[논문]소나돔 충, 배수 밸브의 상태에 따른 함정용 소나돔 윈도우의 구조안정도 변화

한형석; 이경현; 박성호; 임용수

doi:10.5916/jkosme.2014.38.7.844

문제 정의

소나돔에 해수를 완충시킨 이후 소나돔의 충, 배수 밸브의 개폐여부에 따라 소나돔 내부의 압력은 정박 및 항해 중 달라지므로 이러한 밸브 상태는 소나돔 윈도우에 걸리는 압력을 변화시킨다. 따라서 본 절에서는 소나돔 윈도우에 걸리는 압력이 충, 배수 밸브의 개폐 여부에 따라 얼마만큼 달라지는지 파악해 보고자 한다.
본 연구에서는 소나돔 윈도우의 운용에 있어 소나돔 내부의 압력을 조정하는 해수 관리 시스템(water management system)에 따른 소나돔 윈도우의 압력분포를 일반 항해 조건 및 슬래밍 발생 시에 대해 파악하여 소나돔 윈도우의 구조 안정성을 파악하고자 한다.
본 연구에서는 함정의 소나돔 운용에 있어 충, 배수 밸브의 개,폐에 따른 압력 변화가 소나돔의 안정도에 얼마만큼 영향을 미치는지를 해석을 통해 검토하였다. 소나돔 제작사는 소나돔의 충, 배수밸브를 개방한 상태에서 함을 운용하도록 권고되고 있으며 이 때 소나돔 윈도우에 걸리는 힘은 외부의 유체력과 이로 인한 내부압력의 평형관계를 통해 결정된다.

가설 설정

Step 1의 경우 소나돔 윈도우의 압력은 소나돔 내부 해수의 가속력에 의한 힘으로 일반적으로 크지 않기 때문에 무시한다. Step 2의 경우 BV 1040(6)에 따라 210kN/m2의 압력이 소나돔 윈도우 하부에 수면의 수직선에서 30도 각도로 작용한다고 가정하고 있다. 슬래밍 발생 시 소나돔 윈도우에 작용하는 압력은 내부압력이 내부에 채워져 있는 해수의 양에 따라 달라지므로 슬래밍 발생 시 충수 밸브 개폐에 따라 발생하는 수두 차이만큼 차이나게 된다.
최대속도 항해 중 해수 유입 밸브의 개폐에 따른 소나돔 내외부 압력변화는 Table 2와 같다. Table 2와 같이 밸브 개방 시에는 내부 압력으로 인해 소나윈도우에 작용하는 최대 압력은 68kN/m²으로 가정하였으며 소나돔 윈도우에서 항력의 영향을 크게 받지 않는 후미부의 경우 내부압력으로 인해 (-) 방향(선체 외부 방향)의 압력이 발생하게 된다.
소나돔 윈도우 제작사의 유동 해석 결과 최대 항해 중 유체 저항력에 의한 압력은 최대
204kN/m²이며 이 유체력은 Figure 3과 같이 선수에서 선미방향으로 갈수록 선형적으로 감소한다고 가정하였다. 최대속도 항해 중 해수 유입 밸브의 개폐에 따른 소나돔 내외부 압력변화는 Table 2와 같다.
65를 사용하였다. 여기서 해수 충,배수 밸브의 개폐에 따라 소나돔 내부 해수의 양은 크게 차이나지 않으므로 이로 인한 차이는 거의 없다고 가정하였다. Step 4 시에는 소나돔 해수 밸브가 개방되어 있을 경우 소나돔 내외부의 수압이 같기 때문에 소나돔 윈도우에는 수압이 걸리지 않으므로 이때 소나돔 윈도우에 걸리는 힘은 유체의 저항력에 따른 유체력과 이에 따른 내부압력이 발생한다.

제안 방법

또한 슬래밍 충격 상태인 Case 3-Step 2 조건에서도 밸브 개폐에 따라 안전율이 각각 3.2 및 3.8 정도로 안정성에는 큰 문제가 없음을 파악할 수 있었으며 안전율은 인장강도와 최대응력간의 비로 계산하였다. 해석 결과로부터 GRP의 S-N 곡선을 Figure 10과 같이 정의하고 해석의 3가지 Case에 대해 수명을 계산해보았다.
본 절에서는 2절에서 정의한 힘에 대해서 현재 운용중인 특정 함정의 소나돔 윈도우를 가지고 다음의 3가지 경우에 대해 소나돔 충,배수 밸브의 상태에 따라 정적해석을 수행하였다.
소나돔 윈도우는 GRP 플랜지부, GRP 및 고무 윈도우부로 구성되는데 GRP 플랜지부의 경우 솔리드 사면체 요소를 사용하여 모델링하였으며 GRP 윈도우부는 사각형 셀 요소로, 고무 윈도우부는 GRP 윈도우부 요소에 "Mesh on Mesh" 기능을 이용하여 모델링하였다.
소나돔 윈도우의 슬래밍 Step 2에서의 밸브 개폐에 따른 정적해석은 BV 1040에 따라 슬래밍 충격 시 압력을 210kN/m²으로 하여 입수각은 수직 기준으로 30도 각도로 적용하였다.
수압을 받는 선체의 경우 수압증가로 인한 좌굴(buckling) 발생 가능하기 때문에 선형해석에 추가로 좌굴해석을 수행하였다. 좌굴해석 결과 5.

