[논문]독립탱크 A형 LPG선 탱크 지지구조 해석을 위한 상대운동의 모델링에 관한 연구

이광용; 양박달치; 박치모

doi:10.3744/snak.2009.46.2.148

독립탱크 A형 LPG선 탱크 지지구조 해석을 위한 상대운동의 모델링에 관한 연구
A Study on the Modeling of Relative Motion for the Cargo Tank Support Structure of Type A LPG Carrier 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.46 no.2, 2009년, pp.148 - 154

이광용 (현대중공업(주) 조선사업본부 조선구조설계부) , 양박달치 (울산대학교 조선해양공학부) , 박치모 (울산대학교 조선해양공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Type A LPG Carrier is the ship using the low temperature independent cargo tank separate from the hull, which has various support structures for laying independent tanks on the hull. In this paper, the direct strength analysis for the support structures has been performed through the direct load analysis, load transfer, stress analysis and strength assessment. Also, a rational modeling method of support structures has been proposed to obtain the dynamic load between the hull and the separate tank.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대형 독립탱크 A형 LPG선의 상부 횡요지지구조에 대하여 CSA 기반 스펙트럼 피로강도해석법을 수행하기 하기 위한 운동해석과 구조해석을 수행하였다. 대상선박의 주요 제원은 Table 2와 같다.
본 연구에서는 독립탱크 A형 LPG선 탱크 지지구조에 대해 CSA 기반 피로강도해석법을 도입하였다. 특히, 해석 과정에서 선체와 탱크의 상대운동을 보다 정확히 모사하기 위해 구조 동적응답해석법을 사용하여 LPG선과 같이 선체와 탱크가 분리된 선박에 대해 적용 가능하도록 하였다.
2에서 보인 갑판구조와 탱크 상부의 횡요지지구조와 관련해서 선급규정 등에서는 고정 부착되지 않은 구조물의 설계하중에 대한 언급이 되어 있지 않아 선주와 설계자들 사이에 많은 문제가 제기되고 있다. 본 연구에서는 독립탱크 A형 LPG선의 지지구조에 대해 피로 안전성 검토에 대한 기초 연구로서 스펙트럼 피로 강도해석법 중 하중 요소 기반 통계적 기법(CSA, Component based Stochastic Approach)을 이용한 지지구조의 강도해석법을 도입하였고, 특히 이를 위하여 선체와 탱크의 상대운동으로 인한 하중 해석 모델링 방법을 제시하였다.
파랑중 선체운동에 의한 동유체력을 평가하기 위해서 선체운동해석을 수행하는데, 본 연구에서는 세장선에 대해 추정 정도가 높은 것으로 알려진 Strip method를 기반으로 주파수 영역(Frequency domain)에서 파랑하중 계산을 수행하였다. 운동해석후, 단위파고의 규칙파에 대한 선체의 응답 RAO를 얻었고, 이 RAO에 대해 파랑하중의 통계해석으로부터 불규칙 파랑하중의 동유체력을 계산하였다.

가설 설정

이 하중은 파의 조우각, 주파수 등 각 운동해석 조건에 대하여 다른 값의 분포를 갖게 된다. 본 연구에서는 해석 관심 부위의 대상이 갑판 하부의 탱크 지지구조이므로 해석의 편의상 동압력을 선저, 빌지, 선측의 세 부위에 대해 각 위치에서 Fig. 3에서 보인 것과 같은 분포에 대한 단위 하중의 조합으로 가정한다. 이에 대한 구조 해석은 해당 유한요소모델에 하중조건의 하나로 포함하여 수행한다.

