선박 분야에서 이산화탄소($CO_2$) 배출을 줄이고 연료 효율을 높이기 위한 방법의 하나로 항해하는 선박의 공기 저항을 줄이기 위한 에어 스포일러를 장착하는 방안이 검토될 수 있다. 본 연구에서는 대형 선박에 적용될 수 있는 복합재 에어 스포일러의 체결부를 설계하고, 이에 대한 정적, 피로강도를 평가하였다. 하중은 선박의 운항 중 발생하는 청파(Green Water Pressure) 0.1 MPa이 에어 스포일러에 수직하게 가해지는 것으로 가정하였다. 에어 스포일러는 유리섬유 면재에 발사 코어를 갖는 샌드위치 형태로 제작하였고, 여러 개의 샌드위치 패널이 셀(Cell) 형태로 강(Steel) 프레임에 볼트로 체결되는 것으로 가정하였다. 에어 스포일러와 프레임의 체결부는 베어링 파손을 가지도록 설계하고, 정적(베어링) 시험과 피로(4점 굽힘) 시험을 수행하였다. 시험 결과 개발된 에어 스포일러는 정해진 외부하중을 견딜 수 있는 충분한 안전여유를 갖는 것을 확인하였다. 개발된 에어 스포일러는 조만간 대형 상업용 선박에 적용될 예정이다.
선박 분야에서 이산화탄소($CO_2$) 배출을 줄이고 연료 효율을 높이기 위한 방법의 하나로 항해하는 선박의 공기 저항을 줄이기 위한 에어 스포일러를 장착하는 방안이 검토될 수 있다. 본 연구에서는 대형 선박에 적용될 수 있는 복합재 에어 스포일러의 체결부를 설계하고, 이에 대한 정적, 피로강도를 평가하였다. 하중은 선박의 운항 중 발생하는 청파(Green Water Pressure) 0.1 MPa이 에어 스포일러에 수직하게 가해지는 것으로 가정하였다. 에어 스포일러는 유리섬유 면재에 발사 코어를 갖는 샌드위치 형태로 제작하였고, 여러 개의 샌드위치 패널이 셀(Cell) 형태로 강(Steel) 프레임에 볼트로 체결되는 것으로 가정하였다. 에어 스포일러와 프레임의 체결부는 베어링 파손을 가지도록 설계하고, 정적(베어링) 시험과 피로(4점 굽힘) 시험을 수행하였다. 시험 결과 개발된 에어 스포일러는 정해진 외부하중을 견딜 수 있는 충분한 안전여유를 갖는 것을 확인하였다. 개발된 에어 스포일러는 조만간 대형 상업용 선박에 적용될 예정이다.
Air spoiler, which can reduce the drag during operation, can be considered as a possible means to reduce carbon dioxide emission and to increase fuel efficiency. In this study, a composite air spoiler was designed and tested by static and repeated loads. The Green Water Pressure of 0.1 MPa a ship ex...
Air spoiler, which can reduce the drag during operation, can be considered as a possible means to reduce carbon dioxide emission and to increase fuel efficiency. In this study, a composite air spoiler was designed and tested by static and repeated loads. The Green Water Pressure of 0.1 MPa a ship experiences during operation was perpendicularly applied to the air spoiler. Air spoiler was manufactured with sandwich panel which has glass fabric face and balsa core. Multiple sandwich panels were assembled to steel frame by bolt joint. The joint was designed to have bearing failure and examined by static and fatigue tests. Tests showed that the designed joint has enough margin of safety to endure joint failure. The developed sandwich panel to air spoiler is planned to be applied to a large scale commercial ship.
