[논문]함정용 배전반의 피로강도 향상을 위한 프레임 브래킷의 최적설계

김명현; 최재영; 강성원; 정지영

doi:10.3744/snak.2006.43.2.206

문제 정의

다양한 치수와 형상의 브래킷 및 구조 보강재를 포함한 실제시험을 모두 수행하기는 용이하지 않으므로 상용 유한요소 해석 프로그램으로 모델링하여 균열 및 손상의 주요 발생 부위인 브래킷의 기하학적 형상을 변화시킴으로써 응력집중을 완화시키고 이에 따른 피로강도의 향상을 목표로 하였다. 이를 위해 배전반의 구성유닛을 1m×1m의 단순화된 프레임으로 모델링하고 기존에 사용되고 있는 브래킷의 형상을 Junkichi et al.
따라서 본 연구에서는 선박용 전장 패널에 있어 응력이 집중되는 기하학적 불연속부 및 용접부에 있어서 최적 브래킷 형상 도출을 위한 피로수명 특성을 파악하기 위해 함정용 탑재 장비 중 배전반을 구성하고 있는 박판 용접부의 기하학적인 형상 변화를 통해 최적화된 형상을 찾아내고, 이를 바탕으로 피로강도 시험 및 평가를 실시하여 함정용 배전반의 내잔내충격 성능 향상을 위한 내진·내충격 성능 고도화에 활용할 수 있는 해석·설계 기술을 확보하고자 한다.
함정용 배전반의 내잔내충격 성능 향상을 위해 배전반을 구성하는 보강재의 구조적 최적 형상을 도출하고 또한 주요 손상부인 용접부에서의 거동 파악 및 피로파괴 가능성을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

이를 위해 배전반의 구성유닛을 1m×1m의 단순화된 프레임으로 모델링하고 기존에 사용되고 있는 브래킷의 형상을 Junkichi et al.(1991) 논문에서 제시하고 있는 응력집중 완화 모델을 참고로 하여 변화시켰다, 한편, 변화된 각각의 브래킷을 Fig. 2와 같이 프레임의 각 부에 삽입하여 유한요소해석을 수행하여 손상 발생 예상 부위인 응력집중부의 응력을 비교해보았다. 이때 유한요소해석은 상용유한요소 프로그램인 MSC Patran/Nastran 을 사용하였으며, 요소 타입은 shell 4 node를 사용하여 두께와 같은 크기로 요소를 나누었다.
Case 1에서는 필릿 용접의 다리길이 (FW)와 d의 길이를 변화시켜가며 응력집중부에서의 응력의 크기를 살펴보았다, 기하학적 형상만으로 비교하였을 때 필릿 용접부가 들어간 형상이 응력의 집중을 완화시키는 결과를 도출하였다.
Case 2에서는 브래킷 상단의 곡률반경 R을 변화시켜가면서 응력집중부에서의 응력의 크기를 살펴보았다. 결과는 R의 크기가 작을수록, 응력집중이 완화되는 것으로 나타났다.
Case 3에서는 브래킷의 하단지지부로부터 X의 길이를 변화시키면서 길이 변화에 따른 력집중부에서의 응력의 크기를 살펴보았다. 결과는 X의 길이를 길게 할수록 브래킷 끝단 응력집중부의 응력이 점점 완화되는 것으로 나타났다.
7에 나타낸 바와 같이 부착하였다. 먼저 부착된 스트레인 게이지로부터 응력집중부인 용접 토우부로부터의 응력분포를 측정하였다.
모든 형상의 브래킷 중 응력집중부에 가장 큰응력이 발생하는 easel의 No.1 모델을 기준으로하여 브래킷의 형상이 변함에 따른 응력집중부의 응력 감소의 정도를 계산하여 비교하였다.
본 연구에서 피로시험은 외팔보 형식의 굽힘 시험기를 사용하였으며, 이때 피로시험을 위한 변위 제어를 정확히 하기위하여 레이저 변위 센서를 이용하여 시간에 대한 변위를 측정하였다. Fig.
Table 2에 정리하여 나타내었다. 이대 Hot Spot Stress는 각 선급에서 사용하고 있느 방법을 이용하였으며, 용접 비드 형상을 고려한 모델링을 통해 유한요소계산 결과를 바탕으로 브래킷의 끝단으로부터 일정거리(판 두께의 0.5 및 1.5배) 떨어진 위치에서의 응력 값을 외삽하여 구하였다(강성원 등 2005).
2와 같이 프레임의 각 부에 삽입하여 유한요소해석을 수행하여 손상 발생 예상 부위인 응력집중부의 응력을 비교해보았다. 이때 유한요소해석은 상용유한요소 프로그램인 MSC Patran/Nastran 을 사용하였으며, 요소 타입은 shell 4 node를 사용하여 두께와 같은 크기로 요소를 나누었다.
이를 감안하여 Fig. 5의 A와 같이 브래킷에 구멍을 뚫은 모델에 대한 사례연구를 수행해 보았다., 무게경감을 목적으로 하는 구멍의 기의 반경y = 10, 20, 30으로 변화를 주고 해석을 수행했을 때 응력, 변화의 폭은 크지 않은 것으로 나타났다.
이를 기초로 시험편 오른쪽 끝단에 하중을 작용시키고, 경계조건으로 왼쪽 끝단의 변위를 모두 구속하여, 프레임 해석과 같은 조건으로 상용 유한요소 해석 프로그램을 사용하여 사례별 연구를 수행하였다.
프레임을 포함한 유한요소 해석결과를 바탕으로 하여 기존의 브래킷의 형상을 기준으로 최적화된 브래킷의 기하하적 형상을 찾아내기 위한 세부 모델링 및 해석을 수행하였다. 이패 해석에 사용된 브래킷의 형상은 Fig.
피로시험은 정현파를 이용한 변위제어로 실시하였으며, 응력비=1 및 주파수=28㎐ 등의 조건으로 피로시험을 수행하였다. 또한 실제 시험에 사용된 시험기는 외팔보 시험기로 최대진폭 ±1 inch, 최고 주파수 33㎐에서 시험이 가능하며, 실제 피로시험모습을 Fig.
함정용 탑재 장비의 내진성능 요구조건을 만족하기 위해 함정용 배전반을 구성하는 판, 보강재, 부가물의 최적화를 통한 방진설계 기술개발을 위한 시험의 일환으로 MIL-STD-167-1을 적용하여 선박용 배전반 패널에 대하여 실시한 시험 중 일부 브래킷 부위에서 파단된 모습을 Fig. 1에 나타내었다.

