[논문]함정용 추진전동기의 내충격성 해석

배성욱; 홍진숙; 정의봉; 박영수; 빈재구

doi:10.5050/ksnve.2010.20.12.1183

함정용 추진전동기의 내충격성 해석
Shock Resistance Analysis of a Propulsion Motor for Naval Vessels 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.20 no.12 = no.165, 2010년, pp.1183 - 1189

배성욱 (부산대학교 대학원 기계공학부) , 홍진숙 (울산과학대학 디지털기계학부) , 정의봉 (부산대학교 기계공학부) , 박영수 (효성중공업) , 빈재구 (국방과학연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Shock-resistance test for a real equipment for a normal vessel is one of the difficult problem in many cases because of terrible cost and weight. An analysis technique to evaluate the shock resistance in a design stage is necessary, instead In this paper, the process to evaluate the shock resistance of a propulsion motor for naval vessels was presented based on German navy's BV043 regulation. The shock signal to impose the equipment under the test was first evaluated, and was then applied to the structural FE model of the equipment. From the transient FEA, the time history of von-Mises stress was obtained by the mode superposition method. The shock resistance was evaluated using the peak value of the von-Mises stress.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 연구에서는 독일 해군의 BV043을 이용한 충격해석을 통해 충격 발생 시 추진전동기의 응력 분포를 구한 후 재료의 구조안전성을 평가함으로써 BV043의 절차에 대한 연구 및 추진전동기의 내충격성능을 파악하고자 한다.
이 연구에서는 수중폭발 시 발생하는 충격파에 대한 전동기의 구조건전성 검증을 위한 방법으로 독일해군의 BV043을 이용한 내충격해석 방법과 절차를 확립하였다. 그리고 설계 단계에 있는 추진전동기 모델에 적용하여 내충격 해석을 수행하였다.

제안 방법

8(b)와 같다. 그리고 3방향의 충격가속도가 각각 전동기 하단부에 설치된 마운트에 적용하였을 때의 충격응답해석을 수행하였다. 충격값은 전동기의 충격 응답 스펙트럼에서 구해진 값이다.
이 연구에서는 수중폭발 시 발생하는 충격파에 대한 전동기의 구조건전성 검증을 위한 방법으로 독일해군의 BV043을 이용한 내충격해석 방법과 절차를 확립하였다. 그리고 설계 단계에 있는 추진전동기 모델에 적용하여 내충격 해석을 수행하였다.
발생한 응력 중 전 시간대에 걸쳐 각 요소별 최대값을 확인하여 구조의 취약부를 확인하였다. 취약 부에 대한 판단은 각 요소별 최대값이 재료의 항복 응력(yield stress)을 초과할 때 구조가 취약하다고 판단하였다.
이 가속도 값을 장비의 선체결합부에 부가하여 실험을 수행하거나 실제시험과 동일하게 이론적 해석에 의한 시뮬레이션을 하는 방법으로 내충격성을 검토하도록 하고 있다. 이 연구에서는 삼중 삼각형 충격파를 장비의 선체결합부인 마운트 하단에 부여하고 시뮬레이션을 통하여 충격응답을 구하고 구조 건전성을 평가하였다.
장비의 구조건전성 평가는 폰 미제스법으로 수행 하였다. 장비가 장착되는 마운트 바닥부에 충격 가속도를 입력한 후 식 (12)와 같이 구조물의 각 요소에 발생하는 폰-미제스(von-Misses)응력을 확인하였다.
전동기가 장착되는 마운트 바닥부분에 가속도 충격파를 인가하고 전동기에 발생하는 폰-미제스 응력 (von-Mises stress)을 구하여 내충격성을 해석하였다. 길이방향의 충격을 인가하고 내충격해석을 수행한 결과 최대 63.
선체에 고정되는 부분은 4개의 마운트 하단부이며 이 지점을 통해서 충격파가 인가된다. 전동기의 상단 및 외부에 장착된 보조장비의 받침대와 형상을 모두 반영하여 충격에 의한 이들 장비의 응답도 모두 확인할 수 있도록 하였다.
추진전동기 유한요소모델은 Fig. 7에서 보인 바와 같이 10절점 삼각형 요소로 모델링하였다. 구성품의 재질은 스틸류의 SS400으로 물성치는 Table 1과 같다.
항복응력은 230 MPa으로 해석 후 요소별 최대값과 비교하였다. 충격이 입력되는 절점들을 RBE2를 이용하여 충격점에 연결하고 충격점에 해당 충격량을 입력하는 방법을 사용하였다. 길이방향 충격량은 Fig.

대상 데이터

7에서 보인 바와 같이 10절점 삼각형 요소로 모델링하였다. 구성품의 재질은 스틸류의 SS400으로 물성치는 Table 1과 같다. 항복응력은 230 MPa으로 해석 후 요소별 최대값과 비교하였다.

데이터처리

구성품의 재질은 스틸류의 SS400으로 물성치는 Table 1과 같다. 항복응력은 230 MPa으로 해석 후 요소별 최대값과 비교하였다. 충격이 입력되는 절점들을 RBE2를 이용하여 충격점에 연결하고 충격점에 해당 충격량을 입력하는 방법을 사용하였다.

이론/모형

장비의 구조건전성 평가는 폰 미제스법으로 수행 하였다. 장비가 장착되는 마운트 바닥부에 충격 가속도를 입력한 후 식 (12)와 같이 구조물의 각 요소에 발생하는 폰-미제스(von-Misses)응력을 확인하였다.