이론/모형

소나돔 윈도우의 정적해석 수행을 위해 유한요소 모델을 Figure 4와 같이 MSC. Patran을 이용하여 모델링하였다. Figure 4에서 소나돔 윈도우의 선체 체결부는 모두 완전 구속조건으로 처리하였다.
5초로 가정하여 수명을 계산하면 모든 경우가 Table 4와 같이 무한수명을 가짐을 예측할 수 있다. 여기서 수명은 식 (9)~(10)의 Palmgren-Miner의 선형 손상 누적법(linear damage summation law)에 의해 계산 하였다.

성능/효과

그리고 좌굴관점에서 보았을 때 슬래밍 step 4 조건에서는 밸브 잠금 시 소나돔에 작용하는 수압이 좌굴 하한치를 초과함으로 이로 인한 파손 가능성이 존재함을 파악할 수 있었다.
소나돔 윈도우의 슬래밍 Step 4에서의 밸브 잠금 시 정적해석 결과는 Figure 8과 같다. 밸브 개방 시는 3.2.2절의 일반 최대속도 항해 중 밸브 개방 시와 동일하지만(최대 16.1MPa) 밸브 잠금 시는 함의 동적효과를 고려한 수압의 영향으로 인해 최대응력이 기존의 경우 29.9MPa, 까지 늘어남을 알 수 있었다. 이때 최대응력 발생 지점은 밸브 개방 시 대비 선수부로 이동함을 알 수 있었다.
1MPa로 Figure 6과 같으며 소나 윈도우 상하부 GRP 연결부에서 가장 큰 응력이 발생함을 알 수 있었다. 밸브 잠금 상태에서 최대응력은 22.0MPa로 밸브 개방 상태 대비 약 37% 증가함을 알 수 있었으며 최대응력부가 소나돔 윈도우의 선수 측으로 이동함을 파악할 수 있었다.
소나돔 제작사의 유동해석 결과로부터 밸브 개방 상태에서 소나돔 윈도우 중심의 정체점(stagnation point)에서 항력에 의해 걸리는 압력은 약 204kN/m2이며 내부압력은 약 68kN/m2 임을 알 수 있었다. 여기서 내, 외부 압력은 일반적인 값이 아니며 본 연구에서 다루는 특정 함정의 해석값이다.
수압을 받는 선체의 경우 수압증가로 인한 좌굴(buckling) 발생 가능하기 때문에 선형해석에 추가로 좌굴해석을 수행하였다. 좌굴해석 결과 5.4m 수압조건에서 좌굴에 대한 안전율은 1.84임을 알 수 있었으며 9.94m 이상 수압차가 발생할 경우 좌굴이 발생될 수 있음을 파악할 수 있었다.
해석 결과 일반 해상 조건에서 최대속도 항해 중 밸브 개폐에 따라 최대응력은 크게 달라지지 않으나 최대응력지점이 밸브 잠금에 따라 소나돔의 측면부에서 선수 구상선수부로 이동하게 됨을 알 수 있었다. 특히 슬래밍 발생 시 수면과의 충돌이 발생하는 Step 2 및 선수부가 물속으로 잠기는 Step 4에서 밸브 잠금 시 동적효과를 고려한 수압 상승으로 인해 응력이 각각 최대 27%, 86% 상승함을 알 수 있었다. 해석 결과 밸브 잠금 상태에서 소나돔 운용 시 일부 응력 상승은 발생할 수 있으나 Soderberg 안정도 판별법을 통해 검토한 결과 충분히 안전한 영역에 있음을 알 수 있었다.
항해 중 소나돔에 걸리는 응력에 대해 해수 유입 밸브 상태에 따라 해석을 수행한 결과 해수밸브 개폐 여부에 따라 운항 중 응력은 밸브 잠금 시 약 37% 상승함을 알 수 있었으며 슬래밍 조건인 Case 3-Step 2, 4 상태에서 밸브 개폐에 따라 응력값이 Step 2에서 27% 정도, Step 4에서 86% 정도 차이남을 확인할 수 있었다. 하지만 응력 수준은 인장강도에 비해 충분히 작음을 알 수 있었다.
해석 결과 밸브 개방 상태에서 기존 소나돔에서의 최대응력은 16.1MPa로 Figure 6과 같으며 소나 윈도우 상하부 GRP 연결부에서 가장 큰 응력이 발생함을 알 수 있었다. 밸브 잠금 상태에서 최대응력은 22.
특히 슬래밍 발생 시 수면과의 충돌이 발생하는 Step 2 및 선수부가 물속으로 잠기는 Step 4에서 밸브 잠금 시 동적효과를 고려한 수압 상승으로 인해 응력이 각각 최대 27%, 86% 상승함을 알 수 있었다. 해석 결과 밸브 잠금 상태에서 소나돔 운용 시 일부 응력 상승은 발생할 수 있으나 Soderberg 안정도 판별법을 통해 검토한 결과 충분히 안전한 영역에 있음을 알 수 있었다. 하지만 죄굴 관점에서 보았을 때 밸브 잠금 시 슬래밍 step 4 조건 파손이 발생될 수 있음을 예측할 수 있었다.
하지만 밸브를 잠글 경우, 수압에 의한 영향으로 인해 소나돔 윈도우에 걸리는 압력분포는 밸브 개방 시와 달라진다. 해석 결과 일반 해상 조건에서 최대속도 항해 중 밸브 개폐에 따라 최대응력은 크게 달라지지 않으나 최대응력지점이 밸브 잠금에 따라 소나돔의 측면부에서 선수 구상선수부로 이동하게 됨을 알 수 있었다. 특히 슬래밍 발생 시 수면과의 충돌이 발생하는 Step 2 및 선수부가 물속으로 잠기는 Step 4에서 밸브 잠금 시 동적효과를 고려한 수압 상승으로 인해 응력이 각각 최대 27%, 86% 상승함을 알 수 있었다.
본 연구의 해석에서 고려한 유체력은 해상상태나 함 조건에 따라 달라질 수 있으며 밸브 개폐에 따른 응력변화는 유체력을 어떻게 정의하느냐에 따라 달라질 수 있으므로 본 연구의 해석 결과는 실험을 통해 검증이 이루어져야 할 것으로 사료된다. 해석 결과로부터 소나돔의 충, 배수 밸브 잠금 시 응력 상승을 초래하기 때문에 함 운용 시 밸브는 개방하여 운용하는 것이 소나돔 윈도우의 구조안전성 측면에서는 보다 안전한 조건임을 파악할 수 있었다.
해석 결과로부터 해수 밸브 잠금 상태에서 운항을 하더라도 GRP 재료의 인장강도를 190MPa임을 고려해 볼 때 최대속도 및 슬래밍 조건에서 충분히 낮은 응력으로 인해 파손의 우려가 없으나 슬래밍 발생 시 수중 부유물에 의한 충격 등이 발생 할 경우 밸브 잠금 시 평균응력 증가로 인해 밸브 개방 시 대비 더 불안정한 조건이 될 수 있음을 파악할 수 있었다.