제안 방법

응력범위의 장기분포와 S-N 자료를 이용하여 피로손상율을 계산한다. 국부 유한요소모델에서 단위하중성분에 대한 응력값으로부터 피로강도해석을 위한 핫스팟 응력을 계산하였다. 핫스팟 응력 계산방법으로는 DnV(2005)에서 제안한 방법을 적용하였다.
특히, 해석 과정에서 선체와 탱크의 상대운동을 보다 정확히 모사하기 위해 구조 동적응답해석법을 사용하여 LPG선과 같이 선체와 탱크가 분리된 선박에 대해 적용 가능하도록 하였다. 그 결과 선체와 탱크의 접촉문제를 포함한 비선형성을 가지는 문제에 대해 선형화 과정을 통해 스펙트럼 피로강도해석법에 적용함으로써 전체 해석과정과 해석시간을 크게 단축하였다. LPG선의 선체와 독립탱크 사이에는 이들의 상대운동으로 인한 수직 방향의 접촉력 외에도 선체와 탱크가 접촉된 상태에서 다른 운동성분의 변위가 동시에 작용하기 때문에 접촉면에서 마찰과 같은 비선형적 국부 메커니즘이 작용하여 지지구조의 강도에 직접적인 영향을 미칠 것으로 예상된다.
또한, 상부 횡요지지구조의 강도에 큰 영향을 끼칠 것으로 예상되는 횡요운동으로 인한 동하중을 기진력으로 구조 동적응답해석을 수행하여 Fig. 8과 같이 선체와 탱크의 상대변위 RAO를 구하였고, Fig. 9와 같은 선체와 탱크 사이의 접촉력을 계산하였다.
이때, 선체와 탱크 지지구조 사이의 접촉력은 대응점들의 변위를 강제로 같게 한 후 구조동적해석을 수행하여 구할 수 있다. 또한, 해석관심부위를 포함하는 횡특설늑골 한 개를 모델 범위로 고려한 국부 구조해석을 수행하는데, 상대운동에 의한 접촉력을 지지구조의 연결부에 적용하고 선각구조해석 결과로부터 해당 절점의 변위를 적절한 경계조건으로 설정한다.
탱크 상부의 횡요지지구조에서는 상대 운동의 결과에 따라 선체와 탱크가 따로 움직일 수도 있고 선체와 탱크가 접촉되어 미끄러짐이 발생할 수도 있다. 본 연구에서는 먼저 두 구조가 떨어진 상태에 대해서 동적응답을 구한 후, 상대 변위가 음이 되어 붙는 경우는 대응점을 강제로 변위를 같게 하는 구속조건을 부여하여 해석하는 방법을 사용하였다.
선각구조해석 모델은 선체 중앙부 1개 화물창 내에 관심 부위가 있음을 고려하고, 양단의 경계면 효과를 최소화시키기 위하여 양단에 각각 1/2 화물창을 덧붙인 2개 화물창을 대상으로 하였고, 국부구조해석 모델로는 피로강도 관심부위에 대해 높은 운동응답을 보이는 선수쪽 횡특설늑골 한 개를 모델 범위로 고려하였다.
파랑중 선체운동에 의한 동유체력을 평가하기 위해서 선체운동해석을 수행하는데, 본 연구에서는 세장선에 대해 추정 정도가 높은 것으로 알려진 Strip method를 기반으로 주파수 영역(Frequency domain)에서 파랑하중 계산을 수행하였다. 운동해석후, 단위파고의 규칙파에 대한 선체의 응답 RAO를 얻었고, 이 RAO에 대해 파랑하중의 통계해석으로부터 불규칙 파랑하중의 동유체력을 계산하였다.