대상 데이터

6과 같이 제작하였다. 시험편은 기존에 사용되고 있는 브래킷의 형상을 가진 type A와 유한요소해석을 이용한 일련의 case study를 통해 구해진 최적화된 형상을 갖춘 type D의 시험편을 채택하였다. Table 3에 시험편의 상세 치수를 나타내었다.

데이터처리

각 시험편에 대해 상용 유한요소 해석 프로그램을 이용하여 shell 4 node의 요소로 응력 해석을 수행하였다. Type-A 및 type-D시험편에 대하여유한요소해석을 수행하여 대표적으로 Type-A 시험편의 용접 토우부 끝단에서부터의 응력 변화 값을 실제 측정치와 비교하여 Fig.

이론/모형

이상의 사례연구에서 얻은 결과를 바탕으로 응력집중부의 응력 값을 Hot Spot Stress 법으로 계산하여 Table 2에 정리하여 나타내었다. 이대 Hot Spot Stress는 각 선급에서 사용하고 있느 방법을 이용하였으며, 용접 비드 형상을 고려한 모델링을 통해 유한요소계산 결과를 바탕으로 브래킷의 끝단으로부터 일정거리(판 두께의 0.

성능/효과

(1) 브래킷 및 용접부의 기하학적 형상 변화만으로도 응력집중 완화에 효과가 있다는 결과를 도출하였으며 브래킷 및 용접부의 형상변화를 통해 기존대비 약 21% 응력집중이 완화된 최적화된 브래킷의 형상을 도출하였다.
(2) 응력집중 완화 효과를 얻기 위하여 기하학적 형상의 변화를 가함에 있어 브래킷의 선단부의 길이를 일정길이 이상 늘이는 것은 부재의 과도한 사용을 유발하며 브래킷으로써의 역할을 높이는것은 아니라는 결론을 도출하였다.
(3) 함정용 배전반 용접부에 대하여 일련의 변위 제어 피로시험 결과를 바탕으로 2×10⁶ 사이클을 기준으로 약 20% 피로강도 향상 효과를 달성하였다.
5의 A와 같이 브래킷에 구멍을 뚫은 모델에 대한 사례연구를 수행해 보았다., 무게경감을 목적으로 하는 구멍의 기의 반경y = 10, 20, 30으로 변화를 주고 해석을 수행했을 때 응력, 변화의 폭은 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 브래킷에 구멍이 적용된 모델에 대해서는 본 연구에서 제시하고 있는 최적화 형상 중 곡률반경 R이 포함된 경우 구멍의 적용이 용이하지 않은 점을 감안하여 최적화에서 제외하였다.
Fig. 11과 같이 피로선도로 작성한 결과 2×10⁶ 사이클 기준으로 type-D 시험편의 피로강도는 48.3MPa로나타났으며, 이는 type-A 시험편의 피로강도 40.2MPa에 비하여 약 20% 향상되었음을 알 수 있었다.
응력의 크기를 살펴보았다. 결과는 X의 길이를 길게 할수록 브래킷 끝단 응력집중부의 응력이 점점 완화되는 것으로 나타났다. 하지만 Fig.
이상의 Case 1, 2, 3에서 고찰한 결과를 모두 포함시켜 최적화된 브래킷과 기존의 브래킷의 형상과 응력집중부에서의 응력의 크기를 비교하였을때 기존의 브래킷에서는 52.9MPa, 최적화된 브래킷에서는 41.8MPa의 결과가 나왔으며, 이로부터 약 21%의 응력완화 효과가 기대된다.
피로시험 결과를 바탕으로 Type-A와 type-D 시험편에 대하여 응력범위 (ΔS), 파단수명 (N₁) 사이의 관계를 S-N선도로 나타내었다.

후속연구

(4) 선박용 전장 패널에 있어 응력이 집중되는 기하학적 불연속부 및 용접부에 있어서 최적 브래킷형상 도출을 위한 피로수명 특성을 파악하기 위해 필요한 피로강도 시험 및 평가를 완료하고, 피로시험의 결과와 미 해군의 탑재장비 내진 성능 기준 및 내충격 성능기준을 만족할 수 있는선박용 배전반 보강재의 내잔내충격 성능 고도화에 활용할 수 있는 구조최적설계의 개선안을 마련하는데 보다 지속적이고 다양한 연구가 필요하다고 판단된다.
있다. 선박의 운항에 있어 파랑 및 기관 기진력으로부터 전달되는 지속적인 반복하중에 의해 배전반을 구성하고 있는 일부 부재들의 피로 강도 저하 및 노후화에 따른 파손이 발생할 가능성을 항상 가지고 있으므로 선박의 기능수행에 있어서 중추적인 역할을 담당하고 있는 함정·탑재용 전기·전자 장비 구성 부재의 피로강도 및 신뢰성 향상을 위한 시험평가 및 해석기법에 대한 지속적인 기술개발이 요구된다.

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