[논문]잠수함 압력선체의 피로강도에 대한 실험적 연구

김을년; 김국빈; 전재황

doi:10.3744/snak.2010.47.1.067

잠수함 압력선체의 피로강도에 대한 실험적 연구
Experimental Investigations on the Fatigue Strength of the Submarine Pressure Hull 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.47 no.1, 2010년, pp.67 - 75

김을년 (현대중공업 구조연구실) , 김국빈 (현대중공업 구조연구실) , 전재황 (현대중공업 특수선잠수함설계 2 부)

Abstract ▼ AI-Helper

Submarine and deep sea diving structures are generally designed based on their ultimate strength. Fatigue strength at welded joint must be also taken into account because working stress is increased due to the increasing of diving depth and using high yield steel. The pressure hulls of submarine are subjected to fluctuating compressive loading. But in addition to the calculated stresses, high residual tensile stresses at welded part have to be considered. The state of stress level of pressure hull is tensile at surface and compressive at deep diving depth. This paper presents the results of an experimental investigation on the crack initiation and growth at the weld toe of T welded joints of HY-100 steel plate under constant amplitude loading. It is also investigated the phenomenon of the fatigue failure and test methods. Fatigue tests have been using real scaled local structural models of full penetration T-welded joint, which is a part of the cylindrical shell structures reinforced by ring stiffeners. Several load ratios under constant amplitude loading are considered in the tests. Crack initiation and growth characteristics are examined based on the beach marks of the cracked section of the test specimens. A design stress-life curve including the design formula is suggested according to tested data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 압력선체에서 단위 시험모델로 절단하면서 해방된 굽힘응력(+값)을 고려하기 위하여 일정크기의 초기하중(Pre-load)을 작용시킨 상태에서 잠항시 발생하는 굽힘응력(-값)에 해당하는 변동하중을 작용시키며 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 잠수함의 피로파손 발생 메커니즘, 최근의 잠수함 건조경향에 따른 연구의 필요성, 시험방법 등에 대하여 논의하였다. 또한 실제두께 국부 시험모델을 고항복강인 HY-100 으로 제작하여 용접 잔류응력과 잠항깊이에 따른 응력을 고려하여 하중기로 피로시험을 수행하였다.
본 연구에서는 잠수함의 피로파손 발생 메커니즘과 시험방법에 대하여 고찰하였다. 그리고 고항복강(HY-100)으로 제작된 압력선체의 일부를 절단한 시험모델을 제작하여 피로시험을 수행하였으며 시험결과를 분석하여 피로선도와 피로 설계식을 제시하였다.
이상의 피로시험 결과로부터 잠수함 압력선체 피로 설계식을 제안한다. 설계식은 AD Merkblatt S2(1998)의 피로설계식을 기초로 파손확률 2.

가설 설정

- 잠수함의 피로파손은 건조과정에서 발생하는 축현상과 용접잔류응력이 내재된 상태에서 잠함수심의 변화에 따른 굽힘응력이 작용하여 발생하는 것으로 사료된다.