Air spoiler, which can reduce the drag during operation, can be considered as a possible means to reduce carbon dioxide emission and to increase fuel efficiency. In this study, a composite air spoiler was designed and tested by static and repeated loads. The Green Water Pressure of 0.1 MPa a ship experiences during operation was perpendicularly applied to the air spoiler. Air spoiler was manufactured with sandwich panel which has glass fabric face and balsa core. Multiple sandwich panels were assembled to steel frame by bolt joint. The joint was designed to have bearing failure and examined by static and fatigue tests. Tests showed that the designed joint has enough margin of safety to endure joint failure. The developed sandwich panel to air spoiler is planned to be applied to a large scale commercial ship.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
가설 설정
패널의 에지밴드는 볼트로 금속 프레임에 체결되는데, 에지밴드 위에 금속 보강재를 추가하여 샌드위치가 볼트에 의해 국부적 손상을 입는 것을 방지하였다. 볼트는 두 줄로 설치하고 금속 프레임을 충분히 강하게 설계 하였으므로 샌드위치 패널은 장착부에서 고정지지(Clamped) 되어 있는 것으로 가정한다.
제안 방법
설계된 체결부에서 주요 파손모드인 베어링 파손 하중을 구하기 위한 시험을 수행하였다. 18 mm 볼트를 기준으로, 시편에 각각 18 mm, 30 mm의 구멍을 가공하여, 제작 공차가 베어링 강도에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 나사산이 없이 가공된 볼트(Non-threaded)와 나사산이 있는 볼트(Threaded)로 시험을 수행하여 볼트의 나사산 유무가 베어링 강도에 미치는 영향도 비교하였다.
본 연구에서는 대형 복합재 구조물인 에어 스포일러를 설계하고 유한요소해석 및 시험 평가를 수행하여 설계의 타당성을 검증하였다. 샌드위치 패널은 램프 구간을 통해 코어가 줄어들면서, 면재만 남게 되는 에지밴드에서 금속 프레임과 체결되도록 설계하였다.
이에 따라 삼성중공업과 SK 케미컬, 경상대학교는 복합재 샌드위치로 제작된 에어 스포일러를 대형 선박의 선수에 설치하기 위한 핵심기술 연구를 공동으로 수행하였다. 샌드위치 구조는 램프(Ramp) 영역을 지나 적층판 형태로 금속 프레임에 장착되는데, 본 논문에서는 샌드위치 패널을 금속 프레임에 장착하기 위한 체결부를 설계하고, 장착 부의 강도를 시험으로 검증하는 전체 과정을 간단히 요약 정리하였다.
본 연구에서는 복합재 구조 설계에 널리 사용되고 있는 EUROCOMP[11]에서 제안한 계산 방법을 따라 체결부 초기설계를 수행하였다. 일단 개략적인 방법으로 체결부의 초기설계를 진행하고, 이 설계의 타당성을 유한요소해석과 시험을 통해 검증하는 방식으로 전체 설계를 진행하였다.
대상 데이터
또한 나사산이 없이 가공된 볼트(Non-threaded)와 나사산이 있는 볼트(Threaded)로 시험을 수행하여 볼트의 나사산 유무가 베어링 강도에 미치는 영향도 비교하였다. 따라서 원공공차가 없으며 나사산이 있는 경우(Close Fit Threaded), 원공공차가 없으며 나사산이 없는 경우(Close Fit Non-threaded), 원공공차가 있으며 나사산이 없는 경우(Loose Fit Nonthreaded) 총 3종류의 조인트에 대해 각각 4개씩의 베어링 시험을 수행하였다. 볼트에 가해지는 토크(Torque)의 경우 JIS 규격에 따르면 규정 토크는 146 N·m이지만 토크가 너무 과하게 적용될 경우 발생할 수 있는 복합재료의 수지층 파손과 시험환경을 고려하여 98 N·m의 토크를 적용하였다.
본 연구에서는 앞서 정해진 대로 상하 면재 사이에 더블러를 삽입하여 램프 구간을 보강하였다. 면재와 보강된 더블러는 유리섬유 직조 복합재를 사용하였으며 코어는 발사를 사용하였다. 샌드위치 부위는 주로 굽힘 하중만을 받게 되므로 0/90 위주로 설계하고, 에지밴드는 볼트로 인한 전단파손(Shear Out)이 발생하지 않도록 45/ -45 층이 보강된 구조를 가지도록 적층패턴을 설계하였다.
