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문제 정의
- 2에 확인할 수 있듯이 여러가지 재료로 이루어진 복잡한 형상을 나타내지만 두께 방향의 압축 하중에 주로 기여하는 성분은 Re-enforced Polyurethane Foam (이하 RPUF라 칭함)으로 볼 수 있다. 따라서 본 연구에서는 강도지지 기여재료인 RPUF의 성능을 평가하기 위한 해석기술 검토를 수행하였다.
- 본 연구에서는 멤브레인형 LNG 운반선 방열시스템 동적강도 특성을 분석하기 위한 유한요소해석을 수행하였다. 주요 연구 성과를 아래와 같이 정리한다.
- 있다. 본 연구에서는 표준 재료시험 결과를 이용하여 해석결과 비교를 수행하고 사용한 입력자료의 유용성을 검증하였다.
- 본 연구에서는, LNG 운반선 방열시스템 성능평가에 관련하여 범용 유한요소해석코드를 이용한 표준 해석기술 확립에 대한 기초연구를 수행한다. 적용대상은 멤브레인형 MARK Ⅲ 방열시스템을 대상으로 하며 LS-DYNA3D를 이용한 수치해석 기술의 적용성을 분석하였다.
제안 방법
- RPUF와 Plywood는 입방체 재질이므로 3차원 입체요소를 사용하였으며 Triplex는 매우 얇기 때문에 쉘 (shell)요소를 사용하여 계산하였다.
- ● 동적 유한요소해석을 수행하여, 방열시스템 동적 구조강도 평가 및 내부 응력 특성 평가용 해석기술 가이드를 제시하였다.
- ● 방열시스템 동적응답 분석# 붕괴 강도해석을 통해 응력분포 특성 및 응력전달 특성 평가를 수행하였으며, 시리즈 해석을 바탕으로 역학 특성을 분석하였다.
- 방열시스템에서 발생하는 주요 구조응답들의 대부분은 폴리우레탄 복합체인 RPUF의 거동에 지배적으로 영향을 받으므로, 본 연구에서는 RPUF에대한 성능검증을 집중적으로 수행하였다.
- 방열시스템용 재료로서의 적합성 평가의 일환으로, 제작이 완료된 후에 폴리우레탄 폼의 파손 저항능력 평가를 위해 펀치를 이용한 전단 실험을 수행한다. 즉, 펀치 테스트에 의한 파손 특성을 분석하여 폴리우레탄 폼의 파손 저항 능력을 정량화시켜 제품의 성능지표로 활용한다.
- 본 연구에서는 사용하는 재료별 특성치는, 실험 등에서 얻어진 기본 물성치와 이들을 이용하여 변환한 값들을 최대한 이용하면서 LS-DYNA 3D에서 지원하는 해당 재료에 대한 Option Card기능 사용을 극대화하는 쪽으로 선정하였다.
- 본 연구에서는 상하부 Plywood에 대해서는 Plywood 두께룔 기준으로 하는 8절점 입체요소, RPUF에 대해서는 Plywood와 동일크기 요소, Triplex에 대해서는 해당 두께를 가지며 인접 RPUF와의 Connectivity를 고려한 4절점 쉘(shell) 요소를 적용하였다.
- 즉, 펀치 테스트에 의한 파손 특성을 분석하여 폴리우레탄 폼의 파손 저항 능력을 정량화시켜 제품의 성능지표로 활용한다. 본 절에서는 전술한 해석 기법을 이용하여 전단시험에 대한 해석을 수행하여 해석 기법의 유용성을 분석하였다.
- 선택한 각 위치에서 충격위치로부터 아래쪽으로 9점을 선택하여 각 점에서의 시간별 응력 크기와 응력 이력을 조사하여 충격에 따른 응력 특성을 파악하였다.
- 6 에 나타내었다. 실제 실험을 통하여 관측되는 전단 파괴 발생영역을 정밀하게 표현하기 위하여 전술한 요소 크기보다 적은 요소를 사용한 요소 분할을 수행하였다.
- 전 장에서 검토한 재료 모델링 기법과 유한요소모델링 기법을 이용하여, 방열시스템 전체의 구조 응답 특성 분석을 위한 동적응답해석을 수행하였다.
- 전술한 바와 같이 다양한 검토를 통하여 결정된 표준 해석용 입력 자료에 대한 검증을 RPUF 표준재료시험 결과를 이용하여 수행하였다.
- 자유경계로 하였다. 중량이 21#g 낙하 높이가 200mm인 경우에 대하여 Mastic의 배열개수가 각각 2개와 3개인 방열시스템 내부 각 위치에서의 응력분포 특성을 조사하였다.
- 해석 모델의 경계조건은 하부의 지지 부위를 제외하고 자유경계로 하였다. 중량이 21#g 낙하 높이가 200mm인 경우에 대하여 Mastic의 배열개수가 각각 2개와 3개인 방열시스템 내부 각 위치에서의 응력분포 특성을 조사하였다.
- 해석에서 얻어진 파단형상과 실험에서 얻어진 파단 형상을 비교하였다(Fig. 3참조).
대상 데이터
- 본 연구에서 수행한 강도평가용 유한요소해석대상, 즉 멤브레인형 MARK Ⅲ 방열시스템 및 해석대상을 Fig. 1에 나타낸다. Fig.
- 응력분포 특성분석에 사용한 기준위치로, Mastic 배열 위치, Mastic과 Mastic 사이 및 자유 경계 3곳을 선택하였다(Fig 10 참조).
- 수행한다. 적용대상은 멤브레인형 MARK Ⅲ 방열시스템을 대상으로 하며 LS-DYNA3D를 이용한 수치해석 기술의 적용성을 분석하였다.
