[논문]횡충격하중을 받는 빙해선박 구조물의 파단에 관한 연구

민덕기; 조상래

doi:10.3744/snak.2012.49.4.281

횡충격하중을 받는 빙해선박 구조물의 파단에 관한 연구
On the Fracture of Polar Class Vessel Structures Subjected to Lateral Impact Loads 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.4, 2012년, pp.281 - 286

Abstract ▼ AI-Helper

Single frame structures with notches were fractured by applying drop impact loadings at room temperature and low temperature. Johnson-Cook shear failure model has been employed to simulate the fractured single frame structures. Through several numerical analyses, material constants for Johnson-Cook shear failure model have been found producing the cracks resulted from experiments. Fracture strain-stress triaxiality curves at both room temperature and low temperature are presented based on the extracted material constants. It is expected that the fracture strain-stress triaxiality curves can offer objective fracture criteria for the assessment of structural fractures of polar class vessel structures fabricated from DH36 steels. The fracture experiments of single frame structures revealed that the structure on low temperature condition fractures at much lower strain than that on room temperature condition despite the same stress states at both temperatures. In conclusion, the material properties on low temperature condition are essential to estimate the fracture characteristics of steel structures operated in the Northern Sea Route.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 정수압 응력과 등가 응력의 비(σH/σeq)를 전단 파단의 조건으로 하는 Johnson-Cook 파단 모델을 낙하충돌 파단실험 수치해석에 적용하여 Johnson-Cook 파단 모델의 적용성을 검증하고 Johnson-Cook 파단 모델에서 요구하는 재료상수를 수치해석을 통해 제시하고자 한다.
따라서 본 논문에서는 정수압 응력과 등가 응력의 비를 전단 파단의 조건으로 하는 Johnson-Cook 파단 모델을 낙하 충돌 파단실험 수치해석에 적용하여 Johnson-Cook 파단 모델에서 요구하는 재료상수를 제시하였다. 제시된 재료상수를 적용한 Johnson-Cook 파단모델이 낙하 충돌 파단실험 결과 나타난 구조물의 크랙을 거의 정확히 재현하였다.
선박 구조물에서의 영구 변형의 크기, 파단의 크기 등을 예측하기 위해서는 사용 강재의 소성 변형률 경화 (plastic strain hardening), 변형률속도 경화 (strain rate hardening), 파단에 대한 재료 특성을 동시에 알아야 한다. 본 연구에서는 제 5회, 제 6회 및 제 7회 ICCGS (International Conference on Collision and Grounding of Ship)에서 발표된 논문을 검토하고 파단 모델의 사용현황에 대하여 조사하였다. Table 1에서 나타났듯이 국내외 연구의 상당 부분은 아직도 전단 파단 조건 (shear fracture criterion)에 근거하기 때문에 파단의 기준 물리량으로서 등가 소성 변형률을 이용하고 있음을 알 수 있다.