성능/효과

전동기가 장착되는 마운트 바닥부분에 가속도 충격파를 인가하고 전동기에 발생하는 폰-미제스 응력 (von-Mises stress)을 구하여 내충격성을 해석하였다. 길이방향의 충격을 인가하고 내충격해석을 수행한 결과 최대 63.2 MPa의 폰-미제스 응력이 마운트 상단의 어댑터(adaptor)부분에서 발생하였다. 동일한 방법으로 반경방향의 충격을 전동기의 수평방향 및 반경방향으로 인가하고 내충격해석을 수행한 결과 최대 98.
7 MPa의 폰-미제스 응력이 마운트 상단의 어댑터(adaptor)부분에 발생하였다. 내충격해석 결과 최대응력이 재료의 항복응력을 초과하지 않으므로 추진전동기에 치명적인 파손이나 파단이 발생하지 않을 것으로 예상되며 따라서 추진전동기는 내충격설계 기준을 만족하는 것으로 판단되었다.
2 MPa의 폰-미제스 응력이 마운트 상단의 어댑터(adaptor)부분에서 발생하였다. 동일한 방법으로 반경방향의 충격을 전동기의 수평방향 및 반경방향으로 인가하고 내충격해석을 수행한 결과 최대 98.3 MPa 및 108.7 MPa의 폰-미제스 응력이 마운트 상단의 어댑터(adaptor)부분에 발생하였다. 내충격해석 결과 최대응력이 재료의 항복응력을 초과하지 않으므로 추진전동기에 치명적인 파손이나 파단이 발생하지 않을 것으로 예상되며 따라서 추진전동기는 내충격설계 기준을 만족하는 것으로 판단되었다.
발생한 응력 중 전 시간대에 걸쳐 각 요소별 최대값을 확인하여 구조의 취약부를 확인하였다. 취약 부에 대한 판단은 각 요소별 최대값이 재료의 항복 응력(yield stress)을 초과할 때 구조가 취약하다고 판단하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	함정에 탑재된 추진전동기는 어떤 위치를 차지하는가?	함정에 탑재된 추진전동기는 동력을 프로펠러에 전달하여 함정의 추진을 담당하는 주요한 장치로서 함정의 생존성 관점에서 내충격 안전성 확보는 매우 중요한 위치를 차지한다. 일반적으로 함정은 임무수행 중 여러 원인에 의해 충격을 받을 수 있다.
	장비의 내충격 성능을 검증하기 위한 방법으로는 무엇이 있는가?	장비의 내충격 성능을 검증하기 위한 방법으로는 해석 및 시험 충격시험기를 통한 장비 내충격시험, 수중폭발시험, 그리고 Fig. 1과 같은 전선(full ship) 수중폭발시험(1) 등이 있다. 하지만 이들 시험들의 경우 비용과 규모 면에서 수행하기 힘든 점이 있을 뿐 아니라 장비 또는 함정의 설계단계에서는 수행할 수 없는 단점이 있다.
	함정의 고유 임무수행 중 발생할 수 있는 비접촉식 폭발에 의한 충격은 어떻게 발생할 수 있는가?	함정의 고유 임무수행 중 발생할 수 있는 비접촉식 폭발에 의한 충격은 여러 원인 또는 경로를 통해 발생 할 수 있다. 예를 들면, 어뢰나 기뢰 또는 함대함 유도탄 등의 공격으로 발생 할 수 있다. 특히, 이들 공격에 의해 발생한 수중폭발 발생 시 야기되는 에너지는 충격파 형태로 함정에 전달되어 선체를 급가속시키고 선체를 통해 탄성파가 전파되어 추진전동기 등의 탑재장비에 치명적인 영향을 미치게 된다. 추진전동기는 함정의 기동을 위한 필수적인 장비로서 손상으로 회복하지 못할 경우 기동을 하지 못하게 되므로 함정은 임무수행능력을 상실 및 생존도 위협을 받을 수 있다. 따라서, 함정과 승무원의 생존성 확보를 위해서 장비의 설계 초기에서부터 수중폭발 등에 의한 충격의 영향으로 파손 또는 성능저하 등이 되지 않도록 설계초기에서부터 내충격 설계가 이루어져야 하며 내충격성 검증이 이루어지고 난 후 장비의 제작에 착수 하여야 한다.

참고문헌 (7)

Hans, U. M., Ronald, M. R. and Kurt, H., 1997, “Simulated Ship Shock Tests/Trials,” American Society of Newspaper Editors.
BV043, 1985, “Shock Resistance Experimental and Mathematical Proof,” Federal German Army Procurement Office.
Belsheim, R. O. and O'Hara, G. J., 1960, “Shock Design of Shipboard Equipment, Part 1,Dynamic-design Analysis Method,” Naval Research Laboratory Report 5545.
MSC.Nastran, “Quick Reference Guide”.
Shin, C. J., Hong, C. S., Jeong, W. B. and Seo, H. S., 2009, “Dynamic Response of Hull Mounted Cylindrical Array Sonars to Shocks,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 19, No. 2, pp. 146-154.

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MIL-S-901D, 1989, “Shock Tests. H.I.(High Inpact) Shipboard Machinery, Equipment, and systens, Requirements for”.
Kwon, J. I., Lee, S. G. and Jeong, J. H., “Shock Response Analysis of MIL-S-901D Floating Shock Platform,” Journal of Society of Naval Architects of Korea, Vol. 42, No. 5, pp. 493-498.

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