본 연구에서는 선박을 30년간 운행할 경우 한번 나타날 가능성이 있는 청파(악천후에서 갑판 위를 쓸고 지나가는 파도)를 기준으로 적용하중 0.1 MPa을 설정하였다. 에어 스포일러는 여러 개의 샌드위치 패널로 구성되는데, 샌드위치 패널이 금속 프레임에 장착되는 개념은 Fig.
설계된 샌드위치 체결부의 안전성을 확인하기 위해 SK 케미칼에서 베어링 시편과 샌드위치 구조물의 부분품 시편을 제작하였다. 베어링 시편은 실제 체결이 이루어지는 샌드위치 패널 에지밴드 부분의 적층순서와 동일하게 제작하였다.
볼트에 가해지는 토크(Torque)의 경우 JIS 규격에 따르면 규정 토크는 146 N·m이지만 토크가 너무 과하게 적용될 경우 발생할 수 있는 복합재료의 수지층 파손과 시험환경을 고려하여 98 N·m의 토크를 적용하였다. 시험에 사용된 재료시험기는 Instron 5985 이며 분당 2 mm 속도로 하중을 가하였다. Fig.
데이터처리
18 mm 볼트를 기준으로, 시편에 각각 18 mm, 30 mm의 구멍을 가공하여, 제작 공차가 베어링 강도에 미치는 영향을 확인하였다. 또한 나사산이 없이 가공된 볼트(Non-threaded)와 나사산이 있는 볼트(Threaded)로 시험을 수행하여 볼트의 나사산 유무가 베어링 강도에 미치는 영향도 비교하였다. 따라서 원공공차가 없으며 나사산이 있는 경우(Close Fit Threaded), 원공공차가 없으며 나사산이 없는 경우(Close Fit Non-threaded), 원공공차가 있으며 나사산이 없는 경우(Loose Fit Nonthreaded) 총 3종류의 조인트에 대해 각각 4개씩의 베어링 시험을 수행하였다.
이 초기설계의 타당성을 검토하기 위해 유한요소법을 사용하여 실제 각 볼트에 걸리는 하중을 계산하였다. 해석은 상업용 유한요소 프로그램 ANSYS를 사용하였고, 샌드위치 패널은 쉘 요소를 사용하여 이상화하였다. 금속 프레임과 보강재 사이에 위치한 절점들은 수직방향 변형이 불가능하도록 구속하였고, 볼트로 고정된 절점에서는 면내변위도 추가 구속하였다.
이론/모형
본 연구에서는 복합재 구조 설계에 널리 사용되고 있는 EUROCOMP[11]에서 제안한 계산 방법을 따라 체결부 초기설계를 수행하였다. 일단 개략적인 방법으로 체결부의 초기설계를 진행하고, 이 설계의 타당성을 유한요소해석과 시험을 통해 검증하는 방식으로 전체 설계를 진행하였다.
7과 같이 복합재 샌드위치 에어 스포일러에는 장축을 따라 14개, 단축을 따라 10개의 18 mm 볼트를 설치하는 것으로 설계하였다. 이 초기설계의 타당성을 검토하기 위해 유한요소법을 사용하여 실제 각 볼트에 걸리는 하중을 계산하였다. 해석은 상업용 유한요소 프로그램 ANSYS를 사용하였고, 샌드위치 패널은 쉘 요소를 사용하여 이상화하였다.
성능/효과
88의 충분한 안전여유를 가짐을 확인하였다. 샌드위치 패널의 일부를 잘라내어 부분품에 대한 4점 굽힘 피로시험을 수행한 결과, 정적강도 대비 약 80%의 무한수명 강도를 가지는 것을 확인하였다. 해석과 시험 결과 설계된 에어 스포일러의 샌드위치 패널은 충분한 정적강도를 가지며, 정적강도 대비 우수한 피로강도를 가지는 것을 확인하였고, 실제 선박에 적용할 수 있는 기술적 근거를 확보한 것으로 판단된다.