제안 방법

Fig. 5에서 볼 수 있듯이 문헌조사로 얻은 EH36 강의 d₁,d₂,d₃로 형성된 곡선의 좌표 값을 처음에 45% 좌 하방향으로 이동시킨 후 d₁,d₂,d₃를 곡선 적합하여 구하여 이를 Johnson-Cook 전단 파단모델의 재료상수로 적용하여 수치해석을 수행해본 결과 파단이 발생하지 않았다. 다음 단계로 Fig.
Johnson-Cook 파단 모델에서 요구하는 재료상수를 구하기 위해 Choung, et al. (2011)이 제시한 EH36 강의 재료상수를 기준으로 여러 차례 수치해석을 수행하였다. Min, et al.
(2011)이 제시한 EH36 강의 재료상수를 기준으로 여러 차례 수치해석을 수행하였다. Min, et al. (2010)이 수행한 DH/EH36 강재의 인장실험 결과로부터 DH36 강에 비해 EH36 강의 진 파단변형률이 훨씬 높다는 점을 감안해 볼 때, Fig. 1에서 점선으로 나타낸 곡선이 좌 하방향으로 이동할 것으로 예상되어 Fig. 1에서 최대 응력 삼축비 및 최대 파단 변형률을 기준으로 여러 차례 좌 하방향으로 이동시킨 후 곡선 적합을 통하여 각각의 d₁,d₂,d₃를 구하였다. Fig.
5에서 볼 수 있듯이 문헌조사로 얻은 EH36 강의 d₁,d₂,d₃로 형성된 곡선의 좌표 값을 처음에 45% 좌 하방향으로 이동시킨 후 d₁,d₂,d₃를 곡선 적합하여 구하여 이를 Johnson-Cook 전단 파단모델의 재료상수로 적용하여 수치해석을 수행해본 결과 파단이 발생하지 않았다. 다음 단계로 Fig. 5의 DH36-1 곡선을 다시 16% 정도 이동하고 이후로 약 1.8% 더 이동하여 DH36-3곡선을 구한 다음 곡선 DH36-2와 곡선 DH36-3 사이에서 미세조정하여 상온실험에서 보여준 크랙 길이와 일치하는 수치해석 결과를 보여주는 곡선 DH36-8을 구하였다. 이와 동일한 방법으로 저온에서의 Johnson-Cook 전단 파단 모델의 재료상수를 Fig.
실험모델 재료의 기계적 물성치를 확보하기 위해 모델의 모재로부터 인장시편을 취하여 상온에서 인장실험을 실시하였다. 상온에서의 인장실험결과로부터 Min, et al.
)를 전단 파단의 조건으로 하는 Johnson-Cook 파단 모델을 낙하충돌 파단실험 수치해석에 적용하여 Johnson-Cook 파단 모델의 적용성을 검증하고 Johnson-Cook 파단 모델에서 요구하는 재료상수를 수치해석을 통해 제시하고자 한다. 이를 위해 먼저 Johnson-Cook 파단 모델 재료상수에 대한 기존 연구를 조사하여 제시된 Johnson-Cook 파단 모델 재료상수를 기준으로 여러 차례 수치해석을 수행하여 DH36 강에 적절한 Johnson-Cook 파단 모델 재료상수를 구할 것이다.
Choung (2007)은 다양한 조선 해양 구조물용 강재에 대한 재료실험과 수치해석을 통하여 이들 강재의 소성 특성 및 파단 특성을 통계적으로 제시한 바 있다. 즉 재료의 항복 함수로서 von Mises 모델, 연속체 손상 모델 및 기공률 소성 모델(porous plasticity model)을 이용하였고, 이에 상응하는 파단 조건으로서 등가 소성 변형률, 손상도 및 기공률을 각각 적용하여 기공률 소성 모델이 조선 해양 구조물용 강재의 소성 발전과 파단 예측에 적합하다고 제시하였다.

대상 데이터

실험모델 제작을 위해 960mm x 357mm 선급인증 DH36 강판 6장을 준비하였다. 강판의 화학적성분은 Table 3에 나타내었고 실험모델의 형상과 치수는 Fig.
낙하 충돌체의 낙하지점이 정 중앙에서 오른쪽으로 약 10mm~15mm 정도 떨어져 있다는 사실은 이전의 유사실험으로 부터 확인되었기 때문에 불가피한 조치였다. 실험모델은 상온실험용 3개, 저온 실험용 3개로 총 6개를 제작하였다. 실험모델의 구분 및 실험 전 계측된 모델의 치수를 Table 4에 나타내었다.

데이터처리

수치해석은 상용 프로그램인 ABAQUS/Explicit을 이용하였다. 파단 모델은 Johnson-Cook 파단 모델을 적용하였다.

