[논문]소형 잠수함 압력선체의 구조설계

김흥열; 신용구; 김수영; 신성철; 정보영; 조정화; 김현수

doi:10.3744/snak.2012.49.2.116

소형 잠수함 압력선체의 구조설계
Structural Design of Small Submarine Pressure Hull 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.2, 2012년, pp.116 - 123

김흥열 ((주)스마텍) , 신용구 (국방과학연구소) , 김수영 (부산대학교 조선해양공학과) , 신성철 (부산대학교 조선해양공학과) , 정보영 (부산대학교 조선해양공학과) , 조정화 (부산대학교 조선해양공학과) , 김현수 (부산대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study aims to analyze the strength of pressure hull of a small submarine. The pressure hull of a submarine has to withstand very large differential pressure between hydrostatic pressure in submarine operating depth and atmospheric pressure in inner space of a submarine. To do that, the pressure hull is generally ring-stiffened cylindrical shell under external pressure. In this situation, there are some foreseeable failure modes of the pressure hull such as shell yielding, axisymmetric shell buckling, asymmetric shell buckling, overall buckling and buckling of end closure. We calculated collapse pressures of these failure modes with approximation and empirical formulas. And, to analyze critical buckling pressure, we performed eigenvalue analysis with finite element method tools.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 소형 잠수함의 설계 시 핵심 관건인 압력선체의 구조 설계를 검증하기 위해 근사식, 경험식 그리고 유한요소해석을 병행하여 압력선체의 강도 해석을 수행하였다.

가설 설정

또한 실제 해수 압력은 압력선체 상부와 하부의 깊이 차이만큼 다르지만 설계심도 480m에 비해 함의 깊이(depth) 4.5m는 매우 작은 값이므로, 실용 목적상 압력선체 구조가 받고 있는 압력은 균일하다고 가정하였다.
본 연구에서 가정한 최대 운용심도는 250m로 비슷한 크기의 독일 206급 잠수함의 최대 운용심도보다 훨씬 크고, 독일 209급 잠수함의 최대 운용심도와 비슷하다. 그러므로 본 연구에서 설계 심도는 독일 209급 잠수함의 심도 산정 기준을 따라 480m로 결정하였다.
잠수함의 압력선체 재질은 용접성 등을 고려하여 HY 80 고장력강을 주로 사용하지만, 중량 감소를 위해 HY100 고장력강 또는 티타늄을 사용하는 경우도 있다(Burcher & Rydill, 1995). 본 연구에서 가정한 최대 운용심도는 250m이고, 설계심도는 480m 로 일반적인 소형 잠수함의 운용심도보다 현저히 깊으므로 압력 선체의 중량이 상당히 증가할 것으로 우려된다. 그러므로 압력선체의 구조 중량 감소를 위해 압력선체 재질을 HY100 고장력강으로 결정하였다.
소형 잠수함의 설계 조건은, 수심이 깊은 동해는 물론 얕은 수심의 서해와 남해에서의 작전을 고려하여 수상 배수량은 500ton 내외의 소형으로 제한하고, 운용심도는 크기에 비해 비교적 깊은 250m로 가정하였다. 압력선체의 재질은 중량 감소를 위해 HY100 고장력강을 사용하였다.