응력범위의 장기분포와 S-N 자료를 이용하여 피로손상율을 계산한다. 국부 유한요소모델에서 단위하중성분에 대한 응력값으로부터 피로강도해석을 위한 핫스팟 응력을 계산하였다.
선체는 파랑에 의해 거동하는데 비해 선체에 독립형으로 설치된 탱크는 구조물의 동특성에 의해 선체운동과 다른 거동을 보인다. 이러한 거동을 모사하기 위해서 파랑에 의한 선체의 운동으로 발생한 동하중을 기진력으로 작용시켜 탱크와 지지구조의 상대운동응답을 구하기 위한 구조 동적응답해석을 수행하였다. 즉, 선체운동해석을 통한 운동응답의 결과를 동적하중으로 작용시키고 이에 의한 선체와 탱크의 동적운동응답을 계산하면 선체와 탱크의 상대변위를 구할 수 있다.
이를 위한 동적구조해석 모델은 Fig. 5에서 보인 선각구조해석 모델의 내부에 탱크구조의 해석 모델을 추가하였다. 탱크 바닥과 선저구조 사이의 지지구조 연결부는 운동응답에 의한 가속도를 고려하여 선체와 탱크가 같이 거동하는 것으로 모델링하였다.
핫스팟 응력 계산방법으로는 DnV(2005)에서 제안한 방법을 적용하였다. 즉, 핫스팟으로부터 판 두께의 0.5배와 1.5배 떨어진 지점에서 구해진 응력으로부터 핫스팟까지의 응력을 외삽한 후, 절대값이 큰 주응력 값을 선택하여 핫스팟 응력으로 산정하였다.
• BC2 : 스프링 요소를 사용하여 양 끝단에 경계조건을 부여하였다. 즉, 횡격벽의 측면 및 상면, 하면 라인에 대해 수직 및 수평 스프링을 적용하여 모델이 해당 방향으로 지지되도록 경계조건을 부여하였다.
5에서 보인 선각구조해석 모델의 내부에 탱크구조의 해석 모델을 추가하였다. 탱크 바닥과 선저구조 사이의 지지구조 연결부는 운동응답에 의한 가속도를 고려하여 선체와 탱크가 같이 거동하는 것으로 모델링하였다. 탱크 상부의 횡요지지구조에서는 상대 운동의 결과에 따라 선체와 탱크가 따로 움직일 수도 있고 선체와 탱크가 접촉되어 미끄러짐이 발생할 수도 있다.
본 연구에서는 독립탱크 A형 LPG선 탱크 지지구조에 대해 CSA 기반 피로강도해석법을 도입하였다. 특히, 해석 과정에서 선체와 탱크의 상대운동을 보다 정확히 모사하기 위해 구조 동적응답해석법을 사용하여 LPG선과 같이 선체와 탱크가 분리된 선박에 대해 적용 가능하도록 하였다. 그 결과 선체와 탱크의 접촉문제를 포함한 비선형성을 가지는 문제에 대해 선형화 과정을 통해 스펙트럼 피로강도해석법에 적용함으로써 전체 해석과정과 해석시간을 크게 단축하였다.
하중해석에서 고려된 각 하중성분에 대해 단위하중개념을 도입하여 선체 단면에 대한 단면력, 선체의 운동가속도에 의한 관성력, 수두압 등의 형태로 분할하여 하중조건을 구성하였다.