이론/모형

실험모델 재료의 기계적 물성치를 확보하기 위해 모델의 모재로부터 인장시편을 취하여 상온에서 인장실험을 실시하였다. 상온에서의 인장실험결과로부터 Min, et al. (2012)이 제안한 저온소성경화 구성방정식을 이용하여 -50℃에서의 평균 진응력-진변형률을 구하여 Fig. 3에 상온의 평균 진응력-진변형률과 함께 나타내었다.
8% 더 이동하여 DH36-3곡선을 구한 다음 곡선 DH36-2와 곡선 DH36-3 사이에서 미세조정하여 상온실험에서 보여준 크랙 길이와 일치하는 수치해석 결과를 보여주는 곡선 DH36-8을 구하였다. 이와 동일한 방법으로 저온에서의 Johnson-Cook 전단 파단 모델의 재료상수를 Fig. 6의 DH36-8과 같이 구하였고 이들 최종 결과를 Table 6과 Fig. 7에 나타내었다.
수치해석은 상용 프로그램인 ABAQUS/Explicit을 이용하였다. 파단 모델은 Johnson-Cook 파단 모델을 적용하였다. 피충돌체(Single frame)는 ABAQUS에서 지원하는 S4R요소로 정의하였고, 충돌체(Striker)는 강체로 가정하였으므로 Rigid요소인 R3D4로 정의하였다.

성능/효과

제시된 재료상수를 적용한 Johnson-Cook 파단모델이 낙하 충돌 파단실험 결과 나타난 구조물의 크랙을 거의 정확히 재현하였다. 따라서 제시된 DH36 강의 파단 정의를 위한 응력 삼축비와 파단 변형률 관계는 적절한 것으로 판명되었다. 이로써 향후에는 DH36 강으로 구성된 구조물의 파단 예측에 제시된 Johnson-Cook 재료상수와 이를 근거로 작성된 파단 변형률-응력 삼축비 곡선이 유용하게 활용될 것으로 기대한다.
또한 모델 LT3-4는 실험도중 실험모델에 부착된 4개의 온도 센서 중에서 3개의 센서가 작동하지 않아서 남은 1개의 온도센서에 의존하여 실험을 진행하였으나 결론적으로 측정이 이루어진 1개의 온도센서가 정확한 온도를 감지하였다는 확신을 할 수 없는 상황이었다. 따라서 LT3-4 모델은 실패한 실험으로 간주하였다.
상온 및 저온에서의 낙하 충돌 파단실험과 수치해석 결과로부터 저온에서 충격하중에 대한 빙해선박 구조물의 충격에너지 흡수 능력이 떨어진다는 사실을 확인하였다. 따라서 빙해선박의 사고한계상태(Accidental Limit State)설계 관점에서 파단 예측 시 빙해선박용 강재의 저온 파단 특성이 고려된 파단 모델을 반드시 사용해야 한다.
RT2-2 와 RT3-3 모델간에 크랙길이의 차이는 낙하 충돌체의 낙하 위치의 차이로 인해 발생된 것으로 판단된다. 실험 종료 후 실험모델에 충돌 흔적을 면밀히 조사해본 결과 각 모델 간에 충돌체의 낙하지점이 1mm ~ 2mm 정도의 차이가 있음을 확인할 수 있었다.
따라서 본 논문에서는 정수압 응력과 등가 응력의 비를 전단 파단의 조건으로 하는 Johnson-Cook 파단 모델을 낙하 충돌 파단실험 수치해석에 적용하여 Johnson-Cook 파단 모델에서 요구하는 재료상수를 제시하였다. 제시된 재료상수를 적용한 Johnson-Cook 파단모델이 낙하 충돌 파단실험 결과 나타난 구조물의 크랙을 거의 정확히 재현하였다. 따라서 제시된 DH36 강의 파단 정의를 위한 응력 삼축비와 파단 변형률 관계는 적절한 것으로 판명되었다.
9에 각각 나타내었다. 해석결과에 의하면 Table 6과 Fig. 7에 제시된 Johnson-Cook 전단 파단 모델의 재료상수를 사용할 경우 낙하 충돌 파단실험의 크랙길이와 거의 일치하는 것으로 나타났다.