제안 방법

1) 주어진 설계 조건에 따라 원통형 압력선체의 구조를 설계하고, 이를 근사식, 경험식 및 수치적 해법으로 구조 강도를 해석할 수 있다.
개념설계 대안의 선형(hull form)은 중앙평행부를 가지는 눈물방울형(tear-drop type)이고, 작전 일수 및 수중 체재 능력을 향상시키기 위하여 공기불요추진(Air Independent Propulsion; AIP) 시스템을 채택하였다. AIP 시스템의 산소 및 수소 탱크를 배치하기 위해 압력선체의 직경이 줄어드는 부분에 외부 선체를 부분적으로 덧대는 반-이중 선체로 설계하였다. 개략적인 3차원 배치 결과는 Fig.
고유치 해석을 통해 산정된 고유치는 부재에 가해진 하중의 임계계수로서 좌굴 하중을 나타내며, 고유모드는 부재의 좌굴 형상을 나타내게 된다. FEM 좌굴해석 시 Pre-stress로 앞서 계산한 응력 해석 결과 값을 입력하여 해석하였다. 좌굴 해석을 통해 얻은 최소 고유치와 최초 임계좌굴하중은 Table 8과 같다.
구조 해석을 위하여, 상용 모델링 프로그램인 Autodesk Inventor를 이용하여 Fig. 12와 같이 3D 모델을 생성하였으며, HY100 재질의 특성을 적용하였다. 상용 해석 프로그램인 Ansys Workbench를 사용하여 해석하였으며, 설계 압력을 외력으로 주고 외판의 응력 및 변형량 해석과 탄성 좌굴 해석을 수행하였다.
정수압에서의 압력선체의 주요 파괴모드를 정리하고, 외판의 항복응력 및 4가지 탄성 좌굴모드(축대칭 좌굴, 비대칭 좌굴, 전체 좌굴 그리고 끝막이판 좌굴)를 해석하였다. 또한 유한요소법의 고유치 해석을 통해 임계 좌굴 압력을 추정하였다. 이를 통해 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.
본 논문은 소형 잠수함의 개념설계 과정 중에서 압력선체의 구조설계 부분을 다루고 있다. 2장에서 설계 대상의 개요와 설계 심도 및 압력선체의 재질을 결정하고, 3장에서 압력선체의 파괴 모드를 정리하였다.
임계좌굴하중이 압력선체에 작용했을 때의 응력과 변형량을 살펴보기 위하여, Table 8의 임계좌굴하중 값(13.54MPa)을 설계 압력으로 적용하여 응력 및 변형량 해석을 다시 수행하였다. 해석 결과는 Fig.
정수압에서의 압력선체의 주요 파괴모드를 정리하고, 외판의 항복응력 및 4가지 탄성 좌굴모드(축대칭 좌굴, 비대칭 좌굴, 전체 좌굴 그리고 끝막이판 좌굴)를 해석하였다. 또한 유한요소법의 고유치 해석을 통해 임계 좌굴 압력을 추정하였다.

대상 데이터

압력선체 외판의 치수는 Table 3과 같다. 끝막이판을 제외한 원통형 외판의 길이는 3600cm이고 최대 직경은 440cm이다. 외 판의 두께는 직경의 변화에 상관없이 균일하게 1.
소형 잠수함의 설계 조건은, 수심이 깊은 동해는 물론 얕은 수심의 서해와 남해에서의 작전을 고려하여 수상 배수량은 500ton 내외의 소형으로 제한하고, 운용심도는 크기에 비해 비교적 깊은 250m로 가정하였다. 압력선체의 재질은 중량 감소를 위해 HY100 고장력강을 사용하였다.
개념설계 대안의 주요요목은 Table 1과 같다. 전장(LOA)은 45.5m, 외부 선체의 폭은 5.4m, 깊이는 4.5m이며, 이 때 수상 배수량은 약 500ton이다.

데이터처리

12와 같이 3D 모델을 생성하였으며, HY100 재질의 특성을 적용하였다. 상용 해석 프로그램인 Ansys Workbench를 사용하여 해석하였으며, 설계 압력을 외력으로 주고 외판의 응력 및 변형량 해석과 탄성 좌굴 해석을 수행하였다.

이론/모형

개념설계 대안의 선형(hull form)은 중앙평행부를 가지는 눈물방울형(tear-drop type)이고, 작전 일수 및 수중 체재 능력을 향상시키기 위하여 공기불요추진(Air Independent Propulsion; AIP) 시스템을 채택하였다. AIP 시스템의 산소 및 수소 탱크를 배치하기 위해 압력선체의 직경이 줄어드는 부분에 외부 선체를 부분적으로 덧대는 반-이중 선체로 설계하였다.
본 연구에서 가정한 최대 운용심도는 250m로 비슷한 크기의 독일 206급 잠수함의 최대 운용심도보다 훨씬 크고, 독일 209급 잠수함의 최대 운용심도와 비슷하다. 그러므로 본 연구에서 설계 심도는 독일 209급 잠수함의 심도 산정 기준을 따라 480m로 결정하였다.
압력선체 모델의 격자(mesh)는 구조해석에서 일반적으로 사용되는 사각형 요소(uniform quad method)를 사용하였다. 해석상 요구되는 격자의 세분화 정도는 구조 전체의 특성을 잘 표현해야 할 뿐만이 아니라 부재간의 연결효과나 외판에 연결된 강력 늑골, 원환 늑골과 같은 국부적인 효과도 표현할 수 있는 것이 바람직하므로, Fig.