4 mm인 에지 밴드에 30 mm의 구멍을 가공하여 18 mm의 볼트를 사용하기로 결정하였다. 유한요소해석을 통해 이러한 설계에서 볼트 하나에 걸리는 최대 전단 하중이 75.2 kN임을 확인하고, 실제 베어링 시험을 통해 구조물이 견딜 수 있는 하중을 평가하여, 설계하중 하에서 구조물이 1.88의 충분한 안전여유를 가짐을 확인하였다. 샌드위치 패널의 일부를 잘라내어 부분품에 대한 4점 굽힘 피로시험을 수행한 결과, 정적강도 대비 약 80%의 무한수명 강도를 가지는 것을 확인하였다.
2 kN 대비 충분한 안전여유를 가짐을 확인하였다. 이로써 30년 운항중 한번 겪게 된다는 청파 조건에서도 복합재 샌드위치 에어 스포일러는 구조물 자체에서 뿐만 아니라 조인트에서도 충분한 안전여유를 갖는 것을 확인하였다.
17에 보인 바와 같이 코어와 면재의 분리이다. 일반적인 구조물의 무한수명 강도가 정적강도의 60~70% 정도인 반면, 본 연구에서 개발한 샌드위치 구조물의 부분품은 정적강도의 80% 수준에서 무한수명을 보이는 것을 확인하였다.
샌드위치 패널의 일부를 잘라내어 부분품에 대한 4점 굽힘 피로시험을 수행한 결과, 정적강도 대비 약 80%의 무한수명 강도를 가지는 것을 확인하였다. 해석과 시험 결과 설계된 에어 스포일러의 샌드위치 패널은 충분한 정적강도를 가지며, 정적강도 대비 우수한 피로강도를 가지는 것을 확인하였고, 실제 선박에 적용할 수 있는 기술적 근거를 확보한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
샌드위치 구조란?
이러한 굽힘하중의 지지에 가장 효과적인 구조 형태는 샌드위치이다. 샌드위치 구조는 고강성, 고강도를 갖는 면재(Face) 속에 무게가 가벼운 코어(Core)를 넣어, 굽힘하중과, 굽힘하중으로 인한 면내하중은 면재가 지지하게 하고, 횡전단하중은 코어가 지지하게 하는 구조이다[1].
복합재료로 에어 스포일러를 제작시 장점은?
1에 보인 바와 같이 선수에 대형 에어 스포일러(Air Spoiler)를 설치하는 아이디어가 제시되었다. 특히 복합재료로 에어 스포일러를 제작하면 무게 증가가 크지 않고, 해수에 의한 부식에 강하여 긴 수명을 갖는 장점이 있다.
굽힘하중의 지지에 가장 효과적인 구조 형태인 샌드위치 구조의 단점은?
구조물의 중량을 절감하면서 굽힘강성을 높일 수 있는 효율적인 형태인 샌드위치 구조는 집중하중이 가해지는 체결부 영역에서 취약하다는 문제점을 가지고 있다. 이러한 단점을 해결하기 위한 대표적인 방법이 Fig.
참고문헌 (13)
Petras, A., Design of Sandwich Structure, Cambridge University, UK, 1998.
Park, Y.B., Kweon, J.H., and Choi, J.H., "Failure Characteristics of Carbon/BMI-Nomex Sandwich Joints in Various Hygrothermal Conditions", Composites Part B, Vol. 60, 2014, pp. 213-221.
Roy, R., Nguyen, K.H., Park, Y.B., Kweon, J.H., and Choi, J.H., "Testing and Modeling of NomexTM Honeycomb Sandwich Panels with Bolt Insert", Composites Part B, Vol. 56, 2014, pp.762-769.
Hu, H., Belouettar, S., Potier-Ferry, M., and Daya, E.M., "Review and Assessment of Various Theories for Modeling Sandwich Composites", Composite Structures, Vol. 84, No. 3, 2008. pp. 282-292.
Kim, K.S., Ahn, J.M., Jang, Y.S., and Lee, Y.M., "Strength Improvement of Insert Joint for Composite Sandwich Structure" International Journal of Aeronautical and Space Science, Vol. 38, No. 1, 2010, pp. 29-34.
Hazizan, M.A. and Cantwell, W.J., "The Low Velocity Impact Response of an Aluminum Honeycomb Sandwich Structure", Composites Part B, Vol. 34, No. 8, 2003, pp. 679-687.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.