제안 방법

- HY-100 강으로 만들어진 T 형의 용접 시험모델을 총 20 개 제작하였으며 평균응력과 응력비, 응력범위를 고려하여 시험을 수행하며 균열발생과 전파를 조사하였다.
- 시험결과로부터 잠수함의 피로강도 평가를 위한 설계식을 제시하였으며 이를 기존 설계식 또는 시험결과와 비교하였다.
11 은 M-9 시험모델의 파단면을 나타낸 것이다. 균열 진전은 비치마크(Beach mark)를 실시하여 확인하였고 용접토우에 있는 미세한 크랙에서 시작하였다. 균열의 성장 메커니즘을 살펴보면 Step A 단계에서는 균열이 단면 곳곳에서 동시 다발적으로 발생하였고 균열의 종횡비는 작은 값을 가짐을 알 수가 있다.
본 연구에서는 잠수함의 피로파손 발생 메커니즘과 시험방법에 대하여 고찰하였다. 그리고 고항복강(HY-100)으로 제작된 압력선체의 일부를 절단한 시험모델을 제작하여 피로시험을 수행하였으며 시험결과를 분석하여 피로선도와 피로 설계식을 제시하였다.
또한 공기불요장치 추진 시스템(Air Independent Propulsion System)을 탑재한 재래식 잠수함의 잠항횟수는 이보다 짧을 것으로 추정된다. 따라서, 재래식 잠수함의 압력선체 피로강도 평가를 위한 잠항수심까지의 반복횟수는 수천~수만회 정도이며 본 연구에서는 이 영역에 대한 시험을 집중적으로 수행하였다.
본 연구에서는 잠수함의 피로파손 발생 메커니즘, 최근의 잠수함 건조경향에 따른 연구의 필요성, 시험방법 등에 대하여 논의하였다. 또한 실제두께 국부 시험모델을 고항복강인 HY-100 으로 제작하여 용접 잔류응력과 잠항깊이에 따른 응력을 고려하여 하중기로 피로시험을 수행하였다.
)의 합으로 정의된다. 본 연구에서는 N_i-1 를 표면균열 길이가 8mm 발생했을 때, N_i-2 를 표면균열 길이가 80mm 발생했을 때, N_f 를 최대 균열깊이가 외판 두께의 67%에 도달하였을 때로 정의하였다.
본 연구에서는 굽힘응력(b)을 단면 계수(Z)를 고려하여 식(2)와 같이 초기하중(Fpreload)을 구하였다.
그러나 관심부위에서 압력선체의 실제 거동을 구현하기 힘들어 시험모델의 이상화가 요구된다. 본 연구에서는 두번째 방법인 실제두께 국부모델 시험을 채택하였다.
본 연구에서는 수압을 받는 압력선체의 거동을 생각하여 하중제어로 시험을 수행하였다. 피로 균열은 하중제어가 변위제어보다 빨리 진전되며 Franitza(1997)는 하중제어 시험이 변위제어 시험보다 피로수명이 1/3 배임을 확인하였다.
이상의 피로시험 결과로부터 잠수함 압력선체 피로 설계식을 제안한다. 설계식은 AD Merkblatt S2(1998)의 피로설계식을 기초로 파손확률 2.3%(Mean-2SD)를 기준으로 개발하였다.
피로시험을 수행하기 전에 정적시험을 수행하여 시험모델의 응력분포를 유한요소해석과 비교하였다. 시험모델의 용접 토우부에서 4mm 떨어진 위치로부터 응력집중게이지(2mm 간격으로 5 개의 변형률 게이지)를 시험모델 좌우에 각각 1 개씩 부착하였고 공칭응력을 구하기 위해 부착된 응력 집중게이지로부터 40mm 간격으로 게이지를 시험모델의 좌우에 3 개를 부착하였다. 시험모델의 시험모델 하부면에는 길이방향으로 중앙으로부터 20mm 또는 40mm 간격으로 총 5 개의 게이지를 부착하였다.
HDW(2001)에 따르면 이런 누수 현상은 초기 2 차대전 때 부식에 민감한 재료로 만들어진 독일의 실제 잠수함에서도 균열의 완전진전이 나타났으며 이로 인하여 운항이 중단되었다. 이 잠수함을 해체하기 전에 균열 발생부위를 간단히 수리 후 대형 압력용기(Pressure Dock)에 넣어 파괴실험을 수행하였다. 붕괴는 균열에 의한 영향을 받지 않는 곳에서 예견된 전체붕괴 모드로 발생하였다.
피로시험은 MTS 사의 피로 25 톤 유압하중기를 사용하여 응력비를 -2 ~ ∝의 범위에서 일정진폭 하중(constant amplitude loading)으로 공기 중에서 1~5Hz 주파수로 수행하였다.
피로시험을 수행하기 전에 정적시험을 수행하여 시험모델의 응력분포를 유한요소해석과 비교하였다. 시험모델의 용접 토우부에서 4mm 떨어진 위치로부터 응력집중게이지(2mm 간격으로 5 개의 변형률 게이지)를 시험모델 좌우에 각각 1 개씩 부착하였고 공칭응력을 구하기 위해 부착된 응력 집중게이지로부터 40mm 간격으로 게이지를 시험모델의 좌우에 3 개를 부착하였다.

대상 데이터

시험모델은 미국용접학회의 표준규격(AWS Standard)으로 SMAW (Shielded Metal Arc Welding) 절차에 의해 완전용입 용접(Full Penetration Welding)으로 만들었으며 용접부의 그라인딩은 하지 않았다. 2 가지 종류의 총 20 개의 시험모델(Model Ⅰ: 5 개, Model Ⅱ : 15 개)을 제작하였으며 Fig. 7 은 시험모델의 형상과 상세 치수를 나타낸 것이다.
본 연구에서 사용한 피로시험 모델은 실제 압력선체에서 사용하는 재질인 HY-100 강을 사용하였으며 재료의 기계적 특성치는 Table 1 과 같다.
시험모델의 용접 토우부에서 4mm 떨어진 위치로부터 응력집중게이지(2mm 간격으로 5 개의 변형률 게이지)를 시험모델 좌우에 각각 1 개씩 부착하였고 공칭응력을 구하기 위해 부착된 응력 집중게이지로부터 40mm 간격으로 게이지를 시험모델의 좌우에 3 개를 부착하였다. 시험모델의 시험모델 하부면에는 길이방향으로 중앙으로부터 20mm 또는 40mm 간격으로 총 5 개의 게이지를 부착하였다. Fig.