후속연구

본 연구의 해석에서 고려한 유체력은 해상상태나 함 조건에 따라 달라질 수 있으며 밸브 개폐에 따른 응력변화는 유체력을 어떻게 정의하느냐에 따라 달라질 수 있으므로 본 연구의 해석 결과는 실험을 통해 검증이 이루어져야 할 것으로 사료된다. 해석 결과로부터 소나돔의 충, 배수 밸브 잠금 시 응력 상승을 초래하기 때문에 함 운용 시 밸브는 개방하여 운용하는 것이 소나돔 윈도우의 구조안전성 측면에서는 보다 안전한 조건임을 파악할 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소나돔 윈도우에는 어떤 재질을 주로 사용되는가?	이러한 소나돔 윈도우의 경우 밀도가 높고 강도가 높은 재질을 사용하게 되면 음향투과손실 증가로 인해 소나의 탐지성능 저하를 초래하므로 일반적으로 밀도가 낮은 고무나 GRP(glass reinforced plastic)와 같은 복합소재 재질이 주로 사용된다.
	소나돔 윈도우는 무엇을 위해 부착되는가?	특히 최근 건조되는 함정의 경우 능동소나를 구상 선수(bulbous bow)에 설치하여 운용하고 있다. 이러한 능동소나의 경우 선수부에 위치하기 때문에 항해중 유체의 항력(drag force), 파도에 의한 슬래밍(slamming) 충격력, 부유물에 의한 충돌 등으로 인한 소나 시스템의 파손을 막기 위해 Figure 1과 같이 커버를 부착하게 되며 이를 소나돔 윈도우(sonar dome window)라고 부른다.

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