후속연구

따라서 제시된 DH36 강의 파단 정의를 위한 응력 삼축비와 파단 변형률 관계는 적절한 것으로 판명되었다. 이로써 향후에는 DH36 강으로 구성된 구조물의 파단 예측에 제시된 Johnson-Cook 재료상수와 이를 근거로 작성된 파단 변형률-응력 삼축비 곡선이 유용하게 활용될 것으로 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	선박 구조물에서의 영구 변형의 크기, 파단의 크기 등을 예측하기 위해서는 무엇을 알아야 하는가?	선박 구조물에서의 영구 변형의 크기, 파단의 크기 등을 예측하기 위해서는 사용 강재의 소성 변형률 경화 (plastic strain hardening), 변형률속도 경화 (strain rate hardening), 파단에 대한 재료 특성을 동시에 알아야 한다. 본 연구에서는 제 5회, 제 6회 및 제 7회 ICCGS (International Conference on Collision and Grounding of Ship)에서 발표된 논문을 검토하고 파단 모델의 사용현황에 대하여 조사하였다.
	전단 파단 조건이란 무엇인가?	상기에 언급한 많은 파단 조건 중에서, 조선 해양 관련 분야 엔지니어와 가장 친숙하고, 공학적으로 직관적인 파단 조건은 파단 변형률을 이용하여 파단을 정의하는 전단 파단 조건이다. 재료 또는 구조물에서 발생한 등가 소성 변형률이 파단 변형률에 도달하였을 때 파단이 발생하는 조건이다.
	응력 삼축비는 어떤 비율인가?	이들 연구 결과의 공통점은 편차 응력을 나타내는 von Mises 등가 응력뿐만 아니라 정수압 응력(hydrostatic pressure)도 파단을 지배하는 주요 원인으로 인식하였다는 점이다. 응력 삼축비는 정수압 응력과 등가 응력의 비로서, 재료의 파단 거동은 주로 응력 삼축비의 영향을 받는 것으로 알려져 있다.

참고문헌 (9)

Choung, J.M. & Cho, S-R, 2008. Study on true stress correction from tensile test. Journal of Mechanical Science and Technology, 22(6), pp.1039-1051.

원문보기 상세보기
Choung, J.M. Shim, C.S. & Kim, K.S., 2011. Plasticity and Fracture Behaviors of a Marine Structural Steel, Part II: Technical Backgrounds of Fracture. Journal of Ocean Engineering and Technology, 25(2), pp.92-100.

원문보기 상세보기
Choung, J.M., 2007. On the Fracture Criteria of Steels for Marine Structures Subjected to Impact Loadings. Ph.D. University of Ulsan.
Johnson, G.R. & Cook, W.H., 1985. Fracture Characteristics of Three Metals Subjected to Various Strain, Strain Rates Temperatures and pressures. Engineering Fracture Mechanics, 21(1), pp.31-48.

상세보기
Lehmann, E. & Yu, X., 1998. On Ductile Rupture Criteria for Structural Tear in case of Ship Collision and Grounding. 7th International Symposium on Practical Design of Ships and Mobile Units, pp.149-156.
Min, D-K, Shim, C.S. & Cho, S-R, 2010. On the Mechanical Properties at Low Temperature for Steels of Ice-Class Vessels. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 48(2), pp.171-177.
Min, D-K, Heo, Y-M & Cho, S-R, 2012. Low Temperature Plastic Hardening Constitutive Equation for Steels of Polar Class Vessels. Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 49(3), pp.227-231.

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Tornqvist, R., 2003. Design of Crashworthy Ship Structures. Ph.D. Technical University of Denmark.
Urban, J. 2003. Crushing and Fracture of Lightweight Structures. Ph.D. Technical University of Denmark.

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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