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제안 방법
- CSR 간이피로해석 결과와 DNV 30.7 간이피로해석 결과의 비교 및 검토를 위해 LR FDA Level 3절차에 따른 스펙트럴 피로해석을 수행하였으며 운항 해역에 따른 피로강도의 영향을 검토하기 위해 North Atlantic 25년과 World Wide 40년 파랑환경에 대하여 피로해석을 수행하였다. 스펙트럴 피로해석 결과는 아래의 Table 5와 같다.
- CSR 간이피로해석 결과와 LR FDA Level 3 스펙트럴 피로해석 결과의 비교 및 검토를 위해 DNV CN30.7절차에 따른 간이피로해석을 수행하였으며 CSR 절차와 다르게 하부 호퍼너클 연결 부와 Deck Longitudinal 연결 부 모두 집중응력 방법으로 피로강도를 평가하였다. 또한 운항 해역에 따른 피로강도의 영향을 검토하기 위해 North Atlantic 25년과 World Wide 40년 파랑환경에 대하여 피로해석을 수행하였으며 그 결과는 아래의 Table 4와 같다.
- CSR의 간이피로해석 절차에 따라 하부 호퍼너클 연결 부는 집중응력 방법으로 피로강도를 평가 하였고 Deck Longitudinal 연결 부는 공칭응력 방법으로 피로강도를 평가 하였으며 그 결과는 아래의 Table 3과 같다.
- 이므로 더 이상 Angle의 크기를 키울 수 없어 단순히 보강재 크기를 증가시키는 방안 외에 다른 방법으로 피로수명을 만족시켜야 했다. Case Study를 요약하면 첫째 Case1과 같이 Key Hole이 피로수명에 미치는 효과를 검토하기 위해 Key Hole을 시공하여 피로해석을 수행하였다. 초기 피로수명 (3.
- Deck Longitudinal과 Tight Bulkhead 연결 부의 경우 Longitudinal Stiffener의 Flange와 Tight Bulkhead의 연결 부에서 피로수명이 가장 부족하게 나왔으며 보강방안의 경우 호퍼 연결 부와 같이 판의 두께를 증가 시키는 방법보다 경우의 수가 많아서 DNV CN30.7 간이피로해석 방법을 사용하여 아래의 Table 9와 같이 Case Study를 통해 최적화 방안을 도출하였다.
- FDA Discrete Unit Load Case를 적용한 유한 요소해석을 통해 응력 영향 계수를 구한 다음 파의 스펙트럼과 운동 및 하중 전달함수에 응력 영향계수를 곱하여 집중응력 스펙트럼을 계산한다.
- 계산 부위에서 작용하는 하중 (Global and Local Load)에 대한 응력범위를 계산한다.
- 계산하고자 하는 위치의 하중에 따른 Stress Range와 형상에 따른 S-N Curve가 결정되면 이 값을 이용하여 선형누적 손상모델인 Palmgren-Miner's Rule에 따라 Full Load Condition과 Ballast Condition 에서 발생하는 누적 피로 손상률을 계산한다.
- 모든 해상상태에 대한 단기 피로 손상률을 더하여 장기 피로 손상률을 계산하여 각 부재의 피로 수명을 계산한다.
- 본 연구는 간이피로해석과 직접피로해석 방법으로 대상 선박에 대한 피로강도를 평가한 후 피로해석 방법에 대한 결과의 차이가 가장 큰 부위를 선정하여 결과를 비교하였으며 전체 해석 부위 중에서 선정된 관심 부위는 하부 호퍼너클 연결부와 탱크 격벽 위치에서 Deck Longitudinal 연결 부 이며 각각 위의 Fig. 3과 Fig. 4와 같다
- 본 연구는 운항항로 및 피로해석 방법에 따른 피로 수명을 비교 검토하기 위해 110,000톤 아프라막스 탱커를 대상으로 North Atlantic 25년 및 World Wide 40년 파랑환경 운항 조건을 적용하여 CSR과 DNV선급의 규칙에 따라 간이피로해석을 실시하고 LR선급의 FDA Level 3의 스펙트럴 피로해석 방법을 적용하여 직접피로해석을 수행하고 각각의 피로해석 방법에 대한 피로해석 결과의 차이점을 검토하였다.
- 상기 수행한 피로해석을 바탕으로 해석 부위의 보강을 통해 피로 수명을 만족하는 판의 두께와 Deck Longitudinal Stiffener의 Scantling을 결정하였으며 하부 호퍼너클의 보강방안은 아래의 Table 7 및 Fig. 8과 같다.
- 스펙트럴 피로해석은 운동해석에서 고려된 모든 단위 파에 의해 발생하는 하중을 구한 다음 이를 전선 구조 모델에 적용하여 단위 파고에 대한 관심 부위의 응력 범위를 구하고 단기 해상 상태를 Rayleigh 분포로 가정하여 각 단기 해상상태의 누적 피로손상도를 구하고, 이를 합산하여 장기해상상태에 대한 누적 피로 손상도를 구한다. 계산된 피로손상도를 이용하여 S-N 선도와 Palmgrens-Miner의 선형 누적 손상이론에 근거하여 선박의 피로강도를 평가한다.
- 이상으로 간이피로해석과 스펙트럴 피로해석의 개념 및 절차를 정리하였고 유조선의 피로해석기법 및 운항항로 차이에 따른 피로강도를 평가하기 위해 당사에서 최근 설계한 110K AFRAMAX Tanker를 대상으로 CSR과 DNV선급의 절차에 따라 간이피로해석을 실시하고 LR선급의 FDA Level 3절차에 따라 스펙트럴 피로해석을 수행하여 결과를 비교 검토하였다. CSR 간이 피로해석 대비 DNV 간이피로해석과 LR FDA Level 3 스펙트럴 피로해석의 North Atlantic 25년 파랑환경을 적용한 피로해석 시 피로 강도 확보를 위해 추가적인 보강이 필요하였고 전체적으로 판 두께 및 보강재 크기의 증가로 인해 강재 중량이 증가 하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 최근 당사에서 설계한 110K AFRAMAX TANKER를 연구 대상 선박으로 선정하였으며 주요 제원은 아래의 Table 1과 같다.
이론/모형
- 스펙트럴 피로해석은 운동해석에서 고려된 모든 단위 파에 의해 발생하는 하중을 구한 다음 이를 전선 구조 모델에 적용하여 단위 파고에 대한 관심 부위의 응력 범위를 구하고 단기 해상 상태를 Rayleigh 분포로 가정하여 각 단기 해상상태의 누적 피로손상도를 구하고, 이를 합산하여 장기해상상태에 대한 누적 피로 손상도를 구한다. 계산된 피로손상도를 이용하여 S-N 선도와 Palmgrens-Miner의 선형 누적 손상이론에 근거하여 선박의 피로강도를 평가한다.
- 주어진 단기 해상상태에서 응력작용횟수와 계산된 응력범위의 확률밀도함수와 S-N Curve의 Parameter를 이용하여 Palmgren-Miner의 법칙으로 단기 피로 손상률을 구한다.
- 피로해석을 수행하기 위한 유한요소 모델은 CSR 및 LR의 절차에 따라 AFRAMAX Tanker의 경우 Centerline Bulkhead에서 비대칭 형상을 가지므로 전폭을 모델링하고 길이방향으로는 화물창의 형상이 유사하므로 선박의 중앙부 3 Hold Model을 사용하였으며 아래의 Fig. 5와 같다.
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