리즈해석을 한 결과, 각 선급에서 사용하고 있는 존슨-오스텐필드 소성 수정 식은 세장비가 낮아지면 종횡비에 따라서 최종강도 값보다 높은 값을 나타내는 오류가 나타났다. 따라서, 좀더 실용적이고 신뢰성 있는 설계를 하기 위해서는 최종강도를 기반으로 한 설계(侦timate Strength Limit State Design)^} 필요하다.
0이상임을 고려한다면 실용상 문제되지 않는다. 유공판에서 횡방향 압축 하중이 작용할 때 유공비에 따른 최종강도 거동을 살펴보면 종횡비가 커지고 유공비가 증가함에 따라 최종강도 감소는 크게 차이를 보이며, 종횡비가 증가할수록 감소량은 적어지는 경향을 나타낸다.
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