- 9에 전체 방열시스템 해석모델을 보여주고 있다. 해석에 사용한 총 요소 수는 약 37, 000개이며, 최대한 정방형의 형태를 유지하도록 하였으며, 자유낙하 충격실험을 수행한 결과와 동일하게 Mastic 배치를 각각 2개 및 3개로 설정하였다.
이론/모형
- 구성 재료인 Plywood는 평면상으로는 등방성, 두께방향의 성분은 평면방향 성분과 다른 이방성 재료 모델을 사용하였고, RPUF는 3차원 각 방향별로 서로 다른 성질을 갖는 이방성 모델을 사용하였다 (Table 1 참조).
성능/효과
- 16에 자유경계에서의 응력 특성을 나타낸다. Mastic 위치와 비교적 가까운 이유로 전반적인 응력 특성은 Mastic 상부 조건과 유사하지만, 최대응력 발생 위치 및 크기는 약간 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
- 이는 On-M&stic과는 반대되는 경우이며, 응력이 간섭받지 않고 Mastic 사이의 자유 스팬을 통해 빠져 나갈 수 있기 때문이라고 분석되어진다. 또한, 상부 하부 RPUF의 계면, 즉 Triplex의 위치무근의 응력은(Fig. 10의 D 점), Mastic 2개 및 3개의 경우가 서로 다른 경향을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는, 요소 크기의 결정에 관하여 요소 크기 변화를 통한 해의 수렴성 평가를 수행하였고, 최종적으로 선정한 것은 입체 요소의 경우 요소 길이 5~ 10mm 수준의 정방형 요소가 가장 적당하다는 것을 확인하였다. 방열시스템을 입체요소로서 모델링 할 경우에 상기 요소크기는 Plywood의 두께 수준에 해당되며, 이보다 작은 기로 모델링을 수행할 경우, 적층판 형태의 구조를 갖는 Plywood에 있어 각 층별 세부 모델링이 또 다른 문제로서 작용할 수 있다.
- 본 해석에서 사용한 해석기법은 인장 및 압축 문제에서 표준적인 해석기법으로서의 유용성이 검증된 모델이지만, 본 절의 경우와 같이 전단이 지배적인 파손모드를 다루기에는 다소 미흡한 점이 존재한다고 판단된다.
- 세 종류의 응력 평가위치를 대상으로 내부의 응력을 분석해 본 결과, 일률적으로 정의하가 어려운 부분들이 많이 존재하며, 이는 재료 모델의 비선형성과 해석 대상 구조물의 복잡함이 가장 큰원인으로 보여 지고, 작용하중 역시 동적 비선형효과로서 영향을 미치고 있기 때문인 것으로 판단된다.
- 실험결과에서 관측되듯이 실험을 통해 얻어진 파손 부분도 Mastic이 배치된 바로 윗부분이라는 것과 정성적으로 일치하는 결과를 보여준다.
- 즉 Mastic에 의한 강체 지지 효과에는 미치지 못하지만 재료 간에 물리적으로 구획을 지어주는 Triplex가 응력의 전달방지에 상당히 기여할 수 있다고 판단되며, 이는 배치하는 Mastic의 간격에 따라 달라질 수 있음을 나타낸다. 일부 실험에서 Triplex 위치에서의 미소균열이 관측되는 것도 유사한 맥락에서 이해될 수 있다.
- 5에 표준 시험편을 이용한 압축시험 결과와 해석결과 비교 이를 나타낸다. 해석에 이용하는 재료 특성치를 포함한 해석 상세는 인장 해석과 동일하며, Table 1에서 제시하는 재료 특성치들의 유용성을 확인할 수 있었다.
후속연구
- ● RPUF에 대해서는, LS-DYNA3D를 이용한 동적 해석 자료 구축은 상당한 성과를 획득하였으나 균열 진전 등 해석기법 적용 범위 확장을 위해서는 재료모델링 기법의 개선에 관한 추가 연구가 필요하다는 것을 확인하였다.
- 다만, 실험이나 기타 유사한 방법으로 파악하기 어려운 내부 응력 특성에 대하여 기본적인 역학특성이 상기와 같은 방법을 통해 예측될 수 있으며, 실험 등을 통한 실제 균열 발생 문제와 연계된다면 유용한 예측기법으로 활용될 수 있을 것이다.
- 것을 의미한다. 따라서 Mastic 배치 등과 같은 설계상의 고려에서, 상기와 같은 응력전달 특성은 효과적인 응력 소멸 구조 선정 등에 유용하게 활용될 수 있으리라 판단된다.
- 이러한 간극들은 생산과정에서 유리섬유 등으로 채워지기는 하지만, 기본유닛들의 접합으로 보기는 어렵다. 따라서 본 해석에 채용하는 슬릿에 해당되는 수직 경계는 자유 경계로 보는 것이 타당하며, 자유경계인 만큼 표면에서의 응력특성을 파악할 필요가 있다.
- 시리즈 해석을 통하여 얻어진 각 관심 위치에서의 응력 특성들은, 해당 위치에서만의 특성으로 단순하게 판단되어야 할 성질이 아니며, 전체 구조물 내에서의 평형 구도 혹은 지지 구조 형태에 의한 응력 전달/간섭 등이 복합적으로 고려되어야 할 것으로 보인다.
- 확립되었다. 일부 정량적 분석이 부족한 부분과 불확정적인 요소들도 확인되었지만, 관련 연구 분야에서 유용한 참고자료로 활용될 수 있으리라 판단된다.
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