이론/모형

선체의 구조물에 동하중이 작용한 경우에 구조동적응답은 기진력이 선형 중첩된 조화함수이므로 선체의 주파수응답해석을 이용할 수 있다. 본 연구에서는 Kim and Benninghof(2006)가 구조물에 대한 주파수 동적응답해석에 적용한 모드해석법(Mode analysis method)을 이용하였고, 해석도구로는 MSC/NASTRAN의 주파수해석법(Solution type 111)의 모드법(Modal method)를 사용하였다.
응력해석은 피로강도 관심부위에 대한 피로해석 모델의 경계조건을 얻기 위해 수행하는 선각구조(Coarse mesh) 해석과 피로강도 관심부위의 SRF를 추정하기 위해 수행하는 국부구조(Local fine mesh) 해석의 2가지로 구성된다. 본 연구의 수치 계산은 MSC/NASTRAN을 이용하였다.
국부 유한요소모델에서 단위하중성분에 대한 응력값으로부터 피로강도해석을 위한 핫스팟 응력을 계산하였다. 핫스팟 응력 계산방법으로는 DnV(2005)에서 제안한 방법을 적용하였다. 즉, 핫스팟으로부터 판 두께의 0.

후속연구

특히, 선체와 화물탱크는 선체가 파랑에 의해 거동하는데 비해 화물탱크는 독립적이어서, 그 동적 거동이 다른 특성을 보이며 이를 지지하는 지지구조에 의해 이러한 동적 움직임이 전달되므로 지지구조에 대한 합리적인 해석 기법의 정립이 요망된다. 이 지지구조 중 상갑판과 화물탱크 사이에 설치되어 화물 탱크의 횡방향 움직임을 지지하는 상부 횡요지지구조는 다른 지지구조들에 비해 선체와 화물탱크간의 상대 거동과 선체 굽힘 거동이 크게 일어나는 상갑판 중앙부에 설치되므로 피로파괴 가능성이 높아질 수 있어 이에 대한 검토가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 스펙트럼 피로강도해석법이란?	일반적으로 스펙트럼 피로강도해석법이란 선박이 운항되는 실제 해상의 파랑에 대한 통계자료를 이용하여 운동해석과 파랑하중해석을 수행하고 구조해석 결과로부터 응력전달함수(STF, Stress Transfer Function)를 획득하여 응력범위의 발생 분포를 추정하는 일련의 해석과정을 의미한다. 특정 유의파고 Hs, 파주기 Tz와 파 주파수 ω, 파 조 우각 θ에 대한 응력 스펙트럼은 다음과 같이 표시된다.
	독립탱크 A형 LPG선은 무엇을 위해 선체와 분리된 저온식 독립화물탱크를 사용하는 선박인가?	독립탱크 A형 LPG선은 저온의 액화석유가스를 운반하기 위해 선체와 분리된 저온식 독립화물탱크를 사용하는 선박으로서, 독립탱크를 선체에 탑재하기 위해 다양한 지지구조를 설치한다. 최근 작용하는 하중이 크게 증가되어 이들 지지구조에 LPG선의 대형화 추세에 따라, 탱크 지지구조에 대한 강도 평가가 중요해지고 있다.
	독립탱크 A형 LPG선 탱크 지지구조에 대해 CSA 기반 피로강도해석법을 도입하였다. 특히, 해석 과정에서 선체와 탱크의 상대운동을 보다 정확히 모사하기 위해 구조 동적응답해석법을 사용하여 LPG선과 같이 선체와 탱크가 분리된 선박에 대해 적용 가능하도록한 연구 결과와 필요한 과제는?	특히, 해석 과정에서 선체와 탱크의 상대운동을 보다 정확히 모사하기 위해 구조 동적응답해석법을 사용하여 LPG선과 같이 선체와 탱크가 분리된 선박에 대해 적용 가능하도록 하였다. 그 결과 선체와 탱크의 접촉문제를 포함한 비선형성을 가지는 문제에 대해 선형화 과정을 통해 스펙트럼 피로강도해석법에 적용함으로써 전체 해석과정과 해석시간을 크게 단축하였다. LPG선의 선체와 독립탱크 사이에는 이들의 상대운동으로 인한 수직 방향의 접촉력 외에도 선체와 탱크가 접촉된 상태에서 다른 운동성분의 변위가 동시에 작용하기 때문에 접촉면에서 마찰과 같은 비선형적 국부 메커니즘이 작용하여 지지구조의 강도에 직접적인 영향을 미칠 것으로 예상된다. 이와 관련된 연구는 지지구조에 대한 보다 정확한 피로강도 평가를 위해서 시급히 필요한 과제라 할 수 있다.

참고문헌 (6)

Det Norske Veritas, 2005, 'Fatigue Assessment of Ship Structures,' Classification Notes No. 30.7
Kim, C.W. and Bennighof, J.K., 2006, 'Fast Frequency Response Analysis of Partially Damped Structures with Non-proportional Viscous Damping,' Journal of Sound and Vibration, Vol. 297, pp. 1075-1081

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KIm, J.J., Yoon, B.S. and Yang, P.D.C., 1993, 'An Efficient Algorithm in Spectral Fatigue Analysis of Ship Structures,' Journal of the Society of Naval Architecture of Korea, Vol. 30, No. 4, pp. 93-101
Kim, J.H., Chon, Y.K., Chung, K.T., Ha, T.B. and Kim, Y.B., 1990, 'The Evaluation of Stress and Hull Girder Fatigue Strength under Dynamic Wave Loads,' K.R. Technical Report, Vol. 16 Report No.10074
Kim, S.M., Kim, M.H., Kang, S.W., Pyun, J.H., Kim, Y.N., Kim, S.G., Lee, K.E. and KIm, G.R., 2008, 'A Comparative Study for the Fatigue Assessment of Side Shell Longitudinals on 8,100 TEU Container Carrier using Hot Spot Stress and Structural Stress Approaches,' Journal of the Society of Naval Architecture of Korea, Vol. 45, No. 3, pp. 296-302

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Park, S.W., Han, J.W., Han, S.H., Ha, T.B., Lee, H.G., Hong, S..Y., Kim, B.W. and Kyoung, J.H., 2006, 'Fatigue Strength Analysis of Pontoon Type VLFS using Spectral Method,' Journal of the Society of Naval Architecture of Korea, Vol. 43, No. 3, pp. 351-361

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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