이론/모형

3% 파손확률 기준으로 나타내었다. 본 연구에서 수행한 시험결과 중 외판두께가 40mm 인 것 25mm 로 환산하였으며 Franitza(1997)가 수행한 결과를 함께 표시하였다.
시험모델은 미국용접학회의 표준규격(AWS Standard)으로 SMAW (Shielded Metal Arc Welding) 절차에 의해 완전용입 용접(Full Penetration Welding)으로 만들었으며 용접부의 그라인딩은 하지 않았다. 2 가지 종류의 총 20 개의 시험모델(Model Ⅰ: 5 개, Model Ⅱ : 15 개)을 제작하였으며 Fig.

성능/효과

그러나 본 시험에서는 일정크기의 초기하중(Pre-load)을 시험모델의 균열이 진전되어 완전히 손상될 때까지 작용하였다. 따라서 본 시험 결과는 실제 잠수함에 나타나는 현상보다 피로수명이 짧게 나타날 것으로 추정된다. 본 시험에서 균열이 발생한 이후에 인장응력을 제거하고 압축응력으로만 시험한 결과가 그렇지 않은 다른 시험보다 피로수명이 증가하는 것을 확인하였다.
따라서 본 시험 결과는 실제 잠수함에 나타나는 현상보다 피로수명이 짧게 나타날 것으로 추정된다. 본 시험에서 균열이 발생한 이후에 인장응력을 제거하고 압축응력으로만 시험한 결과가 그렇지 않은 다른 시험보다 피로수명이 증가하는 것을 확인하였다. 따라서 본 시험결과를 기초로 도출한 피로수명곡선은 보수적 측면에서 작성되었다고 할 수 있다.
Table 4 는 각 피로 설계식으로부터 계산된 허용응력값을 비교한 것이다. 본 연구에서 제시한 설계식에 의한 결과는 HDW 사의 기준과 비교적 잘 일치하나 잠수함의 실제 사용수명 범위내에서 약간 큰 허용응력값을 나타낸다.
이 현상은 미국의 Dunham(1964)과 영국의 Kilpatrick(1986)에 의해서 수행한 실험결과에서도 나타난다. 이들 실험에서 균열의 완전진전(Full Penetration)이 압력선체의 붕괴를 일으키는 것은 아닌 것으로 나타났다. 즉, 압력이 해방되었을 때 주로 작은 누수 현상으로만 나타났다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잠수함 선체 구조는 어떻게 나눌 수 있는가?	잠수함 선체구조는 잠항수심 변화에 따라 수압을 받는 압력선체와 받지 않는 비압력선체로 나눌 수 있다. Fig.
	잠수함 압력선체에서 건조 후 국부적 인장 잔류응력이 생기는 부위는?	일반적으로 구조물이 반복되는 압축응력으로 인한 피로파손은 없는 것으로 알려져 있다. 그러나 잠수함 압력선체는 용접으로 건조되고 링프레임과 외판, 딮프레임(Deep Frame)과 외판, 횡격벽(Diaphragm)과 외판 등이 연결되는 용접부위에서는 건조 후 국부적 인장 잔류응력이 생기게 되며 이러한 인장 잔류응력은 인접부재에 구속력을 야기한다. 따라서 잠수함의 잠항과 수면으로의 부상에 따른 압력선체에 작용하는 변동 압축응력은 인장 잔류응력과 중첩되며 그 결과 균열이 발생하여 진전되어 구조가 손상되는 것으로 알려져 있다.
	최근 잠수함 선체구조 중 압력 선체의 구조설계 경향은?	최근 외압을 받는 잠수함 압력선체의 구조설계 경향은 최종강도를 기준으로 수행하고 있으므로 작용응력이 항복응력을 초과하는 것을 허용한다. 또한 잠수함의 운용수심을 증가하기 위하여 고항복강(High yield steel) 또는 HSLA 강(High strength low alloy steel) 등을 사용하고 있으며 잠수함의 중량 최소화를 위한 최적설계를 수행하는 추세이다. 따라서 압력선체의 구조부재 치수가 기존 잠수함에 비교하여 얇아지는 경향이 있어 사용응력이 증가하고 있다.

참고문헌 (5)

AD Merkblatt S2, 1998, Analysis for cyclic loading.
Dunham, F.W., 1964, "Fatigue Testing of Large-Scale Models of Submarine Structural Details", New England Section, SNAME.
Franitza S., 1997, Fatigue Examinations of Specimens Made of HY-100, IKL Report 101-299/80/1041-02-00-00.
HDW, 2001, KSS-II Design Lectures, Hull Structure Design, A.2 Design Guideline for Hull Structure ？ Fatigue Strength, Kiel, Germany
Kilpatrick, I.M., 1986, The Fatigue Characteristics of Submarine Structures Subjected to External Pressure Cycling, Advances in Marine Structure, ARE, Dunfermline, Scotland.

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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