성능/효과

2) 원환 늑골로 보강된 원통형 외판의 4가지 파괴 모드를 예측하고, 탄성 좌굴 압력의 크기를 서로 비교하여 설계의 타당성을 검증할 수 있다.
그러나 본 연구는 초기설계단계에서의 구조 설계를 고려한 것으로, 재료 비선형성, 기하 비선형성 그리고 압력선체의 생산 오차를 고려하지 않았다. 본 연구에서 적용한 해석 방법은 실제 압력선체의 강도보다 높게 예측하며, 이는 중량 최소화 측면에서 부재의 치수를 임계값에 가깝게 줄이는 것을 어렵게 만든다. 중량 최소화 관점에서 최적 구조 설계를 위해서는, 재료 비선형성, 기하 비선형성 생산 오차를 고려하고, 더 나아가 피로 파괴를 반영한 해석 방법에 대한 연구가 필요하다.

후속연구

본 연구에서 적용한 해석 방법은 실제 압력선체의 강도보다 높게 예측하며, 이는 중량 최소화 측면에서 부재의 치수를 임계값에 가깝게 줄이는 것을 어렵게 만든다. 중량 최소화 관점에서 최적 구조 설계를 위해서는, 재료 비선형성, 기하 비선형성 생산 오차를 고려하고, 더 나아가 피로 파괴를 반영한 해석 방법에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	잠수함이란?	잠수함은 해수면 아래의 적절한 운용심도에서 작전을 수행하는 무기체계이며, 유인 잠수함은 밀폐된 체적이 대기압 상태로 유지되어야 하는 것이 기본적인 설계 요구조건이다. 그러나 수중으로 잠수를 하면 잠수심도에 비례하는 수압을 받게 되므로 압력 선체의 구조는 외부 해수 압력과 내부 대기압의 차이인 차압 (differential pressure)을 지탱해야 한다.
	유인 잠수함의 기본적인 설계 요구조건은?	잠수함은 해수면 아래의 적절한 운용심도에서 작전을 수행하는 무기체계이며, 유인 잠수함은 밀폐된 체적이 대기압 상태로 유지되어야 하는 것이 기본적인 설계 요구조건이다. 그러나 수중으로 잠수를 하면 잠수심도에 비례하는 수압을 받게 되므로 압력 선체의 구조는 외부 해수 압력과 내부 대기압의 차이인 차압 (differential pressure)을 지탱해야 한다.
	DTMB를 중심으로 잠수함 압력선체의 설계 경험식을 정립하려는 연구에는 어떤 것들이 있는가?	1920년대 이후 DTMB(David Taylor Model Basin)를 중심으로 잠수함 압력선체의 설계 경험식을 정립하려는 연구가 계속 되었다. 주요 연구들을 열거하면, 원환 늑골로 지지된 외판의 응력 분포를 이론적으로 다루는 방법(von Sanden & Günther, 1952), 축대칭 좌굴(Lunchick, 1961), 비대칭 좌굴(Windenburg, 1934), 전체 좌굴(Bryant, 1954) 그리고 끝막이판 좌굴(van der Neut, 1932)에 관한 연구들이 있다. 국내에는 잠수함 압력선체의 피로 강도(Kim, et al., 2010)와 심해용 무인잠수정의 내압선체 설계 (Joung, et al.,2004)에 관한 연구들이 있다.

참고문헌 (9)

Bryant, A.R., 1954. Hydrostatic Buckling of a Ring-Stiffened Tube. NCRE Report R306.
Burcher, R. & Rydill, L.J., 1995. Concepts in Submarine Design. Cambridge University Press: Cambridge
Gill, S.S., 1970. Stress Analysis of Pressure Vessels and Pressure Vessel Components. Pergamon Press.
Joung, T.H. Lee, J.H. Nho, I.S. Lee, P.M. & Aoki, T., 2004. Pressure Vessel Design and Structural Analysis of Unmanned Underwater Vehicle. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 41(6), pp.140-146.

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Kim, U. Kim, K. & Jeon, J., 2010. Experimental Investigations on the Fatigue Strength of the Submarine Pressure Hull. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 47(1), pp.67-75.

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Lunchick, M.E., 1961. Plastic Axisymmetric Buckling of Ring-Stiffened Cylindrical Shells Fabricated from Strain-Hardening Materials and Subjected to External Hydrostatic Pressure. David Taylor Model Basin, Report No. 1393
Van der Neut, A., 1932. A General Solution of the Buckling of Spherical Shells, Considering also Unsymmetric Buckling. Ph.D. Delft: Delft University of Technology.
Von Sanden, K. & Gunther, K., 1952. The Strength of Cylindrical Shells, Stiffened by Frames and Bulkheads, under Uniform External Pressure on All Sides. Translated by Labouvie, E.N. David Taylor Model Basin, Translation 38.
Windenburg, D.F. & Trilling, C., 1934. Collapse by instability of thin cylindrical shells under External Pressure. United States Experimental Model Basin, Report No. 385.

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